Fisiología, Un Enfoque Integrado, 4ta Edición- D.u. Silverthorn.pdf

Diez claves para tener éxito en las clases que emplean la enseñanza activa Por la doctora Maríl/a Svinicki, directora del University o{Tex.as Center for Tencllillg Effectiveness (Centro de Efectividad en la BllSeñauza de la Universidad de Texas)

ll

Cambie el concepto del aprendizaje autoritario por uno de tipo autorregulado. Reconozca y acepte su propia responsabilidad en el aprendizaje.

de arriesgarse trate de exploallá de lo que le presentan en la 11 Seararclasemáscapaz o el libro. y

• • •

Tolere la ambigüedad y la frustración mientras intenta comprender el tema.

que los errores son oportunida11 Considere des para aprender, en lugar de fracasos. Cometa errores en la clase o en el grupo de estudio para poder aprender a partir de ellos. Mantenga una atención activa sobre lo que sucede en la clase.

en la experiencia del docente para 11 Confíe delinear las actividades de la clase. Participe con disposición y, si es posible, con entusiasmo.

Exprese su opinión o sus conjeturas. 11 Tome las críticas co"ino parte del aprendizaje y no como una opinión sobre su persona.

Prepárese física, mental materialmente 11 etc.) (lea el libro, trabaje en los problemas, para la clase. •

y

Ayude a sus compañeros de clase. La mejor forma de comprender bien un tema es enseñárselo a alguien que no lo entiende.

Undécima regla de la doctora Dee: ¡NO SE ASUSTE! Alejarse de la comodidad de las costumbres habituales puede producir miedo, pero debe hacerlo si desea mejorar.

Raíces de palabras usadas en fisiología a- o an- sin, privado de

hiper- por endma, en exceso

anti- contra, opuesto

hipo- por debajo, deficiente

-asa terminación usada para nombrar las enzimas auto- por sí mismo bi~ dos, doble bradi- lento cardio- corazón cefal·, cefalo- cabeza -cito o cito- célula contra- contrario, opuesto -crino, -erina secreción cripto- oculto, escondido derma- dennato- piel de- privación di· dos, doble dis- dificultad, defecto -ela pequeño -emia perteneciente a la sangre endo- dentro o interno epi· sobre eritro· rojo exo- fuera de extra- fuera de, además de gastro- estómago ~geno, -génico que produce gluco... azúcar o dulce hemi-mitad hemo- perteneciente a la sangre hepato... perteneciente al hígado hidr-, hidro- agua

horno- igual, sin cambio, estadonario inter- entre intra- dentro -itis inflamación de leuco-:blanco lipo· grasa -lisis disolución, destrucción macro- grande micro- pequeño mio- músculo mono-uno multi- mucho, varios oligo... poco para- al lado de, cerca pato-, patía- relacionado con la enfermedad peri~ alrededor poli- muchos post· después, más allá de p:re- antes, delante de pro- antes, delante de re- otra vez retro- detrás, hacia atrás semi- mitad seudo- falso sub- debajo super- sobre, encima supra- sobre, encima taqui· rápido trans· a través-de

Fisiología Humana Un enfoque integrado 4a EDICIÓN

Dee Unglaub Silverthorn, PhD University o{ Texas, Austin CON LA PARTICIPACIÓN DE

William C. Ober, MD Coordinador de ilustradón

Claire W. Garrison, RN Ilustradora

Andrew C. Silverthom, MD Asesor Clínico CON LA COLABORACIÓN DE

Bruce R. Johnson, PhD,...,_---FhCULTAD CiENCiAS

Comell University ¡


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BUENOS AIRES· BOGOTÁ- CARACAS- MADRID· MÉXICO- PORTO ALEGRE e-mal!: [email protected] www.medicapanamericana.com

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HlJMAN PHYSlOLOGY.•.>.o imegroted ~pproach. 4"' Edition Copyrigln © 2007 Pemon EducotirnL lnc.. publislüng as'Benjamin Cummings :OG~stora de Dcredw~ Amomlco S.L.

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Gracia5 por comprar e! original. Este Hbro es pwducto de! esfuerzo de (ltofesklllales como usted, o de sus prQfesim!s, Si !íSléd es estud~'l!lte. Ten· ga en cuenta que fotocopiarlo es una falta de mpeto hacia ellos y un robo de sus derechos inlf!ectuales. Las ciencias de la salud están en pe!lllanente cambio. Amedida que !(IS nuev;¡s i!l\"eSÍig;\CÍO!leS 'f la e~perieocia clíni:a amplían nuestro conocimiento. w requieren modif.caciones en las- mOOalidades teropéutkas y en los !nllamientos [3nnocológicos. Los >1\!tores de esll\ obro han 1-erificodo toda la infomm· ción con fuentes confiables para awgurme de que é:sta sea comp!et:l y arorde COl\ los tS!ámlares oce¡xOOns en el momento de la publicaciólt Sin embar· go. en y[srn de la posibilidad de un error hwmmo o de cnmbios en las der,cias de !a w!ud, ni los autores.. ni la editorial o ~uak¡uierotta persona implicada en !a prepamdón o la publicociOO de este trabajo. gamnlizan que la totalidad de !a inf0!11l0CiÓlllK¡uí contenida sea ~~~1 o rompleta y no se responsabili-z~n por errores u omisiones o por 105 resulrad05 obtenidos del uso de esm infOITJlación. Se aconseja a l051ectore> ronfiw.;Jrla ~on Oll
pio. y en pan:icular. se recomienda a !051ectores re1'iw e! prospxto de «da ffumacu qw: planean administrar para cen:iormt de que la iufommclOn coo:enida en este libro sea correcra Yque nó se hayan producido C
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ARGENTINA Martelo T. de Al1·ear 2!45 (C1122AAGJ Buenos Aires, Argentina Tel.: (54-IIJ 482!-5520/2066/Fax (S4-IIJ 4821·1214 e·mail: [email protected] COLOMBIA Cam:ra7aAl'f69-19 Santa Fe de Bogmá D.C.. Colombia Tel.: (57·1l ~5-4508/3!4-5014/Fn: {57-1) 3!4-50!51345.0019 e-mai!: [email protected]

ESPANA AlbertoAlcocer 24. 6' (28036) • Madrid. España

Tel.: (34) 91-1317800 !Fax: (34¡91·1317805/ (34J 91-4570919 e·mail: in[[email protected]

MÉXICO Hegel N" 141, 2" piw Colonia CM¡rultepec Morales De!egackln Miguel Hidalgo C.P. 11570 -México D.F. Tel.: (52-55) 5262·9470 1Fax: (52-55} 2624-2827 e-mal!: [email protected];>; VENEZUELA Edificio Polar, Torre Oesl:e. Piso 6. Of. 6 C Plata Venezuela, Urbanización Los Caobos. Parroquia El Recreo, Municipio Libertador, Caracas Depto. Capital, Venezuela Te!.: í58-2!2) 793-2857!690615985/1666 FaJ:: (58-2!2) 793·5885 e-mail: info@medic:~panamericana.com.ve

DEE UNGLAUB S!LVERTHORN estudió biología en la Tulane University y luego adquirió su PhD en ciencias marinas en la Uriiversity of South Carolina. Su área de investigaéi.ón es el transporte epitelial, y recientemente su laboratorio se ha enfocado en las propiedades de transporte- de la membrana alantoidea del pollo. Su carrera docente la inidó en ei Departamen~o de Fisiología de la Medica! University of South Carolina, pero durante años ha enseñado a una gran diversidad de alumnos, desde estudiantes de medidna y de pregrado hasta aquellos que aún se preparan para una educación superior. En la University of Texas enseña fisiología, coordina clases prácticas de fisiología en labo. ratorios para estudiantes y da clases para graduados en un curso sobre el desarrollo de habilidades para la enseñanza de ciencias biomédicas. Ha recibido varios premios y distinciones por su acti· vidad docente, como el Claude Bemard Distinguished Lecturer y el Arthur C. Guyton Physiolo.gy Educator of the Year de la American Physiological Society, el Texas Excellence Teaching Award de UT-Austin, el Texas Blazers Faculty Excellence Award y el College of Natural Sciences Teaching ExceUence Award. La primera edición de este libro ganó en 1998 el Robert W. Hamilton Author Award como el mejor libro publicado en 1997·1998 por un miembro del cuerpo de profesores de la University of Texas. Actualmente, Dee es directora en jefe de Advances in Pliysialogy Educat.Wn y trabaja con miembros de la Intemational Unían of Physiological Sdences para mejorar la enseñanza de la fisiología en los países en vías de desarrollo. Es también miembro de la Human Anatomy and Physiology Sodety, de la Society for Comparative and Integrative Biology, de la Association for Biology Laboratory Education y de la Sodety for College Sdence Teaching. En su tiempo libre crea arte textil y disfruta de las colinas de Texas con su esposo, Andy~-.-tJerros.

IMPRESO EN LA ARGENTINA

ISBN 978·950-06-1982-0

Silvertb.om. Dee Ung!aub ftsíología Humana: Un enfoque integrado 1Dee Unglaub Silverthom; con colaboración de: Bruce R. Johnson; cootdinado por W!lliam C. Ober; ilustrado por Claire W. Gmioon • 4a ed. • Buenos Aires: Médica Panamericana, 2008. 980 p.+ Internet; 24x2l cm.

Traducido por. María Inés Gismondi...(et al.}. l. fisiología. I. Johnson, Broce R. Colab. n. Ober, Wllllam C~ coord. III. Garrison, Oaire W. ilus. IV. Gismornli, Maria Inés.

trad. V. Título

CDD6!2

~

~!] ~ Hecho el depósito que dispone la ley 1!.723. Todos los derechos reservados. Este libro o cualquiera de sus partes no podrán ser reproducidos ni archivados en sistemas w:uperab!es, ni mmsmi!ldos en níngUita fonna o por ni!lgUn medio, ya sean m'!Cánicos o electrónicos, fotocopiadorns, grabaciones o cualquier otro, sin el permiso previo de Editorial Médica Panamericana S.A. @ 2008.

EDITORIAL MÉDICA PANAMERICANA S.A. Marce!G T, de Alvear 2145 · Buenos Aires - Argentina Esta edidón se tenninó de imprimir y encuadernar en el mes de febrero de 2Q(jg en los tal!e¡e¡; de Compañía Gráfica Internacional S.A. Agustín de Vr:dia 2948, Buenos Aires. Argentina

Doctor WILUAM C. OBER, MD (coordinador de arte e ilustrador) recibió su título de pregrado en la Washington and Lee Universíty y el de médico en la University of Vrrginia. Durante la carrera de medicina, estudió también en el Departamento de Arte Aplicado a la Medicina de la johns Hopkins University. Luego de su graduación, el doctor Ober completó una residenda en Medicina Familiar y luego se desempeñó en el claustro de la University of Virginia, en el Departamento de Medicina Familiar. En la actualidad, es profesor en la División de Medicina del Deporte de UVA y forma parte del cuerpo docente central del Shoals Marine

Laboratory, donde enseña !lustración Biológica durante el vera· no. Los libros ilustrados por Medica! & Scientific Illustration han sido merecedores de numerosos premios de diseli.o y dibujo. ClA!RE W. GARR!SON, RN (ilustradora) ejerció como enfermera pediátrka y de obstetricia antes de dedicarse a la ilustración médica como carrera de tiempo completo. Retomó los estudios en el May Baldwin Colleg€, donde obtuvo su diploma con honores. Después de S ai'los de aprendizaje, trabaja como colega del doctor Ober en Medica! and Scientific !llustration desde 1986. Trabaja dentro del cuerpo docente central del Shoals Marine Laboratory y participa en la enseñanza de la asignatura llustradón Biológica.

ANDREW C. SILVERTHORN, MD se graduó en la United States Military Academy (West Point). Brindó servicios en la infantería en Vietnam y a su regreso ingresó en la facultad de medicina de la Medica! University of South Carolina en Charleston. Completó su residencia en medicina familiar en la University of Texas Medica! Branch, Galveston, donde fue jefe de residentes, y actualmente es médico de familia en el ámbito privado en Austin, Texas. Cuando Andy no está ocupado en la visita de padentes, se lo puede encontrar en el campo de golf o jugando con su perra labrador de color chocolate, Lady Godiva.

BRUCE JOHNSON es investigador principal asociado de Neurobiología y Comportamiento en la Comell University. oqtuvo un BA en la Florida State University, un MS en la Florida Atlant:ic University y su PhD en Biología en la Boston University, donde trabajó en el Marine Biologkal Laboratoryen Woods Hole. En Comen dicta un curso de laboratorio para estudiantes de pregrado. titulado Principios de Neurofisiología. Es coautor de -·"Crawdild: A CD-ROM Lab Manual {or Neurop!rysio/ogy y del Laboratory Mamml {or Physialogy, y continúa con el desarrollo de preparados modelo para laboratorios de neurociencias para estu. diantes. Ha dictado clases en laboratorios de neurociencias para Crawdad Workshops patrocinados por la NSF, en un curso avalado por Fulbright en la Copenhagen University, para el Marine Biological Laboratory y el Shoa!s Marine Laboratory, y como director de un taller de conferencias sobre la €nseñanza del Project Kale!doscope. Ha recibido premios como docente destacado en la Cornell University, y el premio Faculty for Neuroscience Educator of the Year. Su investigación se dedica a los mecanismos celulares y sinápticos de la plastiddad de la red motora. Disfruta también de ver jugar a su hijo fútbol los fines de semana, de la práctica de karate, del senderismo y de los viajes.

indke resumido Prefacio para el estudiante

xxiii

11

Prefacio para el docente

xxiv

~~ Sangre

Procesos celulares básicos: integración y coordinación ~~Introducción a la fisiología •

Esta edición está dedicada a mis colegas que enseñan fisiología en todo el mundo.

Interacciones moleculares

19

~~ Compartimentación: células y tejidos

50

~~ Energía y metabolismo celular

89

~ Dinámica de las membranas

128 .

~~ Comunicación, integración y homeostasis

174

~

Homeostasis y control ~~ Introducción al sistema endocrino

211

~~ Neuronas: propiedades celulares y

IJ ll

535

Mecánica de la respiración

558

~~Intercambio y transporte de gases

587

IJlos riñones

613

~~ Fisiología integrada 11: equilibrio hidroelectrolítico

641

Metabolismo, crecimiento y envejecimiento El aparato digestivo

676

Metabolismo y balance de energía

716

Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

750

El sistema inmunitario

776

de lasredes

243

Fisiología integrada 111: ejercicio

807

El sistema nervioso central

291

Reproducción y desarrollo

821

Fisiología sensitiva

327

APÉNDICE A: Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

A-1

~~ División eferente: control motor autónomo y somático

~~ Músculos •

l1

Flujo sanguíneo y control de la presión a!ier.ia! 500

Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal

376

APÉNDICE B: Física y matemática

A-31

396

APÉNDICE C: Genética

A-34

435

APÉNDICE D: -Posiciones anatómicas del cuerpo

A-39

_ Integración de la función ~~ Fisiología cardiovascular

456

GLOSARIO

G-1

INDICE ANALITICO

1-1

CRÉDITOS

Cr-1

Índice

Los lípidos de la membrana forman una barrera entre el citopbsma y el liquido extracelular o Las proteínas de membrana pueden estar unidas de manera estrecha o laxa a la membrana ·.; Los hidratos de carbono de la membrana se unen a lipidos y a las proteínas a Compartimentos intracelulares " Las células están divididas en compartimentos o El citoplasma está formado por el dtosol, las inclusiones y los orgánulos o Las inclusiones están en contacto directo con el citosol " Las fibras proteicas citoplasmáticas se presentan en tres tamaños o Los microtúbulos forman centríolos, dlios y flagelos o El cttoesqueleto es un andamiaje modificable o Las proteínas motoras generan movimiento Los orgánulos crean compartimentos para funciones especializadas El núcleo es el centro de control de la célula e Tejidos corporales o La matriz extracelular cumple diversas funciones o Las uniones celulares mantienen unidas a las células para formar tejidos "' Los epitelios ofrecen protecdón y regulan el intercambio o Los tejidos conectivos suministran soporte y barreras o

htdke Biomoléculas 27 o Los hidratos de carbono son las biomoléculas más abundantes 27 Los lípidos son estructuralmenté las biomoléculas más diversas 27 o Las proteínas son las biomoléculas más versátiles 30 o Algunas moléculas combinan hidratos de carbono, proteínas y lipidos 32 e Los nudeótidos transmiten y almacenan energía e información 32 e Soluciones acuosas, ácidos, bases y amortiguadores del pH 35 o No todas las moléculas se disuelven en soluciones acuosas 35 "' Existen varias formas de expresar la concentración de una solución 35 o La concentración de iones de hidrógeno en el cuerpo se expresa en unidades de pH 37 e Interacciones proteicas 38 o Las proteínas son selectivas respecto de las moléculas a las cuales se unen 39 o Múltiples factores pueden alterar la unión proteica 40 e La modulación altera la unión y la actiVidad de las proteínas 40 e Los factores físicos modulan o inactivan a las proteínas 42 o El cuerpo regula la cantidad de proteínas presentes en las células 43 o La velocidad de reacción puede alcanzar un máximo 43 Resumen del capítulo 45 Preguntas 47 Respuestas 49 a

UNIDAD

<)

PROCESOS CELULARES BÁSICOS:

integración y coordinación Introducción a la fisiología o Sistemas fisiológicos ., Funciones y procesos o Homeostasis o Fisiología: más allá del genoma o La fisiología es una ciencia integradora o Temas de fisiología

'f!J Mapeo o La ciencia de la fisiología () Los buenos experimentos ctentíficos deben diseñarse con cuidado

o Los resultados de los experimentos con seres humanos pueden resultar dlfídles de interpretar .. Los estudios en seres humanos pueden adoptar muchas formas 'f!J Gráficos o Búsqueda y lectura de la literatura científica Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

Interacciones moleculares )~ Temas relado11ados: suplementos de cromo o Revisión de química o Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones " El número de protones en el núcleo determina el elemento o Los isótopos de un elemento contienen diferentes números de neutrones o Los electrones forman uniones entre los átomos y capturan energía o Enlaces y formas moleculares o Los enlaces covalentes se forman cuando átomos adyacentes comparten electrones o Los enlaces iónicos se forman cuando los átomos ganan o pierden electrones o Los puentes de hidrógeno y las fuerzas de van der Waal son interacciones débiles los entre átomos o La forma molecular está relacionada con la función

2 3 3 6 6 7

8 9 9

10

11 12 14 15 16 18

19 20 20

20

21 21 22 23 23 24 25

26

Compartimentación: células y tejidos ;~ Temas relacionados: el Papa11icolaou o Compartimentos funcionales del organismo o La luz de los órganos huecos no fonna parte del medio interno • Funcionalmente, el cuerpo tiene tres compartimentos de líquidos o Membranas biológicas o La membrana celular separa a la célula de su medio o Las membranas están compuestas fundamentalmente por lípidos y proteínas ~ Biotecnología: los liposomas para la belleza y la salud

50 51 51

51 52 53 53 53 55

55 58 58 58

59

61 61 61 62 63

<)

<)

~ Biotecnología: produaión de nuevo cartílago Los tejidos muscular y nervioso son excitables o Remodelación tisular G La apoptosis es una forma ordenada de muerte celular o Las células troncales madre pueden crear nuevas células especializadas &

Reacciones químicas o La energía se transfiere entre las moléculas durante las reacciones o La energía de activación pone en marcha las reacciones o La energía se almacena o se libera durante las reacciones " El cambio neto de energía libre determina la reversibilidad de la reacción a Enzimas o Las enzimas participan en las interacciones tlpicas entre proteínas • Las enzimas pueden ser activadas, inactivadas o moduladas a

SS

64 67 68 68 69 72 76 77

80 81 81 81

JJ! La piel e Los órganos Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

84 85

.;. Energía y metabolismo celular

89

),¡. Tema relacionados: la enfennedad de Tay-Sachs o La energía en los sistemas biológicos o La energía se utiliza para realizar trabajo e La energía se presenta en dos formas: cinética y potencial e La energía puede convertirse de una fonna en otra e La termodinámica es el estudio del uso de la energía

90 90 91

83

86

87

92 92 93

!X

93 93 94

94 95

96 96 97

~ Biotemología: separación de isoenzimas por electroforesis 97 • Las enZimas disminuyen la energía de activación de las reacciones 98 • Las velocidades de reacción son variables 98 o Las reacciones reversibles obedecen la ley de acción de masas 99 o Las reacciones enzimáticas pueden ser clasificadas 99 e Metabolismo 101 e Las células regulan sus vías metabólicas 101 • El ATP transfiere energía entre reacciones 103 o Producción de ATP 103 • La glucólisis.cpnvierte a la glucosa y al glucógeno en piruvato 104 ~ El metabolismo anaerobio convierte al piruvato en lactato 106 o El píruvato ingresa al ciclo del ácido dtrico en el metabolismo aerobio 107 o El sistema transportador de electrones transfiere energía al ATP desde NADH y FADH2 108 o La síntesis de ATP está acoplada al moVimiento de iones de hidrógeno 109 o El rendimiento de energía máximo de una molécula de glucosa es de 30-32 ATP 110 o Las biomoléculas grandes pueden utilizarse para produdr ATP 110 oVías de sfutesis 112 "' El glucógeno puede fabricarse a partir de la glucosa 112 e La glucosa puede producirse a partir de glicerol o de aminoácidos 112 o El acetil CoA es un precursor clave para la síntesis de lípidos 113 e Las proteínas son la clave para la fundón celular 113 ~j Importancia clínica: energía y ejercido 113 ,~)Importancia clínica: i11sulina y metabolismo 115 "' La traducctón del ADN a proteínas es un proceso complejo 115

X

Índice

Índice

o Durante la transcripción, el ADN dirige la síntesis de una molécula de mRNA complementaria

115

o El corte y empalme alternativo crea múltiples proteínas a partir de una secuenda de DNA

118

á

118

de aminoácidos

118

Nuel'os conceptos:inte¡ferencia de Ri\IA o La traducción del mRNA produce una cadena

o La distribución proteica conduce las proteínas a su destino o La estructura final de las proteínas está determinada por modificación postraduccional o Las proteínas producidas en el retículo endoplasmático ingresan en la vía secretora Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

,, Dinámica de las membranas ),; Temas reladonados: fibrosis quí;tica e

Equilibrio de masas y homeostasis o La excrectón elimina sustancias del organismo o Homeostasis

no significa equilibrio

119

120 122 123 125 126

128 129 129

130 130 132

o Difusión e La difusión utiliza solamente la energía del movimiento molecular 133 o Las moléculas lipófilas pueden difundir a través de la bicapa fosfolipídica 135 o Transporte mediado por proteínas 136 o Las proteínas de membrana functonan como proteínas estructurales, enzimas, receptores y transportadores 137 o Los canales proteicos crean pasajes abiertos, llenos de agua 138 ot Las proteínas transportadoras cambian su conformación para trasladar moléculas 139
;_¿ Importanáa clínica: la lipoproteína letal • Transporte transepitelial e El transporte transepitelial de glucosa utiliza proteínas de membrana • La transdtosis emplea vesículas para atravesar un epitelio

150 150 151 153

o Ósmosis y tonicidad o El cuerpo es principaimente agua

153

153

..j Importancia clínica: estimación del agua corporal 154 o El cuerpo está en equilibrio osmótico 154 o La osmolaridad describe el número de partículas en solución 154 o La tonicidad de una solución predice el cambio de volumen de una célula colocada en esa solución 156 e El potencial de membrana en reposo 159 o La membrana celular permite la separactón de la carga eléctrica en el organismo 161 o El potencial de membrana en reposo se debe principalmente al potasio 162 o Los cambios en la permeabilidad a los iones modifican el potencial de membrana 165 o Integración de los procesos de membrana: la secreción de insulina 166 Resumen del capítulo 169 Preguntas 170 Respuestas 172

S Comunicación, integración yhomeostasis

174

Ji. Temas relacionados: diabetes melliátS o Comunicación entre células & Las uniones comunicantes crean puentes citoplasmáticos o Las señales dependientes del contacto necesitan el contacto entre las células e Las señales paracrinas y autocrinas llevan a cabo la comunicaciones locales o Las señales neuronales, las hormonas y las neurohormonas son responsables de la comunicadón a larga distancia e Las citoctnas pueden actuar como señales locales o de larga distancia o Vías de señales o Las proteínas receptoras están ubicadas dentro de la célula o en su membrana o Las proteínas de membrana facilitan la transducdón de señales o Las enzimas receptoras tienen actividad proteindnasa o guanilil ddasa

175 175 175 176 176 176 176 177 178 179 182

~) Importancia clínica: la vía de transducd6n de la señal de la insulina o La mayoría de los sistemas de transducctón de señales usan proteínas G o El sistema adenilil cidasa-cAMP lleva a cabo la transducción de señales de muchas hormonas lipofóbicas o Los receptores asociados a la proteína G utilizan también segundos mensajeros derivados de lípidos

183 183 183 183

Los receptores integrina transfieren información desde la matriz extracelular o Las vías de señales más rápidas cambian el flujo de iones a través de los canales o Moléculas de señales nuevas o El calcio es una importante señal intracelular o Los gases son moléculas de señal efímeras ti

184 184 185 185 186

XI

o Las hormonas 212 o Las hormonas se conocen desde tiempos antiguos 212 o¿Qué hace que una sustanda química sea una hormona? 213 -) Jmporl:tlncia clínica: el descubrimiento de la itJStdina

~ Biotecnolo0afa: inmmwcitDquímica

213

216 ~ Biotearología: mediCión de las señales de calcio 187 o Las hormonas actúan mediante la unión o Algunos lípidos son importantes señales a receptores 217 paracrinas 188 o La acctón de una hormona debe interrumpirse 217 e Modulación de las vías de señales 189 o Clasificación de las hormonas 217 o Los receptores presentan saturación, especificidad o Las hormonas son mayoritariamente péptidos y competencta 189 o proteínas 217
XII

Índice

Índice

Resumen del capítulo

239

Preguntas Respuestas

240 241

'' Neuronas: propiedades celulares y de las redes 243 ~ Temas relacio¡¡ados: parálisís misteriosa o Organización del sistema nervioso o Células del sistema nervioso

Las neuronas son células excttables que generan y transportan señales eléctricas n Las células de la glía son las células de sostén del sistema nervioso o Señales eléctricas en las neuronas o La ecuación de Nemst predice el potencial de membrana para unión único o La ecuación de GHK predice el potendal de membrana para múltiples iones o El movimiento de iones a través de la membrana celular crea señales eléctricas o Los canales tipo compuerta controlan la permeabilidad de la neurona a los iones o Los cambios en la permeabilidad de los canales crean señales eléctricas

244 244 246

o

;) Importancia clínica: trastomos de los canales o Los potenctales escalonados reflejan la intensidad del estímulo que los inicta o Los potenciales de acdón recorren largas distancias sin perder intensidad o Los potenciales de acción representan el movimiento de Na+ y el K+ a través de la membrana o Los canales de Na+ en el axón tienen dos compuertas o Los potenciales de acdón no se disparan durante el período refractario absoluto o La intensidad del estímulo es codificada por la frecuencia de los potenciales de acctón o El potendal de acdón no altera los gradientes de concentración de los iones o Los potendales de acción son conducidos desde la zona gatillo hasta la terminación axónica o Las neuronas más 'grandes conducen más rápido los potenciales de acción o La conducción es más rápida en los axones mielínicos _ o La actividad eléctrica puede ser alterada por distintos factores químicos ~ Biotecnología: modelos de ratones mutantes !:b Biotecnología: de vfboras, caracoles, arañas ysushi o Comunicación intercelular en el sistema nervioso

246

250 252 252 252

253

254

254 254 255 257 258

informadón pasa de una célula a otra en la sinapsis o El caldo es la señal para la liberación del neurotransmisor en la sinapsis Las neurocrinas transmiten informadón de las neuronas a otras células o La

270 271

(>

272

A Nuevos conceptos: vesiculas sinápticas con patrón "besa y con-e" 272 o El sistema nervioso secreta distintas neurocrinas 272 ,j Impor"úi11CÜ1 c/ínicn: mastenia grave 274 o Múltiples tipos de receptores amplifican los efectos de los neurotransmisores 275 o No todas las respuestas postsinápticas son rápidas y de corta duración 276 o La actividad de los neurotransmisores termina rápidamente 277 o Integración de la transferencia de la información neural 278 o Las vías neurales pueden abarcar muchas neuronas simultáneamente 278 o La actividad sináptica también puede ser modulada en la terminación axónica 279 o La potenciadón a largo plazo modifica la comunicación sináptica 279 o Los trastornos de la transmisión sináptica son responsables de muchas enfermedades 282 o El desarrollo del sistema nervioso depende de las señales químicas 283 o Cuando las neuronas, se lesionan los segmentos separados del cuerpo celular mueren 283 Resumen del capítulo 286 Preguntas 287 Respuestas 289

259 260 261 26¡ 263 266 266 268 268 269

9 El sistema nervioso central

·Ji. Temas reladonados: espasmos infantiles e Propiedades emergentes de las redes neurales 4 Evolución de los sistemas nerviosos o Anatomía del sistema nervioso central

291 292 292 292 294

~ Biotecnología: rastreo de las neuronas en una red 294 o El sistema nervioso central se desarrolla a partir de un tubo hueco 295 o El sistema nervioso central está dividido en sustancia gris y sustancia blanca 296 o El hueso y el tejido conectivo sostienen el sistema nervioso central 296 e El encéfalo flota en el líquido cefalorraquídeo 299 o La barrera hernatoencefálica protege al encéfalo de las sustancias nodvas en la sangre 299 o El tejido nervioso tiene requerimientos metabólicos especiales 300

;) Importancia clínica: la hipoglucemia y el cerebro 301 270

o La médula espinal encéfalo o El tronco encefálico es la transídón entre la médula espinal y el mesencéfalo o El tronco encefálico está constituido por el bulbo raquídeo, la protuberanda y el mesencéfalo o El cerebelo coordina el movimiento o El diencéfalo contiene los centros para la homeostasís e El cerebro es el sitio de las funciones ep.cefálicas superiores o El cerebro tiene distintas regiones de sustanda gris y de sustancia blanca o Función encefálica o La corteza cerebral está organizada en áreas funcionales o La información sensitiva es integrada en la médula espinal y el encéfalo o La información sensitiva es transformada en percepción o El sistema motor gobierna las eferencias provenientes del sistema nervioso central o El sistema conducta! modula las eferencias motoras o El sistema activación reticular influye en los estados de alerta o¿Por qué dormimos?

o El

_á Nuevos conceptos: adenosina y el café doble fundones fisiológicas muestran ritmos circadianos o La emodón y la motivadón involucran vías neurales complejas o Los estados de ánimo son estados emocionales de larga duración o El aprendizaje y la memoria cambian las conexiones sínápticas en el encéfalo o El aprendizaje es la adquisidón de conocimiento • Memoria es la capaddad de retener y recuperar información o El lenguaje es la conducta cognitiva más elaborada o La personalidad es una combinadón de experiencia y herencia Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

301 302 303 305

305 306 307 307 308 309 310 311 311

312 312 313 315

o Las

10 Fisiologia sensitiva 4

315 315 316 317 317 318 320 321 323 324 326

327

;~ Temas relacionados: enfermedad de Méniere 328 Propiedades generales de los sistemas sensitivos 328 o Los receptores son sensibles a formas específicas de energía 329

Xl!l

La transducdón sensitiva convierte a los estímulos en potenciales graduados 330 o La neurona sensitiva tiene un campo perceptivo 330 o El sistema nervioso central integra ia ínformación sensitiva 331 o La codificación y el procesamiento distinguen la modalidad, la localización, la intensidad y la duración del estímulo 332 o Sentidos somáticos 337 e Las vías de la percepción somática proyectan hada la corteza somatosensitiva y al cerebelo 337 o Los receptores del tacto responden a muchos estímulos diferentes 338 o Los receptores de temperatura son terminaciones nerviosas libres 339 o Los nociceptores inician respuestas protectoras 340 lil El dolor y el prurito están mediados por nociceptores 340 o

;,) Importtlncia clínica: analgésicos naturales 343 Quimiorrecepción: olfato y gusto 343 o El olfato es uno de los sentidos más antiguos 343 o El gusto es una combinación de cinco sensaciones básicas 345 o El oído: la audíción 347 • La audición es nuestra percepción del sonido 349 o La transducción de sonido es un proceso de múltiples pasos 349 o La cóclea está llena de líquido 350 o Los sonidos son procesando primero en la cóclea 353 o Las vías auditivas se proyectan hada la corteza auditiva 353 o La hipoacusia puede ser el resultado de daño mecánico o neural 354

1)

~ Biotecnología: implantes cocleares 354 o El oído: el equilibrio 354 e El aparato vestibular está lleno de endolinfa 355 lil El aparato vestibular proporciona información sobre movimiento y posidón en el espacio 355 o Los conductos semicirculares sensan la aceleractón rotacional 355 o Los órganos otolíticos sensan la aceleración lineal y la posición de la cabeza 355 o Las vías del equilibrio proyectan primariamente hacia el cerebelo 357 o El ojo y la visión 357 ~j Importancia clínica: glaucoma • El ojo está protegido por el cráneo o La luz entra en el ojo a través de la pupila e El cristalino enfoca la luz sobre la retina e La fototransducdón ocurre en la retina e Los fotorreceptores traducen la luz en señales eléctricas • El procesamiento de las señales comienza en la retina

358 358 359 361 363 364 368

XIV

Índice Índice

.á Nuevos conceptos: me/anopsina, un nuevo pigmento fotosensible Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

370

372 373 374

-; ·i División eferente: control motor autónomo

y somático

376

:t Temas relacionados: una poderosa adicción

377

La división autónoma o Los reflejos autonómos son importantes para la homeostasis a El control antagonista es una característica distintiva de la división autónoma o Las vías autónomas poseen dos neuronas eferentes en serie o Los divisiones simpáticas y parasimpática salen de la médula espinal en regiones. diferentes El sistema nervioso autónomo utilizan diversos neurotransmisores y moduladores o Las vías autónomas regulan la actividad de los músculos liso y cardíaco, de las glándulas y de los tejidos, adiposo y linfático o Los neurotransmisores autónomos se sintetizan en el axón o La mayoría de las vías simpáticas secretan noradrenalina sobre receptores adrenérgicos a La médula suprarrenal secreta catecolaminas o Las vías parasimpáticas secretan acetilcolina sobre receptores muscarinicos o Los agonistas y los antagonistas autónomos son herramientas importantes para la investigación y la medicina " Los trastornos primarios del sistema nervioso autónomo son poco frecuentes

377

1)

378 379

379 381

1)

t.i Jmportanda clínica: neuropatía autónoma Resumen de las divisiones simpática y parasimpática o La división motora somática a Una vía motora somática está fonnada por una sola neurona o La unión neuromuscular contiene receptores nicotinicos Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

Las miofibrillas son las estructuras contráctiles de una fibra muscular o La contracdón muscular crea fuerza o Los músculos se acortan cuando se contraen " La contracción está regulada por troponina y tropomiosina o La acetilcolina inida el acoplamiento excitactón-contracdón

407

~ Bíoteawlogfa: el ensayo de motilidad in vitro

407

382 382 383

383 385

386

386 387 387

o

389

389 389 390 393 393 395

399 402 403 406

" La contracción del músculo esquelético requiere un aporte constante de ATP 410 o El cansancio muscular tiene múltiples causas 411 • Las fibras del músculo esquelético se clasifican según la velocidad de contracción y la resistencia al cansancio 412 o La tensión desarrollada por las fibras musculares individuales es una fundón de la longitud de las fibras 413 • La fuerza de contracdón aumenta con la suma de las contracciones musculares 415 o La unidad motora es una neurona motora somática y las fibras musculares que inerva 416 o La contracción en los músculos depende de los tipos y la cantidad de unidades motor"iS 416 o Mecánica del movimiento corporal 417 o Las contracciones isotónicas mueven cargas, pero las contracdones isométricas crean fuerza sin movimiento 417 o Los huesos y los músculos alrededor de las articulaciones forman palancas y puntos de apoyo

418 o Los trastornos musculares tienen múltiples causas 420

• Músculo liso 421 o Las fibras del músculo liso son mucho más pequeñas que las fibras del músculo esquelético 422

J

Jmportanda clínica: músrulo liso y aterosclerosis 422 • El músculo liso tiene filamentos de actina y de miosina más largos 423 • Los filamentos contráctiles del músculo liso no están dispuestos en sarcómeros 424 o La fosforilación de las proteínas desempeña un papel clave en la contracción del músculo liso 425 • La relajación en el músculo liso tiene varios pasos 425 • La entrada de calcio es la señal para la contracción del músculo Uso 426 • El estiramiento muscular abre los canales de CaZ+ 427

músculos lisos tienen potenciales de membrana inestables o La actividad del músculo liso está regulada por señales químicas • Músculo cardíaco Resumen del capítulo Preguntas Respuestas o Algunos

12 Músculos ~ Temas reladonados: parálisis periódica • Músculo esquelético • Los músculos esqueléticos están compuestos por fibras musculares

XV

o

396 397 398 398

427 428 430

431 432

434

'i

Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal 435

)}. Temas relacionados: téff!nos 436 neurales 436 o Las vías refleías neuraies pueden ser clasificadas de diferentes formas 436 " Reflejos autónomos 437 o Reflejos

.á Nuevos conceptos: téwicas de visualiz(lción

en los deportes • Reflejos musculares esquelético " Los husos musculares responden al estiramiento muscular • Los órganos tendinosos de Golgi responden a la tensión muscular o Los reflejos miotáticos y la inhibición recíproca controlan el movimiento alrededor de una artlculadón

438 439 439 442

443

'-) Importtmcia clínica: refle¡os y tono musmlar 443 o Los reflejos de flexión apartan a los miembros de los estímulos dolorosos 443 o El control integrado del movimiento corporal 445 • Los movimientos puede clasificarse corno reflejos, voluntarios o rítmicos 446

iÍ Nuevos conceptos: generadores centrales de patrones y lesiones de la médula espinal o El SNC integra el movimiento o Los síntomas de la enfermedad de Parkinson reflejan las funciones de los ganglios basales • Control del movimiento en los músculos viscerales Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

448 448

450 451 453

454 455

o Cambio

de presión en los líquidos, sin cambios en el volumen 461 o La sangre fluye desde W1 área de mayor presión a otra de menor presión 462 ~ La resistencta se opone al flujo 462 o La velocidad de flujo depende del caudal y del área de la sección transversal 464 o Músculo cardíaco y el corazón 465 " El corazón tiene cuatro cámaras 465 o Las válvulas cardíacas aseguran el flujo unidirecctonal en el corazón 468 o Las células del músculo cardíaco se contraen sin estimuladón nerviosa 470 e El acoplamiento excitación-contracción cardíaco combina características del músculo esquelético y el músculo liso 471 o La contracción del músculo cardíaco puede ser escalonada 472 o Cuando el músculo cardíaco está estirado, se contrae más enérgicamente 472 • Los potenciales de acción en las células miocárdicas varían según tipo celular 472 o Los neurotransmisores autónomos modulan la frecuencia cardíaca 475 o El corazón como bomba 477 o La conducción eléctrica en el corazón coordina la contracdón 477 "Los marcapasos regulan la frecuencia cardíaca 479

~_;¡ Jmportanda clínica: fibrilació11 " El electrocardiograma refleja la actividad eléctrica del corazón o El corazón se contrae y se relaja una vez durante un ciclo cardíaco o Las curvas presión-volumen representan un ciclo cardíaco

479 480

484

486

~ Importancia clínica: galopes, chasquidos y soplos 486 volumen sistólico es el volumen de sangre bombeada por un ventrículo en una contracción 487 o El volumen minuto es una medida del rendimiento cardíaco 489 o La frecuencia cardíaca es modulada por neuronas autónomas y catecolaminas 489 o Múltiples factores influyen el volumen sistólico 490 o La contractilidad está controlada por los sistemas nervioso y endocrino 491 o El volumen de fin de diástole y la presión arterial determinan la poscarga 493 o El

UNIDAD INTEGRACIÓN DE LA FUNCIÓN ·¡4 Fisiología cardiovascular

Ji. Temas reladonados: infarto de miocardio o Aspectos

generales del aparato cardiovascular o El aparato cardiovascular transporta sustancias a todo el organismo • El aparato cardiovascular está fonnado por el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre • Presión, volumen, flujo y resistencia o La presión de un líquido en movimiento disminuye con la distancia

456 457 457

458 458

460 461

á

Nuevos conceptos: células troncales madre para la cadiopatía Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

493 495 497 498

XV!

Índice

Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

<)

<)

á

Nuevos co11ceptos: desde la dinamita hasta la vasodilatacióll 513 o Distribución de la sangre hacia los tejidos 514 t Intercambio en los capilares 514 o La velocidad del flujo sanguíneo es mínima en los capilares 516 o La mayor parte del intercambio en los capilares se produce por difusión y transcitosis 517 o La filtradón y la absorción capilar se produce por o Sistema linfático o El edema se produce de~ido

517 519

a alteraciones del intercambio capilar 520 $ Regulación de la presión arterial 521 o El reflejo barorreceptor es el control homeostático primario de la presión arterial 521 9 La hipotensión ortostática dispara el reflejo barorreceptor 523 • Enfermedad cardiovascular 525 o Los factores de riesgo de enfermedad cardiovascular incluyen el tabaquismo, la obesidad y los factores hereditarios 525

525

Mecánica de la respiración

.J Importancia clílliCtJ: diabetes y enfermedad

500

]; Temas reiacionados: llípe1tensión esencial 501 o Vasos sanguíneos 502 Los vasos sanguíneos contienen músculo liso >.rascular 502 'J Las arterias y las arteriolas transportan la sangre fuera del corazón 502 El intercambio entre la sangre y el líquido interstidal se produce en los capilares 503 o El flujo sanguíneo converge en las vénulas y las venas 503 e La angiogénesis crea vasos sanguíneos nuevos 504 111 Presión arterial 504 e La presión sanguínea sistémica es máxima en las arterias y mínima en las venas 505 o La presión arterial refleja la presión motriz del flujo sanguíneo 506 o La presión arterial se mide con un esfingomanómetro 506 o;t El volumen minuto cardíaco y la resistencia periférica determinan la presión arterial media 507 o Los cambios en el volumen sanguíneo afectan la presión arterial 508 o Resistenda en las arteriolas 509 o La autorreguladón miogénica ajusta el flujo sanguíneo de manera automática 510 -) Importanda clínica: shock 510 o Las secredones paracrinas alteran la contracdón del músculo liso, vascular S11 o La rama simpática controla la mayor parte del músculo liso vascular 513

flujo global

xvn

Índice

o La aterosderosis es un proceso inflamatorio

cardiovascular

526 o

_,a Nuevos conceptos: marcadores infiamatorios de e11{ennedad cardiomswlar o La hipertensión representa un fracaso de la homeostasis Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

e Sangre

526

535

en deportistas 536 o Plasma y elementos celulares de la sangre 536 o El plasma está compuesto por agua, iones, moléculas orgánicas y gases disueltos 536 o Los elementos celulares son los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las plaquetas 537 o Producción de células de la sangre 538 o Las células de la sangre se producen en la médula ósea 538 o La hematopoyesis está sujeta al control de fact.:;1es · estimulantes de colonias, interleudnas y otras citodnas 540 Los factores estimulantes de colonias regulan la leucopoyesis 540 " La trombopoyetina regula la producdón de plaquetas 541 .. La eritropoyetina regula la producción de glóbulos rojos 541 * Glóbulos roíos 542 .. Los glóbulos rojos maduros carecen de núdeo 542 <)

a los pulmones Los sacos pleurales contienen a los pulmones o Las vías aéreas conectan los pulmones con el ambiente externo "Los alvéolos constituyen el sitio de intercambio de gases La circulación pulmonar es un sistema de baja presión y alto flujo

560 560

~ Médula ósea 543 La síntesis de hemoglobina requiere hierro 544 o Los glóbulos rojos viven alrededor de cuatro meses 545

_.j Importancia clínica: hemoglobilw e hiperglucemia 545 o Los

trastornos de los glóbulos rojos disminuyen el transporte de oxígeno 546 Plaquetas y coagulación 547 o Las plaquetas son fragmentos pequeños de células 548 " La hemostasia impide la pérdida de sangre a través de los vasos lesionados 548 e La activación de las plaquetas comienza el proceso de coaguladón 549 " La coagulación convierte el tapón plaquetario en un coágulo más estable 551 e Los anticoagulantes inhiben la coaguladón 552

.á Nuevos conceptos: trombolíticos y agentes 554 555 556

557

587

~· Temas relacionados: altitud Difusión y solubilidad de los gases La solubilidad de los gases en un líquido depende de la presión, la solubilidad y la temperatura 'J Intercambio de gases en los pulmones y en los tejidos 0 La disminución de la Po alveolar reduce la 1 captación de oxígeno a nivel pulmonar , Los cambios en la membrana alveolar alteran el intercambio de gases ~

561

561 564

·.i Importancia clínica: enfemedad pulmonar fibrótica 574 La sustancia tensioactiva o surfactante disminuye el trabajo respiratorio 575 9 El diámetro de las vías aéreas es el principal determinante de su resistencta 576 o La frecuencia y la profundidad de la respiración determinan su efidencia 577 o La composición de gases en los alvéolos varía poco durante la respiración normal 578 o La ventilactón y el flujo sanguíneo alveolar guardan correspondenda 580 o La auscultadón y la espirometría evalúan la función pulmonar 581 Resumen del capítulo 583 Preguntas 584 Respuestas 586 $

Intercambio y transporte de gases

588 588

1)

congestiva 565 a Las leyes de los gases 565 " El aire es una mezcla de gases 565 " Los gases se desplazan desde áreas de mayor presión hacia áreas de menor presión 566 e La Ley de Boyle describe la relación presión" volumen de los gases 566 o La ventilación 567 " Los volúmenes pulmonares se modifican durante la ventilación 567 " Las vías aéreas calientan, humidifican y filtran el aire inspirado 568 " Durante la ventiladón, el aire fluye a causa de los gradientes de presión 569 " La inspiración se produce cuando disminuye la presión alveolar 570 " La espiración se produce cuando la presión alveolar excede la presión atmosférica 572 " La presión intrapleural se modifica durante la ventiladón 572 " La distensibilidad y la elastancia pulmonares pueden cambiar en los estados patológicos 574

o

antíplaquetarios Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

559 559

-j Importancia clí11ica: imu{icie11da cardíaca

ft. Temas relacionados: dosaje de scmgre

t

A. Tema relacionado: enfisema El aparato respiratorio " Los huesos y ios músculos del tórax rodean Q

528 529 531 533

558

~ Biotemología: el oxímetro de pulso o Transporte de gases

589

589 591

592 593 593

en la sangre hemoglobina transporta la mayor parte del oxigeno a los tejidos

593

A Nuevos co11ceptos: sustitutos de la sangre

594

o La

Una molécula de hemoglobina une hasta cuatro de oxígeno 595 La unión del oxígeno a la hemoglobina obedece a la ley de acdón de masas 596 e La Po 2 detennina la unión entre oxígeno y hemoglobina 596 " La unión del oxígeno se expresa como porcentaje 597 o La temperatura, el pH y los metabolitos afectan la unión del oxígeno a la hemoglobina 598 o El dióxido de carbono se transporta de tres maneras 599 a Regulación de la ventilación 602 o Las neuronas del bulbo raquídeo controlan la respiractón 602 " El dióxido de carbono, el oxígeno y el pH influyen en la ventilación 604 " Los reflejos protectores resguardan a los puhnones 607 " Los centros cerebrales superiores afectan los patrones de ventilación 607 Resumen del capítulo 609 Preguntas 610 Respuestas 612 9

Q

"!9 los riñones

613

Ji, Temas reladonados: gota Funciones de los riñones " Anatomía del aparato urinario • El aparato urinario está formado por los riñones, los uréteres, la vejiga y la uretra

614 614 615

;) Importa11da clínica: í11{ecdones urinarias o La nefrona es la unidad funcional del riñón e Visión general de la función renal 9 Los tres procesos que ejecuta la nefrona son la filtradón, la reabsorción y la secreción

615 615 618

e

615

618

XVIII

Índice

Índice

• El volumen y la osmolaridad varían a medida que el líquido circula a través de la nefrona e Filtración o El corpúsm!o renal contiene tres barreras de filtración o La fiitración se produce como consecuencia de la presión hidrostática en los capilares o La presión arterial y el flujo sanguíneo renal influyen en la TFG " La TFG está sujeta a autorregulación it Nuevos conceptos: ue~vpatía diabética o Las hormonas y las neuronas autónomas también influyen en la TFG o Reabsorción o La reabsorción puede ser activa o pasiva o La saturadón del transporte renal desempeña un papel importante en la función renal ~ Biotecnología: ril1011es artifidales o Las presiones en los capilares perüubulares favorecen la reabsorción oSecreción o La competencia disminuye la secreción de penicilina e Excreción "'El clearance (depuración) es un método no invasivo para medir la TFG o El dearance y la TFG permite determinar el manejo renal de los solutos o Micción Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

633 635 637 638 639

2ü Fisiología integrada 11: equilibrio hidroelectrolitico

641

:j: Temas relacionados: hiponatremia o Homeostasís hidroelectrolítica " La osmolaridad del líquido extracelular afecta el volumen celular .á Nuevos conceptos: regulación del volumen celular • El equilibrio hidroelectrolítico requiere la integración de múltiples sistemas y aparatos o Balance de agua o El ingreso y la excreción diarios de agua están balanceados o Los riñones conservan agua • La concentradón de la orina se detennina en el asa de Henle y el túbulo colector ;) Importtlncia clínica: diuresis osmótica • La vasopresina controla la reabsorción de agua

619 620 620 621 623 623 624 625 626 626 628 628 629 630 631 631 632

642 642 642 642 643 643 644 644 645 646 646

"' Los cambios de la presión arterial, el volurrien y la osmolaridad desencadenan reflejos en el balance hídrico 647 ·,) Importnncia clínica: enuresis 1wctumn y vasopresirw 648 o El asa de Henle es un multiplicador por contracorriente 650 o Balance de sodio y volumen del líquido extracelular 652 o La aldosterona controla el balance de sodio 652 • La presión arterial es el estúnulo primario para la secreción de aldosterona 653 o La angiotensina II influye en la presión arterial a través de múltiples vías 654 o El péptido natriurético atrial promueve la excreción de Na~ y agua 656 o Balance de potasio 656 e Mecanismos conductales en el balance de sal y agua 658 o La ingesta de bebidos reemplaza la pérdida de líquidos 658 o El bajo contenido de Na+ estimula el apetito de sal 658 o Las conductas de evitación ayudan a prevenir la deshidratación 658 o Control integrado del volumen y la osmolaridad 659 o La osmolaridad y el volumen pueden cambiar de forma independiente 659 • La deshidratación dispara respuestas renales y cardiovasculares 661 o Equilibrio ácido-base 663 o Las enzimas y el sistema nervioso son particulannente sensibles a los cambios de pH 663 "' Los ácidos y las bases del cuerpo provienen de muchas fuentes 664 o La homeostasis del pH depende de los amortiguadores del pH, los pulmones y los riñones 664 o Los sistemas de amortiguadores de pH incluyen proteínas, iones fosfato y HC03665 o La ventiladón puede compensar las alteradones delpH 666 o Los riñones utilizan amoníaco y amortiguadores de pH de fosfato 667 o El túbulo proximal secreta W y reabsorbe HC03- 667 o La nefrona distal controla la excreción de ácidos 668 • los trastornos del equilibrio ácido-base pueden ser de origen respiratorio o metabólico 669 Resumen del capítulo 673 Preguntas 674 Respuestas 675

e

UNIDAD

El estómago almacena alimentos • El estómago secreta áddo, enzimas y moléculas señal o

METABOLISMO, CRECIMIENTO YENVEJECIMIENTO El aparato digestivo

,:t Temas relacionados: úlceras pépticas

La fase gástrica

676

-)Importancia clínica: retraso del vaciado gástrico o El estómago equilibra digestión y protecdón o La fase intestinal • El bicarbonato en el intestino delgado neutraliza el áddo gástrico o La mayor parte del líquido es absorbida en el intestino delgado • La mayor parte de la digestión ocurre en el intestino delgado

XIX

700 702 702

702 703 704

705 677 procesos del aparato digestivo 677 706 o Anatomía del aparato digestivo 678 o El aparato digestivo está compuesto por la cavidad 706 oral, el tubo digestivo y los órganos de las glándulas accesorias ,:) Importanda clínica: intolerancia a la lactosa 678 707 o La pared del tubo digestivo tiene cuatro capas 679 o El intestino grueso concentra los desechos para la excredón o La pared del aparato digestivo tiene cuatro capas 679 707 0 Motilidad 682 o La diarrea puede producir deshidratación 709 o El músculo liso gastrointestinal se contrae 0 Funciones inmunitarias del tubo digestivo 709 espontáneamente • Las células M controlan el contenido del 682 intestino 709 á Nuevos conceptos: células interstidales de Cajal 683 o Los vómitos constituyen un reflejo protector 710 o El músculo liso gastrointestinal muestra diferentes Resumen del capítulo 711 patrones de contracción 683 Preguntas 713 e Secreción 684 Respuestas 715 o El aparato digestivo secreta iones y agua 685 " Las enzimas digestivas son secretadas en la boca, 22 Metabolismo y balance de energía el estómago y el intestino 716 686 o Las células especializadas secretan moco 687 ~- Temas relacionados: trastornos de la conductll e La saliva es una secredón exocrina 687 alimentaria 717 o El hígado secreta bilis 689 • El cerebro controla la ingestión de alimentos 717 o Regulación de la fundón del aparato digestivo 689 e Balance de energía 718 "' El sistema nervioso entérico puede actuar o El ingreso de energía es igual al egreso de energía 718 de forma independiente del SNC 690 e Los péptidos gastroíntestínales incluyen ~ Biotecnología: nuevos enfoques para hormonas, neuropéptidos y dtocinas el descubrimiento de péptidos 691 719 o Digestión y absorción o El uso de energía se refleja en el consumo 693 e Los hidratos de carbono son absorbidos como de oxígeno de un individuo 719 monosacáridos e La energía se almacena en grasas y glucógeno 693 720 o Metabolismo o Las proteínas son digeridas en péptidos pequeños 721 y aminoácidos 694 o La energía proveniente de los nutrientes ingeridos • Algunos péptidos más grandes pueden ser puede ser utilizada de inmediato o almacenada 722 absorbidos intactos • Las honnonas controlan las vías metabólicas 695 • Las sales biliares facilitan la digestión de grasas 696 al modificar la actividad enzimática 722 • Los ácidos nudeicos se digieren en bases ' El metabolismo anabólico domina en el estado nitrogenadas y monosacáridos posprandial 698 723 " El intestino absorbe vitaminas y minerales o Las concentraciones plasmáticas de colesterol 698 son factores pronósticos de cardiopatía coronaria 725 \z Biotecnología: olestra, el sustituto de las grasas o El metabolismo catabólico domina en el estado sin calorías 698 de ayuno 727 • Los intestinos absorben iones y agua 699 • Control homeostático del metabolismo 728 e La fase cefálica 699 " El páncreas secreta insulina y glucagón 728 o La digestión química y mecánica comienza o La relación insulína-glucagón regula en la boca 699 el metabolismo 729 e La degludón mueve el alimento desde la boca hasta el estómago J Importanda clínica: dietas cetogénicas 700 729 o Función y

XX

" La insulina es la hormona dominante

en el estado posprandial o

Índice

Índice

La insulina promueve el anabolismo

glucagón domina en el estado de ayuno diabetes mellitus es una familia de enfermedades metabólicas o Los diabéticos tipo 1 son propensos a la cetoacidosis o Los diabéticos tipo 2 a menudo tienen contracdones elevadas de insulina o El síndrome metabólico asocia la diabetes con la enfermedad cardiovascular o Regulación de la temperatura corporal ~ La temperatura corporal es un balance entre producción, ganancia y pérdida de calor e La temperatura corporal está regulada homeostáticamente o El cuerpo produce calor por el movimiento y el metabolismo o El termostato corporal puede ser reconfigurado Resumen del capítulo Preguntas Respuestas o El

o La

729 731 733 734 735 736 739 739

¿,.;~

741 743 743 746 747 748

y el metabolismo 750 • Revisión de los principios endocrinos o Glucocorticoides suprarrWales o La corteza suprarrenal secreta hormonas esteroideas o La secreción de cortisol está controlada por laAcrH " El cortisol es esencial para la vida o El cortisol es un agente terapéutico útil o Los trastornos del cortisol se deben a demasiada hormona o muy poca hormona o La CRH y la ACTH tienen funciones fisiológicas adictonales e Hormonas tiroideas " Las hormonas tiroideas contienen yodo

.á Nuevos conceptos: las me/anocortinas y el ratóti Agutí e Las honnonas tiroideas afectan la calidad de vida o La TSH controla a la glándula tiroides o Hormona de crecimiento o La hormona de crecimiento es anabólica o La hormona de crectmiento es esenáal para el crecimiento de los niños o La hormona de crecimiento humana obtenida por ingeniería genética plantea rnestiones éticas o Crecimiento tisular y óseo

765

765 766 767 768 770 771 772 773 774

740

23 Control endocrino del crecimiento

=j,;. Temas reladonados: hiperparatiroidismo

El crecimiento tisular req-qiere hormonas y paracrtnos o El crecimiento óseo requiere un aporte de calcio sufidente o Balance de caldo o Las concentraciones de calcio en ia sangre están cuidadosamente reguladas " Tres honnonas controlan el balance de calcio o La homeostasis del calcio y el fosfato están relacionadas o la osteoporosis es una enfermedad de pérdida ósea Resumen del capítulo Preguntas Respuestas e

751 751 751 751 753 754 755 755 756 757 757 757 759 760 761 762 764 764 764

El sistema inmunitario

~ Temas relacio1wdos: tratamiento del SIDA Aspectos generales de la función del sistema inmunitario o Patógenos del cuerpo humano e Las bacterias y los virus demandan diferentes mecanismos de defensa o Los virus pueden reprodudrse (replicarse) sólo en el interior de las células huésped

776 777

e

A Nuevos conceptos: retrovints o La respuesta inmunitaria e Anatomía del sistema inmunitario o Los tejidos linfoides están distribuidos por todo el cuerpo 1@1 El bazo • Los leucocitos son las células principales del sistema inmunitario Inmunidad innata: respuestas inespecíficas 't.as barreras físicas y quúnicas constituyen la primera línea.de defensa del rnerpo e Los fagocitos reconocen e ingieren cuerpos extraños " Los linfocitos natural killer eliminan células infectadas por virus y células tumorales o Los mediadores químicos crean la respuesta inflamatoria e Inmunidad adquirida: respuestas específicas a los antígenos o Los linfocitos son las prindpales células involucradas en la respuesta inmunitaria adquirida o Los linfocitos B se diferencian a células plasmáticas y células de memoria o Los anticuerpos son proteínas secretadas por las células plasmáticas • Los linfocitos T deben hacer un contacto directo con sus células diana 'i)

777 778 778 778 779 779 780 780 781 782 784

(1

784 784 785 786 788 788 788 789 792

~El timo 792 o Vías de la respuesta inmunitaria 794 o La irulamactón es la respuesta típica frente a la infecctón bacteriana 794 " Los mecanismos de defensa intracelulares son necesarios para luchar contra las infecdones virales 795 o Las respuestas alérgicas son respuestas inflamatorias disparadas por antígenos específicos 797 o Las proteínas del MHC permiten el reconocimiento de tejido extraño 798 <~ El reconodmiento de lo propio es una fundón importante del sistema inmunitario 799 ~ Biotecnología: antime1pos obtenidos por ingeniería genética 800 o La vigilanda inmunológica permite que el cuerpo elimine las células anormales 800 o Interacciones neuroendocrinoinmunitarias 800 o El estrés altera la función del sistema inmunitario 802 o"La medicina moderna incorpora la terapéutica mente-cuerpo 802 Resumen del capítulo 804 Preguntas 805 Respuestas 806

25 Fisiología integrada 111: ejercicio

807

:_.% Temas reladonados: golpe de calor o Metabolismo y ejercicio oLas hormonas regulan el metabolismo durante el ejercido o El consumo de oxígeno está relacionado con la intensidad del ejercido o Varios factores limitan el ejercido e Respuestas ventilatorias al ejercicio e Respuestas cardiovasculares al ejercicio o El volumen minuto aumenta durante el ejercicio • El flujo de sangre periférica se redistribuye hada los músculos durante el ejerctdo o La presión arterial aumenta levemente durante el ejerdcio o El reflejo barorreceptor se ajusta al ejerctdo o Respuestas de prealimentación al ejercicio • Regulación de la temperatura durante el ejercicio o Ejercicio y salud " El ejerddo reduce el riesgo de enfennedad cardiovascular o La diabetes mellitus tipo 2 puede mejorar con el ejerdcio e El ejercicio puede influir sobre el estrés y el sistema inmunitario

808 808 810 810 811 811 812 812 813 813 814 815 815 816 816 816 817

XXI

Resumen del capítulo Preguntas Respuestas

819 820 820

"''' Reproducción y desarrollo

821

·~ Temas relacionados: infeJtilidad 822 " Determinación del sexo 822 o Los cromosomas sexuales determinan el sexo genético 823 ~) Importancia clínica: trastomos hereditarios ligados al X 823 o la diferenciación seXual se produce en el segundo mes del desarrollo 825 o Patrones básicos de la reproducción 826 ~) Importancia clínica: determinación del sexo 827 o l.a gametogénests comienza dentro del útero y se reanuda durante la pubertad 827 e El cerebro dirige la reproducción 829 o la reproducción está influenciada por factores ambientales 831 o Reproducción masculina 831 o Los testículos producen espermatozoides y testosterona 832 • La espermatogénesis requiere gonadotropinas y testosterona 835 o Las glándulas accesorias masculinas aportan secreciones al semen 836 o Los andrógenos influyen sobre los caracteres sexuales secundarios 836 e Reproducción femenina 837 o El aparato reproductor femenino está formado por los ovarios y el útero 837 o El ovario produce óvulos y hormonas 837 El ciclo menstrual dura alrededor de un mes 840 o El control hormonal del deJo menstrual es complejo 840 e Los estrógenos y los andrógenos influyen sobre los caracteres sexuales femeninos secundarios 844 • Procreación 844 o La respuesta sexual humana posee cuatro fases 844 e El acto sexual masculino incluye la erecctón y la eyaculadón 845 e La disfunctón sexual afecta tanto a hombres como a mujeres 845 " Los anticonceptivos evitan el embarazo 846 • La infertilidad es la incapacidad de concebir 848 e Embarazo y parto 848 • La fecundación requiere capadtación 848 • El embrión en desarrollo se implanta 849 en el endometrio o La placenta secreta hormonas durante el embarazo 850 (1

XXII

Índice

El embarazo tennina en el momento del trabajo de parto y el parto o Las glándulas mamarias secretan leche dur
APÉNDICE A: Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

APÉNDICE B: Física y matemática

A-31

APÉNDICE C: Genética

A-34

852

852 854 854 854

APÉNDICE D: Posiciones anatómicas del cuerpo A-39 GLOSARIO

855 857 859

860

A-1

Prefacio para el estudiante

ÍNDICE ANALÍTICO CRÉDITOS

G-1 1-1 Cr-1

¡BIENVENIDO A lA fiSIOLOGÍA HUMANA! Al iniciar el estudio acerca dei cuerpo humano, deberá estar preparado para aprovechar al máximo los recursos disponibles, que incluyen a su profesor, la biblioteca, intemet y este libro. Uno de mis objetivos al escribir este libro es proporcionarle no sólo información acerca de cómo funciona el cuerpo humano sino también sugerencias para estudiar y resolver problemas. Muchas de estas ayudas para el estudio fueron desarrolladas con la contribución de mis alumnos, por eso creo que le resultarán particularmente útiles. En la introducción visual (p. xxxii) he incluido una breve guía acerca de las características especiales del libro, en especia! las que no pueden encontrarse en otros libros de texto. Le recomiendo que se tome unos minutos para leer esta sección, de manera de aprovechare! libro al máximo a medida que estudia. Si logra sacar ventaja de caracteó~ticas como la Revisión, las Preguntas de las figuras y de los gráficos y los Temas relacionados, verá que empieza a pensar la fisiología de manera diferente.

Una de las tareas que deberá enfrentar d~1rante el estudio será la de construir una visión general propia acerca del cuerpo, sus sistemas y aparatos y los muchos procesos que los mantienen en funcionamiento. Esta "visión global" es lo que los fisiólogos denominamos integración de los sistemas, y constituye un tema clave de este libro. Pero para integrar la información tendrá que hacer un poco más que simplemente memorizarla. Deberá entenderla cabalmente y ser capaz de empleada para resolver problemas que nunca antes ha enfrentado. Si se encuentra orientado hada una carrera sanitaria, lo hará en el hospital. Si está en rumbo a una carrera biológica, resolverá problemas en el laboratorio, en el campo o en el aula. El análisis, la síntesis y la evaluación de la infonnación son habilidades que deben desarrollarse durante la etapa de estudiante, y espero que las características de este libro lo ayuden en esta meta. ¡Mucha suerte en e! estudio! Un cari!íoso saludo, Dra. Dee (como me llaman mis alumnos) [email protected].

Prefacio

NOVEDADES DI' ESTA EDICIÓN

Prefacio para ei docente . Durante ios tres años transcurridos desde la publicación de !a ter-

cera edición la fisiología y la medidna siguieron evolucionando. Amedida que los científicos aprenden más acerca de los procesos biológicos fundamentales, sus descubrimientos se traducen en nuevos tratamientos médicos y en sugerencias para el manteni· miento del estado de bienestar. En esta edidón del libro, también nosotros hemos continuado la actualización y el enfoque de los temas y conceptos básicos de la fisiología, para ayudar a los estudiantes a generar un modelo mental de cómo funciona el cuerpo humano.

TEMAS ClAVE DE ESTE liBRO En la cuarta edición mantuvimos las cuatro estrategias para el estudio de la fisiología que resultaron tan populares desde la primera publicación de este libro en 1998. l. Enfoque en la resolución de problemas

Una de las habilidades más valiosas que podemos enseñar a nues. tros alumnos es la de pensar de manera crítica y de utilizar la información que aprenden para resolver nuevos problemas, Varias características de este libro, que están ampliadas en esta edidón, fueron diseñadas para ayudar a !os estudiantes a practicar estas habilidades. Los apartados de Revisión, induidos en el texto, detienen a los estudiantes y les proponen pensar acerca de lo que acaban de leer. Las Preguntas en figuras y gráficos desafían a Jos estudiantes a pensar realmente acerca de lo que muestran las i!ustractones. Los Temas relacionados proporcionan aplicadones de la v¡da real respecto del material de cada capítulo, y esta edidón destaca dos nuevos problemas aceKa del control del dopaje y de la hiponatremia en los atletas. 2. Énfasis en la integración El cuerpo humano funciona como un todo coordinado, no como sistemas y aparatos aislados. El tiempo y los libros de texto siguen una organización lineal, pero, de alguna manera, los estudiantes deben llegar a apreciar que las funciones fisiológicas forman una intrincada red de procesos interconectados. Los tres capítulos de Fisiología integrada (capítulos 13, 20 y 25) invitan a los estudiantes a dar un paso atrás, mirar "el bosque" y descubrir por sí mismos cómo se comunican y cooperan los aparatos y sistemas para mantener la homeostasis. En esta edidón del libro hemos elegido al síndrome metabólico -un trastorno clínico en cl cual el paciente presenta la triada diabetes tipo 2, aterosderosls y presión arterial elevada- para ilustrar una enfermedad íntegra! que afecta a múltiples sistemas del organismo simultáneamente. Dado que la obesidad ha alcanzado

La cuarta edición de Fisiologfa hmnaua:

proporciones epidémicas en los Estados Unidos, nos paredó apropiado seleccionar una enfermedad con relevancia directa para nuestros estudiantes. Los ejemplos de cómo se re!adonan las enfermedades que integran el síndrome metabólico con la fisiología normal aparecen reiteradamente a lo largo de todo el libro para resaltar la ímportancía de entender la integracíón funcional del cuerpo. 3. Integración de la fisiología general con la fisiología celular y molecular La mayor parte de !a investigación actual en fisiología se realiza a nivel celular y molecular, y esta edición sigue integrando la fisio· logía y la biología celular y molecular. Se han productdo muchos desarrollos apasionantes en la medicina y la fisiolog[a molecular desde la primera edidón. En esta edición remarcamos los princi· píos básicos de las mteracciones proteicas con una nueva sección que lleva este título en el capítulo 2. Estos principios -la importancia de la forma de la proteína, las isoformas proteicas, la especificidad y la afinidad de enlace, la modulación de la actividad, la competencia por los sitios de unión y la saturación de la actividad- aparecen de manera reiterada en análisis de enzimas, receptores y transportadores, pero a menudo los estudiantes no pueden detectar los aspectos que tienen en común. Esperamos que mediante la presentación de las interacciones entre proteínas como tema básico que se manifiesta en toda la fisiolog[a, los estudiantes aprendan a reconocer estos principios cuando los enfrenten durante el estudio. 4. Presentación de la fisiología como un campo dinámico He tratado de presentar a la fisiología como una disciplina dinámica con muchas preguntas sin respuestas que ameritan mayor investigación y estudio. Resulta esencial que los estudiantes com. prendan que muchos de los "hechos" que están aprendiendo son sólo las teor!as actuales, sobre todo a medida que surge nueva información a partir de la unión del proyecto Genoma Humano y de la investigación básica. La demanda de fisiólogos aumenta a medida que los esfuerzos de la investigación se centran en recabar información que no está cubierta por la investigación celular y molecular, y en su aplicación en la observación clínica. Los estudiantes de fisiología de la actualidad son la próxima generación de dentíficos y de profesionales sanitarios, las personas que tratarán de contestar las preguntas que aún no tienen respuestas. Es mi de$1!0 que este libro propordone una visión integral de la fisiología, de manera que los futuros científicos y profesionales santtarios empiecen las carreras universitarias que elijan con un respeto por la complejidad del cuerpo humano y una visión clara del potendal de la investigación fisiológica y biomédica.

o

eu{oque integrado, se basa en la cobertura total de los temas de fisiología molecular e integral que fueron eJ fundamento de este libro desde suprimera edición. E! texto ha sido revisado y presenta nuevas figuras y diagramas y considerables actualiza<:iones del contenido. 1111

Nueva f¡gura de resumen de la síntesis y el procesamientn de proteinas.

Capítulo 5 Dinámica de las membranas ~ El estudio de la depuración por parte de múltiples órganos

como mecanismo para el mantenimiento del eqüilibrio de masas. o Nueva tabia sobre la familia de transportadores GLUT. o La introducción de acrónimos para las familias de transporta. dores: SGLT es el nombre del transportador de Na+-g!ucosa, OAT el del transportador de ácidos orgánicos, NKCC el de! transportador Na-K-2Cl. o Más ejemplos, una nueva figura y una explicación cuantitativa de la tonicidad. o Nueva información acerca de la asociación de los microdomí. nios lipídicos con las caveolas. o Nuevo gráfico sobre la competencia por los sitios de unión de las proteínas. o Nueva figura sobre el equilibrio de masas.

Actualizaciones del contenido por capítulo Capítulo 1 Introducción a la fisiología • Ampliación de ia introducción a la homeostasis. o Nueva información sobre proteómica y el genoma. o Nueva sección acerca de la búsqueda y lectura de la literatura científica. o Nueva información sobre la investigación aplicada (desde la mesada de laboratorio hasta la cama del paciente). • Nueva figura sobre los sistemas de controL

Capítulo 2 Interacciones moleculares Nuevo título de _capítulo, que refleja el nuevo enfoque. Nueva sección sobre interacciones proteicas, incluidas la cons-tante de equilibrio y la constante de disociación, o Nueva figura sobre los enlaces no covalentes de las proteínas. o Una revisión del análisis sobre la química básica o Más análisis sobre grasas trans. o Más análisis sobre la forma molecular

XXV

o

o

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis La introducción de la desensibilización como meamismo de control. ~ Más información acerca de la reguladón positiva programada.

o

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino o

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos o Nuevo título de capítulo, que refleja la cobertura y el enfoque sobre el tema de la compartimentalizadón. o Nueva sección sobre compartimentalizadón y compartimentos fundonales del cuerpo, o Reubicadón de la descripción de la estructura de la membrana celular y de los compartimentos líquidos del organismo desde el capítulo 5. o Nueva secdón sobre esfingolípidos de membrana, microdominios (balsas) lipídicos y proteínas ancladas a lipidos. o Más información sobre proteasomas y degradación de proteí-

nas.

Nueva figura sobre proteínas motoras. o Reubicación de los detalles de la función del RER y del com. piejo de Go!gi en el capítulo 4. o Más información sobre la lámina externa de las células nerviosas y musculares. e Nuevas fotos del complejo de Golgi, esfingolipidos y microdominios lipídicos. e Nueva figura que exhibe las cavidades abdominopelviana, craneal y torácica. o

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular Nueva información acerca del RNA de interferenda y del siRNA, o Más análisis sobre la expresión de genes y la síntesis proteica. o Nuevo modelo de la progresión de las cisternas en la función del complejo de Golgi. o Nueva tabla sobre las propiedades de los organismos vivos. o

Información actualizada sobre el péptido relacionado con el gen de la calcitonina y la evolución de las hormonas.

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes lnfonnación actualizada sobre las células madre neurales. Más informadón acerca de conductancia, corriente iónica y exdtabilidad. o Más información sobre el umbral para la apertura de canales; activación, inactivación y desactivación de canales o Más información actualizada aceKa de las múltiples isoformas de los canales iónicos. o Nueva información sobre las neuronas marcapasos y tónicamente activas. o Más análisis respecto de !as diferencias entre las neuronas y las sinapsis periféricas y centrales. • Información actualizada sobre los receptores glutaminérgicos metabotrópicos. o Nueva información acerca de la depresión de largo plazo. o la inclusión de potenciadores, otros subtipos de receptores y antagonistas en el cuadro 8-4. o Más información sobre neurocrinos Upídicos y receptores de canabinoides. o Nueva figura sobre el flujo de corriente local. o Revisión de las figuras para la conducción del canal de Na, período refractario, conductancia del potencial de acción y conductancia saltatoria. o o

Capítulo 9 El sistema nervioso central o Más información acerca de los dispositivos de interfaz cerebroordenador.

XXVI Prefacio o o 0

Más preguntas sobre las meninges. Más información acerca del desarrollo embrionario. Más información sobre por qué dormimos.

Prefado XXVfl o

o

Capítulo 10 Fisiología sensitiva " Más información respecto del canal transitorio de receptor de potencial V1 (fRPV1), receptores de vanilloides. " Nueva información sobre dolor nodceptivo, dolor i.n..'lamatorio, dolor neuropático, dolor patológico. o Más información sobre el olfato, las feromonas humanas y el gusto. • Nueva información acerca del papel de la gustdudna en el gusto. e Nueva informadón respecto de las células madre y de la tera· pia génica como reemplazo de las células pilosas del oído muertas. o Más información sobre la inervación de las glándulas lagrima· les. o Más información sobre las células bipolares, las células hori· zontales y las células amacrinas. o Más información acerca de los tipos de células ganglionares en la retina de los primates.

o o

Más información sobre la enfermedad cardiovascular y revisión de las pautas de presión arterial para la hipertensión y la prehipertensión. Nuevo gráfico sobre la relación entre la presión arterial y la enfeunedad cardiovascular. Nuevo cuadro de revisión de la fisica del flujo sanguíneo. Nuevas preguntas de nivel 3 sobre persistencia del conducto arterioso.

Capítulo 16 Sangre o

o

~

o

Más información acerca de la sangre del cordón umbillcal y de las células troncales madre. Más análiSiS sobre el factor 1 inducible por hipoxia (HIF-1) en la síntesis de EPO. Un nuevo tema relacionado con el control del dopaje en los atletas. Nueva fotografía de eritrocitos crenados y edematizados.

o

o

Más análisis sobre el volumen pulmonar y la ley de Boyle. Nuevo recuadro acerca de la insuficiencia cardíaca congestiva.

o

• Más información sobre la inervación simpática del tejido linfoide. • Más información sobre los receptores beta-3. • Más información sobre los ganglios como centros integradores. • Datos actualizados respecto del hábito de fumar en la escuela secundaria.

o 0

La reubicación de la información acerca de la hemoglobina en el estudio sobre el transporte de oxígeno desde el capítulo _16. Nuevas preguntas sobre el intercambio de oxígeno. Más información acerca del papel de la apoptosis en el enfue.

m•. • Más información respecto del control neura! de la ventilación.

Capítulo 19 Los riñones Nuevo recuadro sobre diálisis. Más información sobre la retroalimentación tubulog!omerular. • Dos nuevos problemas de nível3. o o

Capítulo 20 Fisiología integrada 11: equilibrio hidroe-. lectrolítico • Más análisis y figuras sobre los mecanismos de transporte en el o

Capítulo 14 Fisiología cardiovasculat

o

• Nuevo recuadro sobre células madre y enfermedad cardíaca. • Más información acerca del síndrome de QT prolongado. • Un mayor análisis sobre !a contractilidad y la poscarga. • Más información sobre los glucósidos cardíacos y !as arritmias.

e

o

asa ascendente de Henle. Nuevas preguntas de revisión acerca de los diuréticos de asa. Más información sobre los canales EnaC y ROMK. Más información sobre los péptidos natriuréticos como marca. dores de la enfermedad cardiovascular. Nuevo tema relacionado sobre la híponatremia.

Capítulo 21 El aparato digestivo Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial • Más información acerca de la anatomía de los vasos sanguíneos. • Más información sobre la circulación colateral en la enfermedad cardíaca. • Más información sobre los bloqueantes de los canales de calcio. • Más información respecto del óxido rúttico y su papel en la fisiopatologia • Más información sobre marcadores de inflamación {proteína C· reactiva y homocisteína) en la enfermedad cardiovascular.

Más información sobre la relajación receptiva y de las moléculas antipáticas. o Más información sobre la absorción intestinal de hierro y Ca4 • • Más información acerca del citocromo P450 en el hígado. o Más información sobre las hormonas incretinas y las hormonas gastrointestinales. o Más información sobre los plexos mientérico y submucoso, neuronas intrínsecas y extrínsecas. o Más información sobre la digestión y la absorción de nutrientes. o Dos nuevas preguntas de revisión, una nueva pregunta de figura. o

Dos nuevas preguntas de nivel 3: resolución de problemas. Nueva figura que muestra los acinos pancreáticos.

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía o Nueva infonnación sobre la tasa de intercambio respiratorio. " Nueva información sobre el metaboliSmo de lípidos, la enfermedad coronaria y los fármacos hipolipemiantes. e Nueva sección sobre el síndrome metabólico. ~ Más irúormación y un nuevo cuadro sobre fármacos para la diabetes, por ejemplo, incretinas, amilina y PPARs.

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo o

o

o

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

• Presentación del concepto de torsión en el análisis de la bio· mecánica. • Más información acerca de la producción de ácido durante el ejercicio. • Nuevas preguntas analiticas de fin de capítulo sobre la interpretación de gráficos.

o

Capítulo 17 Mecánica de la respiración

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

Capítulo 12 Músculos

o

o

o

Más información acerca del tratamiento de la baja estatura con hormona de crecimiento. Más información actualizada sobre la androstenodiona en el deporte. Nueva informadón sobre el receptor sensor de Ca (CaSR) de las glándulas paratiroides. Más información acerca de los melanocttos y la ACTII. Nueva información respecto del uso de raloxifeno y del deri-

vado de PTH teriparatída para el tratamiento de la osteoporosis. o

Nueva pregunta de figura acerca de la fisiopato!ogia tiroidea.

Capítulo 24 El sistema inmunitario Más información sobre los eosinófilos. " Más información acerca del tratamiento de las enfermedades autoinmunitarias con esteroides. o Un nuevo recuadro de biotecnología acerca de los anticuerpos humanizados para el tratamiento del cáncer. o

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo • Más información sobre la determinación del sexo y el desarrollo embrionarios. o Más información acerca de la anticoncepción, con un nuevo cuadro sobre la eficacia de diversos métodos. e Nueva información sobre el vínculo entre la disfunción eréctil y la enfermedad cardiovascular. o Más información acerca de la terapia farmacológica para la disfunción sexual femenina. o Revisión de la figura correspondiente a la meiosis.

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Agradecimientos La escritura, la edición y la publicación de un libro representan un proyecto grupal que requiere el talento y la experiencia de muchas personas. Quisiera agradecer particulannente a Bruce )ohnson, del Departamento de Neurobiología y Comportamiento de la Comen University, un excelente neurobiólogo y educador, qtúen aportó su experiencia para garantizar que los capítulos de neurobiología sean predsos y reflejen los últimos conocimientos de este campo que cambia tan rápidamente. Muchas otras personas dedicaron tiempo y energía en la reali· zadón de este libro, y quisiera agradecer a todos ellos, de manera colectiva e individual.

REVISORES Estoy particularmente agradecida a los profesores que ·revisaron uno o más capítulos de la tercera edición. Agradezco el tiempo y las ideas que introdujeron en sus comentarios y he incluido tan· tas de sus sugerencias como me fue posible. Los revisores de esta edición son:

í

1

Patt Allen, Dixie College Marvin H. Bemstein, New Mexico State University Barrie P. B"ode, St Louis University Howard Booth, Eastem Mich.igan University Sunny Boyd, University of Notre Dame, Indiana N. Bryska, Unive.rsity of North Carolina, Charlotte Shere Byrd, Fort Lewis College Robert Canada, Howard University james E. Davis, Alma College P.A. George Fortes, University of California, San Diego Nicholas Geist, Sonoma State University Suzanne M. Gould, Ivy Tech, Anderson Jean Grassman,-Brooklyn College-CUNY (City University of · NewYork) Albert Herrera, University of Southern California Patrlck K. Hidy, Central Texas College James Hoffman, Diablo Valley College Kelly johnson, University of Kansas John Lepri, University of North Carolina, Greensboro Pat Lombardi, University of Oregon Jeanne McLauchlin, University of Arkansas Duncan R. Munro, College of Charleston Elizabeth M. Rust, University of Michigan Gail Sabbadini, San .Diego State University Curt Walker, m;de College Andnej Wieraszko, College of Staten lsland Muchos otros profesores y estudiantes dedicaron tiempo para escribir o enviar correos electrónicos con preguntas o sugerencias.

Estoy siempre encantada de rectbir aportadones, y pido disculpas por no disponer de espado para agradecerles individualmente.

REVISORES ESPECIALIZADOS Nadie puede ser experto en todas las áreas de la fisiología, y estoy profundamente agradecida a mis amigos y colegas que revisaron capítulos enteros o respondieron a preguntas específicas. Los revisores espedalizador de esta edictón fueron: Thomas Blevi.ns, MD, Austin, Texas Cynthla Gill, University of Texas, Barbara Goodman, Unlversity of South Dakota Wllliam Durham.. Baylor College of Medicine Susan L. Hamilton, Baylor College ofMedicine David Hood, YOik University Steven C. King. Oregon Health &: Science University Michael Levitsky, Louisfana State University Health Sctences Center Robert Linsenmeier, Northwestern University Ron Markel, Pennsylvania State University Wllliam Percy, University of South Dakota Erik Swenson, Unlversity of Waslúngton Elizabeth Weiss, University of TW$-Austin Los revisores especializados de las ediciones previas incluyen a: Beverly Bishop, State University ofNew York, Buffalo Arthur Dalley, Vanderbilt University Dan.Hardy, MD, Austin, Texas Michael Joyner, Mayo Clinic Carol C. Under, The]ackson Laboratories Henry S. Ludd, MD, Austin, 1exas ]effrey Pommerville, Maricopa Community College Withrow Gil Wler, University of Maryland, Baltimore School ofMedictné Richard WJ.!cox, University of Texas-Austin jack Wilniore,. Texas A&M Univeníty Robert G. Canoll, East Carolina University School of Medicine Douglas Baton, Emory University Leona Young. Emory Univenity james Larimer, University ofTexas Paul Matsudai.Ia, Massachll!!~ lnstitute of Technology joel Michael. Rush Medica! College . Harold Modell, National Resource for Computers Life Sctence Education james Stockand, University ofTexas Health Science Center--San Antonio jeffrey Sands, Emory University Vuginia Scofield, University of Southern California

XXX

REVISORES DE LAS EDICIONES PREVIAS

1•

Quisiera agradecer nuevamente la colaboraaón del cuerpo de profesores que reVJsó las ed.iaones antenores

pr

Agradecimientos

Agradecimientos

Brenda Alston-Mills, North Carolina State Uruvernty Roland M. Bagby, University of Tennessee Cynthia Bed:, George Masen University Patrida J. Berger, University of Utah David Bernard, University ofTexas-Arlington Ronald Beumer, Annstrong State College Surmy K. Boyd, University of Notre_Dame, Indiana irmothy Bradley, University of Califomia-lrvine AJan P. Brockway, University of Colorado-Denver David Byman, Pennsylvania State University Worthington-Scranton Campus john Capeheart, University of Houston-Downtovm Annabelle Cohen, CUNY The College of Staten Island Kim Cooper, Arizona State Universitr Charles L. Costa, Eastem Illinois University Carlos Crocker, San Francisco State University Catherine Dallemagne, Queensland University Arianne Dantas, University ofMelboume Gordon Ganett, Utah Valley State College Lori K. Garrett, Danville Area Community College Andrew Goliszek, North Carolina A&T State University Margaret M. Gould, Georgia State yruversity Tammy Greco, Eastem Michigan University David Hammerman, Long Island University janet L. Haynes, Long Island University-Brooklyn Richard W. Heninger, Brlgham Young University Tracy M. Hodgson, University of Pittsburgh Katja Hoehn, Mount Royal College Carol Hoffman, San José City College Wtlliam C. Kleinelp, Middlesex Community College John Lepri, University of North Carolina-Greensboro jennifer Lundmark, California State University-Sacramento Daniel L. Mark, Penn Valley Community College Kerry McDonald, University of Missouri Roberta Meehan~ Denver, Colorado Wayne Meyer, Austin College Alice C. Milis, Middle Tennessee State Universfty Ron Mobley, Wake Technical CommU!J.ity College Stacta Moffett, Washington State University john G. Moner,.University ofMassachusettS-Amherst David Muehleisen, University of Utah Tim Mullican, Dakota Wesleyan University Patdda L. Munn, tongview Community College joanne Nosky, Okanagan Valley College of Massage Therapy Scott Nunes, University of San Francisco Linda Ogren, University of Califonlia-Santa Cruz Del! Redding, Evergreen Valley College Caro! Rivard, Fanshawe College Mary Anne Rokitka, SUNY, Buffalo

Allen Rovick, Rush Medica! College Evelyn Schlenker, University of South Dakota Norm Scott, University of Waterloo, Canadá Brian R. Shmaefsky, Kingwood College Sabyasachi Sircar, Delhi, India Amanda Stames, Emory University Judy Sullivan, Antelope Valley College Roger Tanner-Theis, University of Oklahoma (Retirado) Deborah Taylor, Kansas City Kansas Community College David Thomas, Fanshawe College Benjamin Walcott, SUNY Stonybrook Richard L. Walker, University of Calgary Curt Walter, Dixie College Donald Whitmore, University ofTexas-Arlington Ronald L. Wlley, Miaml University of Ohio Burl Wtlliams, h., East Tennessee State University David A. Woodman, University ofNebraska-Lincoln

El equipo de Benjamin Cummings trabajó incansablemente para ver a esta edidón transformada en un libro a partir de un manuscrito. Nicole George-O'Brien fue la jefa de proyecto que reunió a todos los elementos diferentes. de éste y mantuvo a cada partidpante con una actividad, con el asesoramiento de Deirdre McGill Espinoza, jefa editorial. Nicole coordinó de manera excelente el texto, los materiales compleillentarios y los proyectos asedados. Al inicio del proceso, Sabrina Larson ordenó las revisiones de las ediciones previas. Karen Gulliver, jefa de producción, hlzo malabares con los tiempos previstos y guió el proyecto a través de la transición de manuscrito a páginas. Maw:een Sphuler obtuvo nuevas fotog:cafias para el· libro a partir de recur. sos de todo el mundo. Amy Yu coordinó los materiales comple· mentarios impresos y Alex Streczyn y Sarah Young-Dualan traba· jaron en los materiales digitales. Un agradecimiento especial a Lauren Harp, directora ejecutiva de mercadeo, y a los equipos de ventas de Benjamin Cummings y Pearson Intemational que fueron un vínculo inestimable entre la autora y los profesores de fisiología de todo el mundo.

fOTOGMFiAS Quisiera agradecer a los siguientes colegas que generosamente proporcionaron microfotografías de sus investigadones: Flora M. Love, University ofTexas Jane Lubisher, University ofTexas Carole L. Moncman, University ofTexas Young~Jin Son, University ofTexas

MATERIAlES COMPLEMENTARIOS Varios de mis alumnos graduados -Lynn Cialdella, Zara Oakes y Alonna Beattyz- revisaron las preguntas del banco de preguntas y del sitio web de esta edidón, diseñadas originalmente por Pat Munn del Longview Community College en Kansas y por Alice Milis de la University of Temi.e5see-Martin. Damian Hill trabajó conmigo una vez más en la revisión de la Guía de recursos para docentes y en el Ubro de.ejercicios para estudiantes.

EL EQUIPO DE DESARROLLO Y PRODUCCIÓN Un manuscrito es sólo un primer paso en el largo y complejo pnr ceso que culmina en un libro encuadernado y sus complementos. En esta edición trabajé de cerca con Irene ~es, mi jefa de desarrollo, y con Alan Titche, mi corrector de estilo para mejorar y aclarar el texto. Irene fue particularmente servida! en la reorga· nizactón de la primera unidad del libro, y aportó una Visión reno. vada al proyecto. Bill Ober y Claire Garrison, mis coautores artís~ ticos, emplearon sus notables talentos para hacer que las ilustra· dones de esta edidón fueran aún más claras y hennosas. Jim Gibson contribuyó con la disposidón de las figuras y cuadros y Anita Impagliazzo obtuvo las fotografías utilizadas en los íconos y la anatomía. Yvo Riezebos fue el talentoso diseñador que creó el diseño de la portada y de las páginas interiores.

AGRADECIMIENTOS ESPECIALES Como siempre, quisiera agrade1:er a mis alumnos, que buscaron errores y áreas que requerían mejoras. En esta edidón, Matt Pahnke, un estudiante graduado de fisiología del ejercido en Texas, escribió el nuevo Tema relacionado sobre hiponatremia que se encuentra en el capítulo 20. Los asistentes de enseñanza graduados han desempeñado un papel enorme en mi tarea docente desde que llegué a la University of Texas, y su aporte contribuyó a darle forma a mi manera de enseñar. Muchos de ellos son ahora miembros dfl cuerpo de profesores. Quisiera agradecer particularmente a: Lynn Cialdella, MS, MBA Patti Thom, PhD Karina Loyo.Garáa, PhD Jan M. Machart, PhD Ari Berman, PhD Kurt Venator, PhD Peter English, PhD Kira Wenstrom, PhD Lawrence Brewer, PhD Caro! C. Linder, PhD

XXXI

Fmalmente, un agradecimiento espedal a mis colegas de la American PJJ.ysiological Sodety y de la Human Anatomy & Physiology Sodety, cuyas experiencias en las aulas han enriquecido mi propia interpretación de. cómo enseñar fisiología. Quisiera reconocer también a un grupo especial de amigos por su aporte permanente: Ruth Buskitk, }udy Edmiston, jeanne Lagowski,jan M. Macharty Marilla Svinicki (University ofTexas), Penelope Hansen (Memorial University, St. john's), Mary Anne Rokitka (SUNY Buffalo), Rob Carroll (East Carolina University School of Medidne), Cindy Gill (Hampshire Colleg:e) y.Joel Michael (Rush Medica! College). Una vez más, agradezco a mi familia y amigos por su pactenda, comprensión y apoyo durante el caos que parece inevitable con las revisiones de libros. Y, como siempre, el mayor agradedmiento a mi esposo Andy, quien me mantiene orientada hacia lo que realmente es importante en la vida. ·

UN TM!IAJO PERMANENTE Uno de los aspectos más gratificantes de escribir un libro es la oportunidad que me ha dado de encontrarme o comunicarme con otros profesores y estudiantes. En los años transcurridos desde la publicación de la primera edición he tenido noticias de gente de todo el mundo y el placer de enterarme de cómo se ha incOrporado el libro en sus tareas de enseftanza y aprendizaje. Puesto que los libros de ciencia se reviSan cada tres o cuatro años, el trabajo es permanente. Invito al lector a ponerse en con-' tacto conmigo o con el editor por cualquier sugerencia, corrección o comentario acerca de esta cuarta edición. Puede ubicarme a través del correo electrónico [email protected]. Applied Sdences Benjamln CUmmings 1301 Sansome Street San Frandsco, CA 94111

Dee U. Silverthom University of Texas Austin, Texas

La cuarta edición de Fisiología humana: un enfoque integrado propordona oportunidades atractivas para que los estudiantes practiquen las habilidades de razonamiento crítko y de resolución de problemas que son esendales para el éxito del curso de fisio!og!a humana y para futuros rursos y carreras en ciencia o medicina.

Después de muchos años de redbir la opinión de sus alumnos de fisiología humana la autora, Oee Silverthom, ha incorporado a su libro numerosas ayudas para el estudia:. -

RESÚMENES ANATÓMICOS Para comprender la fisiología, los estudiantes deben tener tam· bién un buen conocimiento de anatomía básica. Los .Resúmenes de anatomía ayudan a visualizar la anatomía de un sístema fisiológico. Independientemente de si se trata de la primera vez que se estudia anatomía o si se refresca la memoria de un curso anterior, estos resúmenes permiten a los estudiantes observar todas las características esenciales de cada sistema en una única figura.

PREGUNTAS DE lAS FIGURAS Y DE LOS GRÁFICOS Muchas de las figuras y gráficos incluyen preguntas que ayudan a los estudiantes a evaluar su comprensión de los conceptos ilustrados, a interpretar los grá· ficos científicos y a aplicar la información a situaciones nuevas. Las respuestas a las preguntas de las figu· ras y de los gráficos se encuentran al final de cada capítulo. PIIRGUPlA

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TEMAS RElACIONADOS Cada capítulo comienza con un problema relevante de la vida real que abarca una enfermedad o trastor· no que se desarrolla en las páginas subsiguientes. Las preguntas numeradas en la sección de temas relacionados hacen que los estudiantes apliquen la información que han aprendido. Al final del capítulo, los alumnos pueden comparar su estrategia de resolu~ ción de problemas con la Conclusión.

F~GURAS

órganos que a menudo se pasan por alto en los libros de fisiología, como la piel, el higado y la glándula pineal.

INFORMACIÓN liÁSICA

REVISIONES Las revisiones que se encuentran a lo largo de cada capítulo proporcionan un momento de reflexión para que los estudiantes comprueben su compren· sión de los conceptos de la sección prece~ente. Los alumnos pueden revisar sus respuestas a las preguntas de revisión usando la guía de respuestas al final del capítulo. ·

Al inido del capítulo, esta práctica lista repasa los temas que los estudiantes deberán conocer para comprender el material que sigue. Las referencias de página ahorrarán valioso tiempo de estudio. .

REVISIÓN

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VÍAS REFLEJAS Y MAPAS CONCEPTUALES Las vías reflejas y los mapas conceptuales organizan los temas y detalles de la fisiología en un formato visual lógico y consistente. En estas .figuras se usan colores y formas constantes que representan procesos, y ellas ayudarán a los estudiantes a comprender mejor la fundón fisiológica coordinada. Los alumnos aprenderán a crear sus propios mapas conceptuales en las preguntas de mapas conceptuales del "nivel dos" al final del capítulo.

DESTACADAS

Las figuras destacadas resaltan la anatomía y la fisiología de los

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CONCEPTOS RElACIONADOS Fstas referencias marcadas con un ícono conectan los Conceptos con los temas que se analizaron con anterioridad en el libro. Los vínculos contribuirán a que los estudiantes repasen concep. tos que pueden haber olvidado y que son necesarios para comprender la nueva información.

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MARCAS DE RIEFERIEI\ICIAS

DE !.AS FIGURAS Fstos cuadrados de color cumplen la función de marcadores de posidón y facilitan la conexión de las ilustraciones con el texto.

RECUADROS Hay tres clases de recuadros en este libro, desarrollados con el objetivo de ayudar a los estudiantes a entender el papel de la fisiología en la ciencia y la medicina de hoy:

Los recuadros de BIOTECNOLOGfA analizan las aplicado· nes relacionadas con la fisiología y las nuevas técnicas de biotecnología.

Los recuadros IMPORTANCIA CÚNICA se enfocan en las aplicaciones clínicas y en las enfermedades. Además de ser interesantes y de poder aplicarse a la vida real, estos recuadros ayudatán a comprender la homeostasís y !a función normaL

Los recuadros de NUEVOS CONCEPTOS ofrecen un pano-

rama de los nuevos y exdtantes desarrollos de la investigación fisiológica. Algunos temas, como las células madre, destacados en los recuadros de Nuevos conceptos de ediciones anteriores, se han vuelto fundamentales en la fisiología y constituyen ahora parte común del idioma científico.

Un paso grande hada !a cOmprensión del golpe de fu~rza de la miGsina fui! el desarrollo de 13 prueba de m(llj!td;¡d in vitro En !a déalda d~ 198ll. En erta prueba, las moléculas de mios1na aisladas .se unen de forma aleatoria a un cubreobjetos de ;1driG wn un revertlmiento cspcdal. Una mol&ula de attilia tmircada too fluorescencia .se
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''"' que (On<Xl!mos awGl de la liberadón de

Una característica complementaria de estos _tres tipos de recuadros es el empleo de la DIABETES para ilustrar la ap},icación de la fisiología a un tema de actualidad. Estos recuadros pueden ser de Biotecnología, de Importancia clínica o de Nuevos conceptos, según la información que se presente. Puesto que la. diabetes tiene un efecto tan extendido sob:re el organismo, es un-ejemplo perfec. to de la fisiología ~tegrada.

En el sitio web del libro (en inglés), www.medicapanamericana.comlfisiologia1 el estudiante encontrará valiosos materiales que lo ayudarán a estudiar y comprender la fisiología humana. Entre otros recursos1 se incluyen: o

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Guía del capítulo: un completo recorrido qué destaca los puntos importantes, un resumen y otros recursos reladonados con el contenido de cada capítulo. Preguntas: le permitirán al lector evaluar sus conocimientos sobre conceptos claves. Animaciones computarizadas: lo ayudarán a comprender los conceptos más difíciles de un modo sencillo. Enlaces y artículos recomendados: una completa selecdón de bibliografía basada en revistas o sitios web reconoddos.

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En el sitio web del libro (en inglés), www.medicapanamericana.com/fisiologia, el docente encontrará valiosos recursos que lo ayudarán a preparar sus clases y presentaciones, así como a confecdonar exámenes sobre fisiología humana. Desde el sitio de docentes podrá acceder, además, a las herramientas diseñadas específicamente para los estudiantes (véase la página opuesta). Entre los primeros se incluyen:

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Sistemas fisiológicos funciones y procesos

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Introducción a la fisiología

Imágenes: una completa galería de imágenes que podrá ver y descargar en distintos formatos para usarlas en material impreso o presentaciones. Presentaciones en PowerPoint0 : varias de ellas con posibilidad de edición, y que enriquecerán el dictado de sus clases. Banco de preguntas y Manual del docente: preguntas seleccionadas sobre los conceptos clave del libro, que facilitarán la preparación de sus exámenes. Temas de conexión con el sitio del estudiante: ejerciCios con sus respuestas sobre temas presentados en el sitio de estudiantes.

Homeostasis Fisiología: más allá del genoma La fisiología es una denda integradora

Temas de fisiología

La denda de !a físioiogía 9 Los buenos experimentos científicos deben diseñarse con cuidado 10 Los resultados de los experimentos en seres humanos pueden ser difíciles de interpretar 11 Los estudios en seres humanos pueden adoptar muchas formas

Búsqueda y lectura ele literatura científica

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2

Homeostasis

Capítulo l Introducción a la fisiología

Durante la mayor parte de la historia, a los seres humanos les ha interesado cómo fundona su cuerpo. Los textos de los antiguos egipcios, indios y chinos describen los intentos de sus médicos para tratar las enfermedades y devolver la salud. Aunque algunos remedios antiguos, como el estiércol de camello_y el polvo de cuernos de camero, pueden parecer extraños, aún utilizamos otros, como las sanguijuelas y las sustancias químicas derivadas de las plantas medicinales. La forma en que usamos estos tratamientos cambió a medida que aprendíamos más sobre el cuerpo humano. Para tratar las enfermedades y las lesiones de manera adecuada, debemos primero comprender al cuerpo humano en estado de salud. la fisiología es el estudio del funcionamiento normal de un organismo vivo y las partes que lo componen, incluidos sus procesos químicos y físicos. La palabra fisiología significa literalmente "estudio de la naturaleza". Aristóteles (384-322 a.c.) utilizá el término en este sentido amplio para describir el funcionamiento de todos los organismos vivos, no solamente el del cuerpo humano. Pero Hipócrates (hada 460.377 a.C.), considerado el padre de la medicina, usaba el término fisiología con el significado de ''el poder curativo de la naturaleza", y por lo tanto la disciplina se asoció más estrechamente con la medicina. Hada el siglo xvt en Europa, la fisiología se había establecido formalmente como el estudio de las funciones vitales del cuerpo humano, aunque hoy el término se usa nuevamente para referirse al estudio de las funciones de todos los animales y las plantas. En contraste, la anatomía es el estudio de la estructura, con mucho menos énfasis en la función. Apesar de esta dlstinción, la anatomía y la fisiología no pueden en realidad separarse. La función de un tejido u órgano se relaciona estrechamente con su estructura, y se supone que esta estructura evolucionó para brindar una base física eficaz para su función.

SISTEMAS FISIOLÓGICOS Para comprender cómo se relacionan la fisiología y la anatomía, debemos examinar primero las partes que forman el cuerpo humano. La figura 1-1m muestra Jos diferentes niveles de organización de los organismos vivos, desde los átomos hasta los grupos de la misma especie (poblaciones) y poblaciones de distin~as especies que conviven en ecosistemas y en la bios(era. La figura

muestra las diferentes subdisciplinas de la química y la -biología relacionadas con el estudio de cada nivel de organización. Existe una superposición importante entre los distintos campos, y esta división artificial puede variar de acuerdo con quién los defina. Una caracteristica distintiva de la fisiología es que comprende muchos niveles de organización, desde el nivel molecular en ade- · !ante hasta una especie. En el nivel más bajo, los átomos de los elementos se unen pa· ra formar moléculas. La unidad estructural más pequeña capaz de llevar adelante los procesos vitales es la célula. Las células son conjuntos de moléculas separadas del entorno por una barrera llamada membrana celular (o plasmática). Los organismos simples están formados por una sola célula, pero los complejos tienen muchas de ellas con especializaciones estructurales y funcionales diferentes. Los grupos de células que llevan a cabo funciones relaciona· das se conocen como tejidos (texm, tejer). Los tejidos forman unidades funcionales y estructurales llamadas órganos (orgamm, herramienta), y los grupos de órganos integran sus funciones pa· ra crear sistemas y aparatos. La figura 1-2 fJI es un esquema que muestra las interrelaciones de la mayoría de los 10 sistemas y aparatos del cuerpo humanÓ (CUadro 1-1 m). El sistema tegumentario (integumentmn, recubri· miento), constituido por la piel, es una barrera protectora que separa el medio interno del cuerpo del medio externo (el mundo exterior). El sistema musculoesquelético brinda soporte y movl· miento al cuerpo. Cuatro aparatos intercambian material entre los medios interno y externo. El aparato respiratorio intercambia gases, el aparato digestivo toma nutrientes y agua y elimina desechos, el aparato urinario remueve el exceso de agua y materiales de dese· cho, y el aparato reproductor produce óvulos o espermatozoides. Los cuatro sistemas y aparatos restan res se extienden por todo el cuerpo. El aparato circulatorio distribuye los materiales bombeando la sangre por los vasos. Los sistemas nervioso y endocrino coordinan las funciones orgánicas. Nótese que la figura los muestra como algo continuo, más que como dos sistemas separa· dos. ¿Por qué? Porque a medida que hemos aprendido más sobre la naturaleza integradora de las fundones fisiológicas, los límites entre ambos sistemas se han hecho más borrosos. El único sistema que no se muestra en la figura 1-2 es el difuso sistema inmu·

_AParato respiratorio-

la sangre transportan oxígeno es "porque las células nffesitan oxígeno y los glóbulos rojos lo llevan hasta ellas". Esta respuesta explica la razón por la cual los eritrocitos transportan oxígeno pero no dice nada sobre cómo lo hacen. Por el contrarío, los procesos fisiológtcos, o mecanismos, son el "cómo" de un sistema. El enfoque mecanicista de la fisiología examina los procesos. La respuesta mecanidsta a la pregunta "¿por qué los glóbulos rojos transportan oxígeno?" es "el oxíge· no se une a las moléculas de hemoglobina que están presentes en los glóbulos rojos". Esta respuesta muy concreta explica exactamente cómo ocurre el transporte de oxígeno pero no dice nada sobre la importanda del transporte de oxígeno para el animal vivo. Los estudiantes a menudo confunden estos dos enfoques de pensamiento sobre la fisiología, y las investigaciones han demos-trado que incluso los estudiantes de medicina tienden a responder las preguntas con explicaciones teleológicas cuando la respuesta más apropiada seria una explicación mecanicista. Amenudo, esto ocurre porque el profesor pregunta "por qué" ocurre un evento fisiológico, cuando en realidad quiere saber "cómo". Conocer los dos enfoques ayudará a evitar esta confusión. Aunque la función y el proceso parecen ser las dos caras de una misma moneda, es posible estudiar procesos, especialmente en los niveles ce! ular y subcelular, sin comprender su función en la vida del organismo. Amedida que el conocimiento de la biología se hace más complejo, los científicos a menudo se ven tan abocados al estudio de procesos complejos que no pueden dar un paso atrás y ver la importancia de esos procesos en las células, los sistemas y aparatos o el animal vivo. Uno de los papeles de la fi. siología es integrar función y proceso en una sola imagen completa.

HOMEOSTASIS !'! FIGURA 1-2

Jntegradón entre los sistemas y aparatos del

cuerpo Esta figura esquemática indlca las relaciones entre los sistemas y aparatos de! cuerpo humano. E! interior de algunos órganos huecos {mostrados en blanco) se abre hacia el medio externo.

nitario. Las células inmunitarias se ubican de manera de interceptar los materiales que puedan ingresar a través de las superficies de intercambio o de una herida en la piel, y protegen el me· dio interno de los invasores extraños. Además, los tejidos inmunitarios se asocian estrechamente con el sistema circulatorio.

FUNCIONES Y PROCESOS

mFIGURA 1-1 Niveles de organización y sus campos de estudio reladonados

3

Función y proceso son dos conceptos reladonados en fisiología. La función de un sistema o un evento fisiológico es el "por qué" de ese sistema o evento: ¿por qué existe el sistema y por qué ocurre el evento? Esta manera de pensar acerca de un tema se denomina enfoque teleológico de la ciencia. Por ejemplo, la respuesta teleológica a la pregunta de por qué los glóbulos rojos de

Cuando pensamos en funciones fisiológicas, a menudo consideramos su importancia adaptativa, es decir, ¿por qué determina· da función ayuda al animal a sobrevivir en una situación particular? Por ejemplo, los seres humanos somos animales grandes, móviles y terrestres, y nuestros cuerpos mantienen un contenido de agua relativamente constante a pesar de vivir en un entorno seco y muy variable. ¿Qué estructuras y mecanismos han evolucionado en nuestra anatomía y fisiología para permitirnos sobrevivir en este entorno hostil? La mayoña de las células de nuestro cuerpo no tolera demasia· do los cambios en su entorno. En este aspecto son bastante similares a los organismos primitivos que vivían en los mares tropicales, un medio estable donde la salinidad, el contenido de oxígeno y el pH vañan poco, y donde la luz y la temperatura tienen ciclos de variación predecibles. La composición interna de estas antiguas criaturas era casi idéntica a la del agua marina, y si las condiciones del entorno cambiaban, las del interior del organismo primitivo lo hacían de igual modo. Aún hoy, los invertebrados marinos no pueden tolerar cambios significativos en la salinidad o el pH, como sabe bien quien ha tenido un acuario de agua salada. Antes como ahora, muchos organismos marinos dependían de la constancia de su medio externo para mantener su medio interno en equilibrio.

r Homeostasls 4

5

Capítulo 1 Introducción a la fisiología

CUADRO 1~1

El concepto de un medio interno relativamente estable fue desarrollado por el médico francés C!aude Bemard a mediados del siglo XIX. Durante sus estudios en medicina experimental, Ber·

Sistemas y aparatos del cuerpo humano

nard notó la estabilidad de varios parámetros~ fisiológicos, tales NOMBRE DEL SISTEMA

ÓRGANOS O TEJIDOS

como la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca y la presión

FUNOONES REPRESENTATIVAS

arteriaL Como íefe de la cátedra de fisiología en la Université de Paris, escribió sobre "la fixité du milieu intérieur" (la constancia del medio interno). Ésta es una idea que aplicó a muchas de las

O APARATO

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Circulatorio

Corazón, vasos, sangre

Transporte de materiales entre todas las <•!!lulas del cuerpo

Digestivo

Estómago, intestinos, higado, páncreas

Conversión de los alimentos en partkulas que pueden ser transportadas drmtro del cuerpo; eliminación de algunos desechos

Endocrino

Glándula tiroides, glándula adrenal

Coordinación de las funciones corporales mediante la síntesis y!lberación de moléculas reguladoras

Inmunitario

Timo, bazo, ganglios linfáticos

Defensa contra invasores externos

Tegumentario

Piel

Protección del medio externo

Muscu!oesquelético

Músculos esqueléticos, huesos

Soporte y movimiento

Nervioso

Cerebro, médula espinal

Coordinación de las funciones corporales mediante señales eléctritas y liberación de moléculas reguladoras

Reproductor

ovarios y útero, testículos

Continuación de la especie

Respiratorio

Pulmones, vfas aéreas

Intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre los medios interno y externo

Urinario

Riñones, vejiga

Mantenimiento del agua y los solutos del medio interno; eliminación de desechos

1

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Pero, a medida que tos organismos evolucionaron y migraron de los antiguos mares a los estuarios, y luego al agua dulce y a la tierra, encontraron medios externos altamente variables. Las lluvias diluyen el agua salada de los estuarios, y los organismos que viven en ellos deben enfrentarse con la entrada de agua en sus lí· quidos corporales. Los organismos terrestres constantemente pierden agua interna en el aire seco que los rodea. Los organismos que sobreviven en estos hábitats hostiles sobrellevan la variabilidad externa manteniendo su medio interno relativamente esta· ble, una capacidad que se cOnoce como homeostasís (lwmeo-, si· milar; -stasis, condición). El medio interno acuoso de los animales multicelulares sellama líquido extracelular (extra·, por fuera de), un "mar interior'' del cuerpo que rodea a las células (Fig. 1·3 ffi). El líquido extrace-lular sirve como transición entre el medio externo del organismo y el líquido intracelular del interior de las células (intra-, dentro de). Como el líquido extracelular es una zona reguladora entre el mundo exterior y la mayoría de las células del cuerpo, hay proce· sos fisiológicos complejos que han evoluctonado para mantener relativamente estable su composición. Cuando la composición del líquido extrace!ular se aleja de su rango de valores normales, se activan mecanismos compensatorios que lo Hevan a su estado normal. Por ejemplo, cuando se bebe un gran volumen de agua, la dilución del líquido extracelular dispara un mecanismo que hace que los riñones eliminen el ex· ceso de agua y protejan a las células de la dilución. La mayoría de las células de los animales multicelulares no toleran grandes cam· bios y dependen de la estabilidad del líquido extracelular para mantener su funcionamiento normal.

Medio externo de! cuerpo ,¡S'<.,..#-"''f"'VV rel="nofollow">-y''"\"1"¡;

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WFIGURA 1-3 Relaciones entre los medios interno y externo de un organismo.

Pocas células de! organismo son capaces de intercambiar materiales con el medio externo. La mayorfa de ellas está en contacto con e! medio interno, formado por el líquido extrace!ular.

observaciones experimentales de su época y fue tema de debate entre .fisiólogos y médicos. En 1929, un fisiólogo estadounidense llamado Walter B. Can. non creó la palabra homeostnsis para describir la regulación de este medio interno. En su ensayO"..-, Cannon explicó que eligió el prefijo llameo- (que significa parecido o similar) en lugar de hamo-. (que significa igual) porque el medio interno se mantiene dentro de un rango de valores, en lugar de tomar un valor exacto y fijo. También indicó que el sufijo -stasis en este caso significa condición, no un estado que permanece estático e invariable. Así, la homeostasis de Cannon es un estado en el que se mantiene "una condición similar'', también descrita como "un medio interno relativamente constante". Algunos fisiólogos sostienen que una interpretación literal de stasis (un estado permanente) en la palabra homeostasis remite a la idea de algo estático, sin cambios. Destacan que deberíamos usar en su lugar la palabra lwmeodinámica, para reflejar los pequeños cambios que ocurren permanentemente en nuestro medio in· temo (dyuamikos, fuerza o poder). Ya sea que el proceso se llame homeostasis u homeodinámica, el concepto importante para recordar es que el cuerpo controla su estado interno y actúa corrigiendo las alteraciones que atenten contra su función normal. La home05tasis y la regulación del medio interno son los preceptos centrales de la fisiología y conforman una base para cada capitulo de este libro. A partir de las observaciones hechas por muchos fisiólogos y médicos durante el siglo xrx y pñncipios del siglo xx, Cannon propuso una lista de parámetros que se encuentran bajo control homeostático. Sabemos ahora que su lista de parámetros fisiológicos es tan exacta como completa. Can non dasiftcó sus paráme: tros en lo que describió como parámetros ambientales que afectan a las células (osmolaridad, temperatura y pH) y los "materiales para las necesidades celulares" (nutrientes, agua, sodio, caldo, otros iones inorgánicos, oxígeno y "las secreciones internas que tienen efectos generales y continuos"). Las "secreciones internas" de Cannon son las hormonas y otras sustancias químicas que nuestras células utilizan para comunicarse entre sí. Si el cuerpo no logra mantener la homeostasis entre estos parámetros, la función nonnal se interrumpe y puede aparecer como resultado un estado de enfermedad, o patológico (patitos, sufrimiento). Las enfennedades pueden dividirse en dos grupos generales de acuerdo con su origen: aquellas en las cuales el problema surge de la falla interna de algún proceso fisiológico, y aquellas que tienen origen en una fuente externa. Las causas in-

'Un parnmetro {para., ilemás; meter, mrotda) es una d~ las variables de un ilitWla. "Cannon WB. Organilation for physio!oglca! homeostas!s. Physlol Rev 9:399443, 1929.

ternas de las enfermedades incluyen el crecimiento anormal de las células, que puede provocar cáncer o tumores benignos, la producción de anticuerpos contra los propios tejidos (enfermedades autoinmunitarias), y la muerte prematura de !as células o la falia de ios procesos celulares. Los trastornos hereditarios son considerados también como producidos por causas íntemas. Las causas externas de las enfermedades son los químicos tóxicos, los traumatismos físicos y los invasores externos como virus y bacte· rias. Tanto en las enfermedades causadas por factores internos co-mo en las causadas por factores externos, cuando se interrumpe la homeostasis, el organismo intenta compensarlo {Fig. 1·4 D). Si la compensación tiene éxito, la homeostasis se restablece. Si la compensación falla, puede aparecer la enfermedad. E! estudio de las funciones orgánicas en un estado de enfermedad se conoce como fisiopatología. Se encontrarán muchos ejemplos de fisiopatología a medida que estudiemos los distintos sistemas y aparatos del organismo. Una enfennedad muy frecuente en los Estados Unidos es la diabetes mellitus, una alteración metabólica caracterizada por concentractones de glucosa en la sangre anormalmente elevadas. Aunque hablamos de diabetes como si fuese una enfermedad úni· ca, es en realidad una familia de trastornos de causas y manifestaciones diversas. Aprenderemos más sobre la diabetes en los re· cuadros que aparecen a lo largo de los capítulos de este libro. La influencia de esta áfteración en muchos de los aparatos y sistemas del organismo la hace Un excelente ejemplo de la integractón fi. siológica.

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El ci!nibio interno !produce la pérdida de

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capítulo 1 Introducción a la fisiología

FISIOLOGÍA: MÁS ALLÁ DEL GENOMA No hubo nunca una época más emocionante para el estudio de la fisiología humana. Hoy tenemos el beneficio de siglos de trabajo de fisiólogos que construyeron las bases del conocimien· to sobre cómo funciona el cuerpo humano. Desde la década de 1970, los rápidos avances en los campos de la biología celular y molecular han complementado este trabajo. Pocas décadas atrás pensamos que encontraríamos la clave del secreto de la vida se· cuenciando elgenoma humano, que es el término que define ato· da la información genética contenida en el DNA de una espeCie. Sin embargo, se ha probado que esta visión de la biología tiene sus limitaciones, ya que los organismos vivos son mucho más que la simple suma de sus partes. El proyecto para decodificar el genoma humano, el Human Genome Project (www.oml.govhtgmis) comenzó en 1990 con el ob· jetivo de identificar y secuenciar todos los genes del DNA huma· no (el genoma). Sin embargo, a medida que las investigaciones in· crementaron nuestro conocimiento sobre la función del DNA, la idea original de los científicos de que Un segmento dado de DNA contenía un gen que codificaba a una proteína tuvo que ser revi:· sada, cuando se hizo evidente que un gen puede codificar a varias proteínas. El Human Genome Project se completó en 2003, pero antes de ese momento los científicos habían ido más aUá de la ge· nómica a la prote6mica, el estudio de las proteínas en los organis. mos vivos. Actualmente los científicos se están dando ruenta de que saber que una proteína se sintetiza en una célula en especial no siempre nos dice qué importancia tiene en e!.la, en el tejido o en el animal. Las nuevas y emodonantes áreas de la investigación biológica se !.laman genómica funcional, biología de los sistemas y biología integradora, pero son fundamentalmente campos de la fi. siología que investigan las funciones de manera integrada, desde los mecanismos subcelulares al organismo entero. Si leemos la literatura científica, pareciera que las investigado· nes contemporáneas, con el uso de las herramientas de la biolcrgía molecular, han explotado en una era de "omas" y "ómicas". ¿Qué es un "oma"? El sufijo aparentemente deriva de la palabra en latín que significa masa o tumor, pero actualmente se usa pa· ra referirse a un grupo de elementos que suman un todo, como el genoma. Uno de los primeros usos del sufijo "oma" en biología es la palabra bioma, que significa una comunidad entera de organis· mos que viven en una región ecológica importante, como el bio. ma marino o el bioma desértico. El genoma es la suma de todos los genes de un organismo, y el proteoma es la suma de todas sus proteínas. Los adjetivos derivados terminados en "ómica'' describen a la investigación relacionada con el estudio de un "oma", y agregar ese sufijo a una palabra se ha convertido en la manera más preci· sa de referirse a un campo de estudio. Así, el tradicional estudio de la bioquímica ahora incluye a la metabolómica (estudio de las vías metabólicas} y la interacciómica (estudio de las interacciones entre las proteínas). Si buscamos en Internet, encontraremos mu· chas menciones al transcriptoma (Rt\lA), !ipidoma {lipidos) y glu· coma (carbohidratos). La locura del "oma" también ha dado ori· gen a términos como celu!oma, enzimoma, y hasta "desconocí· doma" (proteínas sin functones conocidas). ¡Existe incluso una publicación llamada OMICS (el término para "ómica" en inglés)!

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Temas de fisiología

El Physiome Project (www.pllysiome.mg) es un esfuerzo inter· nacional organizado para coordinar la información molecular, ce· luJar y fisiológica sobre los organismos vivos en una base de da· tos en Internet. Los científicos de todo el mundo pueden acceder a esta informadón y utilizarla en sus propias investigaciones pa· ra crear mejores fármacos o terapias genéticas para curar y preve· nir enfermedades. Algunos científicos están usando estos datos para crear modelos matemáticos que explican cómo funciona el cuerpo. El Physiome Project es un emprendimiento ambicioso que promete integrar la infonnación surgida en distintas áreas de investigación, para que podamos acrecentar nuestro conocimien· to sobre los complejos procesos que llamamos vida.

LA FISIOLOGÍA ES UNA CIENCIA INTEGRADORA Los fisiólogos están entrenados para pensar en la integraCión de las funciones a través de varios niveles de organización, desde las moléculas al organismo vivo. (Integrar significa sumar vartos elementos para crear un todo unificado.) Uno de los desafíos ac· tuales de la fisiología es integrar la información sobre los diferen.:tes sistemas y órganos para obtener una visión completa del orga· nismo humano vivo. Este proceso se complica por el hecho de que muchos siStemas complejos, incluidos los del ruerpo )luma·_ no, poseen propiedades emergentes, que son propiedades ruya existencia no puede predecirse basándose solamente en el concrdmiento de sus componentes individuales. Una propiedad emer· gente no es una propiedad de un solo componente del sistema, y es mucho mayor que la simple suma de sus partes individuales. Entre las propiedades emergentes más complejas en los seres hu· manos se encuentran las emociones, la inteligencia y otros aspectos de las funciones cerebrales, ninguna de las cuales puede pre· decirse a partir del conocimiento de las propiedades individuales de las células nerviosas. Como se mencionó anterionnente, la integración de las fun· dones entre los sistemas y a través de varios niveles de organización es un tema central de la fisiología. Tradidonalmente, lós es· tudiantes aprenden sobre el aparato cardiovascular y la regulación de la presión arterial en una unidad, luego estudian los riño· nes y el control del volumen corporal en otra diferente. En el or· ganismo vivo, sin embargo, los aparatos cardiovascular y renal se comunican entre sí, y un cambio en illlO de ellos probablemente cause una reacción en el otro. Por ejemplo, la presión arterial es· tá influida por el volumen del cuerpo, y Jos cambios en ella pue· den tener efectos significativos en la función de los riñones. Uno de los aspectos más interesantes y desafiantes del estudio de la fi. siología es el desarrollo de habilidades que nos ayuden a enten· der cómo trabajan juntos los distintos sistemas y aparatos. Una de las maneras en que los fisiólogos lo hacen es usando dos tipos de mapas. El primer tipo de mapa, que se muestra en la fi. gura l·Sa m, es una representación esquemática de la estructura o la función. El segundo tipo de mapa, que se muestra en la figura l·Sb, muestra el proceso fisiológico y por ende se lo llama mapa de proceso. {Un nombre alternativo es diagrama de flujo.) El concepto de función integrada es el principio regente de la investigación aplicada, un enfoque descrito a veces como "del

{a) Mapa que muestra relaciones entre estructuras y funciones

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{b) Mapa de proceso o diagrama de llu¡o

r -~M~ARko¡¿ós

Persona que trabaja al aire libre en un día

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caluroso y seco

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Relieno~ · ·

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PREGUNTAS 1. ¿Puede agregar más detalles e interrelaciones al mapa (a}?

2. Aquí hay un listado de términos para construir un mapa del cuerpo humano. Use los pasos comentados en Mapeo para crear un mapa con ellos. Agregue más términos si !o desea, A! final del capítulo encontrará. una respuesta simplificada ~vejiga

• vasos sanguíneos • cerebro • aparato cardiovascular • aparato digestivo

• COrazón • sistema inmunitario • sistema tegumentario

• intestino • riñones •pulmones • QllllJI·os linfáticos

• aparato reproductor • aparato respiro:torio • estómago • testícu,'os • el cuerpo • sistema ffiliSCu!oesquelético • glandu!a tiroides • sistema nervtoso • aparato urinario • ovarios • útero

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¡¡¡¡: FIGURA 1-5 Tipos de mapas

laboratorio a la cama del paciente". La investigación aplicada ne. va los conocimientos y resultados obtenidos en la investigación biomédica básica al tratamiento y la prevención de las enferme. dades. Anivel de los aparatos y sistemas, conocemos casi completamente la mecánica de la función corporal. Las preguntas sin respuesta apuntan a la integración y el control de estos mecarus.. mos, especialmente en los niveles·celular y molecular. Sin embargo, la explicación de lo que ocurre en los tubos de ensayo o en las células aisladas puede responder sólo parCialmente las preguntas sobre !a función. Por este motivo, los estudios en animales y en seres humanos son pasos esenctales en el proceso de aplicar la in· vestigación básica al tratamiento y la cura de las enfermedades.

TEMAS DE FISIOLOGÍA Recuérdese la frase que abre este capítulo: "La fisiología no es una ciencia ni una profesión, sino un punto de vista"*. Los fisió· lagos se jactan de relacionar los procesos que estudian con el fun. cionamiento de! organismo como un todo. Ser capaz de pensar en cómo múltiples órganos y sistemas integran su funcionamien·

'Gerard RW. Mirror to Physio/cgy. A Sa{oSerYey a{Physiologica) &imre. Washington, D.C.: American Phtolologysooety, l9S8.

toes uno de los aspectos más difíciles del estudio de la fisiología, y si uno quiere especializarse en ella, debe hacer más que simple. mente memorizar hechos y aprender nueva terminología. Los in. vestigadores han demostrado que la capaCidad de resolver problemas requiere un marco conceptual, o una "imagen completa", del campo. Este libro le ayudará a construir un marco conceptual para la frsiologfa, describiendo explícitamente los conceptos biológicos básicos, o temas (Cuadro 1·2 !!). Cuatro temas principales en este

~~~~~8~{~~!e';~:! ~~~~~~~s ctave (temas} de la 1. Homeortasis y sistemas de control 2. Uso de la energía biológlca 3. Relaciones entre estructura y función Compartimentación Propiedades mecánicas de células, tejidos y órganos Interacciones moleculares 4. Comunicación Flujo de informadón Flujo de masa

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la denda de la fisiología

Capítulo 1 Introducción a la fisiología

Señal de enlrada

E! mapeo es una forma no lineal de organizar el material, que ha mostrado mejorar nuestra comprensión y retención de un tema. Es una he· rramienta de estudio útil, JXlrque para crear un mapa es ne<esario pensar sobre la importancia y las relaciones entre varios fragmentos de ·;nformadón.los estud\os han demostrado que,cuando !as personas in· teractúan con la información organizándola a su manera antes de memorizarla, se mejoran los resultados del aprendizaje a largo plazo. El mapeo no es solamente una técnica de estudio. Los expertos en un tema construyen mapas cuando intentan integrar infonnadón nueva a su base de conocimientos, y pueden crear dos o tres versiones de un mapa antes de estar satisfedios con el modo en que éste repres-enta sus ideas. Los científicos realizan mapas con los pasos de sus experimentos. Los profesionales sanitarios lo hacen para guiarse en el diagnóstico y el tratamiento de los padentes. Un mapa puedetomarvarlas formas, pero en general está formado por términos (palabras o frases cortas) vinruladas con flethas que indican las asociaciones entre ellas. Habitualmente hay tres tipos de asociacio· nes entre los términos de un mapa: parte o tipo, descripción o característica, y causa o efecto. las flechas pueden marcarse con frases que las expliquen o pueden dibujarse en distintos colores para repres€ntar diferentes tipos de vínculos. En f1siología, !os mapas generalmente se basan en las relaciones entre estructuras anatómicas y procesos fisioló-gicos (mapas de estructura o función) o en mecanismos de control ho-meostáticos normales y rus respuestas a los cambios anormales o fisio· patológicos (mapas de proceso o diagramas de flujo). Un mapa puede incluir también gráficos o dibujos. La figura 1*5a es una mapa de estructura; las figuras 3-9 y 3·22 son ejemplos de mapas de ertructura y función. las figuras 1-Sb y 7·9 son ejemplos de diagramas de flujo. En este libro se muestran muchos mapas, y pueden servir como punto de partida para que usted cree !os suyos propios. El beneficio real sur· ge de prepararlos uno mismo. Realizando el mapeo de la información uno mismo, se piensa sobre !as relaciones entre los términos, se organi· zan los conceptos en una estructura jerárquica, y se ven !as similitudes y diferer.
Comenzar a mapear 1. Primero, seleccione los términos o conceptos para mapear.

{En cada capitulo de este texto, las preguntas al final incluyen al menos una lista de términos para construir un mapa). A ve<:es es útil escribir los elementos en trozo; de papel o notas adhesivas removibles de 5 cm para reacomodarlos con mayor facilidad. 2. En general, la parte más difícil es decidir por dónde comenzar. Comience agrupando los tl!rminos relacionados de manera organi·

libro son la homeostasis y los sistemas de control, el uso de la energía biológica, las relaciones entre estructura y función y la comunicación. Amedida que avancemos en el texto, se encontrará que estos conceptos, con variaciones, aparecen repetidamente en los diferentes sistemas. Homeostasis y sistemas de control Como se me:nctonó antes en este capítulo, un precepto central de la fisiología humana es la homeostasis, e! mantenimiento de un medio interno relativamente

zada. Puede ser que quiera colocar algunos de ellos en más de un grupo. Tome nota de esos términos. ya que probablemente tendrán varias flechas apuntándolos o saliendo de ellos. 3. Ahora trate de crear cierta jerarquía con los términos. Puede ordenarlos en un papel, en una mesa o en el piso. En un mapa de estructura o función, comience por arriba con el concepto más genera!, más importante o primordial, aquel del cual surgen los demás. En un mapa de proceso, comience con el primer evento. Luego, desglose la idea principal en partes progresivamente más específicas, utilizando los demás conceptos, o siga el evento en el tiempo. Use flechas para apuntar en la direcdón de los vinculas e incluya líneas horizontales para unir los conceptos relacionados, El desarrollo del mapa hada abajo significará un aumento de com· plejidad o el paso del tiempo. Puede pasar que algunas de sus flechas se crucen entre sí. Aveces esto puede evitarse reacomodando los términos del mapa. las flechas pueden nombrarse con palabras que las explíquen, lo cual puede ser útiL Por ejemplo, (forman)

Proteínas de canal

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canales abiertos

Los colores pueden ser muy útiles en los mapas. Puede usar colores diferentes para los distintoS tipos de vínculos o para diferentes categorlas de términos. Puede agregar dibujos y gráficos que se asocien con términos especificas de! mapa. · 4. Una vez que ha creado su mapa, slóntese y piense en et ¿Están todos !os términos en el lugar ade
estable. El organismo tiene ciertos parámetros clave, como la presión arterial y la glucemia, que deben mantenerse dentro de un rango particular para que el cuerpo se conserve saludable. Estos pa· rámetros dave son variables reg¡¡/adas, controladas y ajustadas por los sistemas de control fisiológicos. En su forma más simple, un sistema de control tiene tres componentes: 1) una señal de entrada, 2) un controlador, que está programado para responder a ciertas se· ñales de entrada, y 3) una señal de salid~ (Fig. 1-6 r;¡¡, Los diferentes tipos de sistemas de control se presentarán en el capítulo 6.

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m FIGURA 1~6 Un sistema de control simple

Uso de la energia biológica Los procesos que tienen lugar en los organismos requieren el aporte continuo de energía. ¿De dónde proviene esta energía y cómo se la almacena? En el capítulo 4 se responden estas preguntas y se describen algunas de las formas en que la energía del cuerpo se utiliza para !a síntesis y la degradación de moléculas, En capítulos posteriores aprenderemos cómo se usa la energía para transportar moléculas a través de las membranas celulares y para crear movimiento.

Relaciones entre estructura y función La integración de estructu· ra y función es otro de los temas de la fisiología. Entre las influencias estructurales en la función se encuentran las interacciones moleculares, ta división del organismo en compartimentos separados y las propiedades mecánicas de células, tejidos y órganos. Interacciones moleculares La capacidad de las moléculas individuales de unirse o reaccionar con otras moléculas es esencial para las funciones biológicas, y esta capacidad se relaciona íntimamente con la estructura de cada una de ellas. Algunos ejemplos de interacciones entre moléculas son las de las enzimas que aceleran las reacciones químicas, o las moléo.das de señalización que se unen a proteínas de las membranas. Las interacciones moleculares se analizarán en el capítulo 2. División del organismo y de las células en compartimentos La compartimentación, o presencia de compartimentos separados, pennite a la célula, el tejido o el órgano especializarse y aislar sus funciones. Las membranas separan una célula de otra y del líquido extracelular, y forman compartimentos diminutos dentro de la célula llamados orgánulas. A nivel macroscópico, los tejidos y órganos del cuerpo fonnan compartimentos funcionales separados. La compartimentación en el tema principal del capítulo3. Propiedades mecánicas de células, tejidos y órganos Las propiedades físicas de las células y los tejidos son a menudo el resultado directo de su anatomía. Algunas de las propiedades mecánicas de las células y los tejidos que influyen en la función son la disteusibilidnd (capacidad de estirarse), la elastiádad (capaddad de retomar al estado original), la fuerza o resistencia, la flexibilidad y la fluidez. Además, las propiedades de los tejidos y órganos especializados del organismo les permiten funcionar como bombas, filtros o motores biológicos. Comunicación Tanto la integración entre estructura y función como la home:ostasis hacen necesario que las células del organismo se comuniquen entre sí con rapidez y eficacia. El flujo de información en el cuerpo se lleva a cabo bajo la fonna de Si!ñales quí· micas o de señales eléctricas. La infonnación puede pasar de una célula a sus vecinas (comunicación local) o de una parte del cuerpo a otra {comunicación a larga distancia). La información alma-

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cenada en el código genético del DNA pasa de una célula a sus hijas y del organismo a sus descendientes. La comunicación entre !os compartimentos intracelu!are~ y e! líquido extracelular requiere de la transferencia de información a través de !a barrera de !a membrana plasmática. La membrana es .>elrxtivamell1e permeable, lo que significa que aigunas moléculas pueden pasar a travéS de ella, pero otras no pueden hacerlo. Los detalles de cómo las moléculas cruzan las membranas biológicas se mostrarán en el capitulo 5. En algunos casos, existen me<:anismos especializados qu~ permiten a !as moléculas de seña!ización.extracelulares hacer llegar su mensaje a través de la membrana sin entrar en la célula, un proceso que se llama transducción de señales. La comunicación química y la transducción de señales se explican con más detalle en e! capítulo 6. En fisiología también nos ocupa el flujo de mnsas, el movimiento de sustancias dentro de los compartimentos del cuerpo y entre ellos. La sangre fluye por el aparato circulatorio; el aire fluye hacía adentro y hacia afuera de los pulmones; Jos gases, los nutrientes y los desechos entran y salen de las células. El movimiento de los materiales en este flujo de masas es posible porque existe una fuerza impulsora, como la presión o la diferencia de concentraciones (un gradiente). En algunas situaciones, el flujo de masas recibe la oposición de la fricción o de otras fuerzas que crean resisteuda al flujo. La mayor parte del flujo de masas del cuerpo requiere el aporte de energía en algún punto del proceso. Los conceptos de gradientes, flujo y resistencia se comentarán nuevamente en el capítulo S. Los temas aquí descritos aparecerán una y otra vez en los próximos capítulos del libro. Búsquelos en el material de resumen y en las preguntas al final de cada uno de ellos.

LA CIENCIA DE lA FISIOLOGÍA ¿Cómo sabemos lo que sabemos sobre la fisiología del cuerpo humano? La observación y la experimentación son los elementos clave de la investigación científica, Un investigador observa un hecho y, utilizando los conocimientos previos, formula una hi~ pótesis (hypotíthenai, suponer), o suposición lógica, sobre cómo sucede el hecho. El siguiente paso es probar la hipótesis, mediante el diseño de un experimento en el cual el investigador manipula algún aspecto del hecho.

Los buenos experimentos dentíficos deben diseñarse con cuidado Un tipo común de experimento biológico consiste en quitar o alterar alguna variable que el investigador cree que es parte necesaria del fenómeno observado. La variable alterada es la varia· ble independiente. Por ejemplo, una bióloga nota que los pájaros de un comedero parecen comer más en invierno que en verano. Ella formula la hipótesis de que la temperatura baja hace que los pájaros incrementen su consumo de alimento. Para probar esta hipótesis, diseña un experimento en el cual somete a los pájaros a diferentes temperaturas y controla cuánto comen. En su experimento, la temperatura, el elemento que se manipula, es la variable independiente. La ingesta de comida, que se supone que

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Capítulo l Introducción a la fisiología

La ciencia de !a fisiología

depende de la temperatura, se transforma en la variable dependiente.

REVISIÓN L Los estudiantes de un laboratorio !levan a cabo un experimento en el <:u a! beben distintos volúmenes de agua y miden la cantidad de orina producida en la hora posterior. ¿Cuáles son las variables independiente y dependiente en este experimento? Respuestas en !a p. 18

Una característica esendal de rualquier experimento es el control. Un grupo control es generalmente un duplicado del grupo experimental en todos los aspectos, excepto en que la variable

independiente no cambia con respecto a su valor inicial Por ejemplo, en el experimento de los pájaros, el grupo control sería un grupo de animales que se mantienen a una temperatura cálida, pero tratados en todos los demás aspectos igual que los sometidos a temperatura fría. El propósito del grupo control es asegurarse de que los cambios observados s'e deben a la variable que se manipula y no al cambio de alguna otra variable. Por ejemplo, SU· póngase que en este experimento la ingesta de comida aumenta después de que el investigador cambia el tipo de alimento provisto. Amenos que exista un grupo control, el investigador no puede determinar sí el aumento de ingesta se debe a la temperatura o al hecho de que la nueva comida es más sabrosa. Durante el experimento, el investigador recolecta con gran cuidado la información, o datos (datum, lo que se da), sobre el efecto que la variable manipulada (independiente) tiene sobre la variable observada (dependiente). Una vez que el investigador cree que ya tiene suficiente información para obtener una conclusión, comienza a analizar los datos. El estudio puede tomar varias formas y en general incluye un análisis estadistico para determinar si las diferencias aparentes son significativas. Un formato habitual para presentar los datos es un gráfico (véase la Fig. 1· 7m; en Gráficos). Si un experimento apoya la hipótesis de que el frío hace que los pájaros ingieran más alimento, entonces'se lo debe repetir, para asegurarse que los resultados no se deben a un evento aislado y único. Este paso se denomina replicación. Cuando los datos sostienen a la hipótesis en varios experimentos, ésta puede trans. formarse en una teoría científica. La mayor parte de la información que se presenta en los libros de texto como éste está basada en modelos que los científicos han desarrollado a partir de la mejor evidencia experimental dis· ponible. A veces, se publican nuevas evidencias experimentales que no concuerdan con un modelo vigente. En este caso, el modelo debe revisarse para que sea coherente con las nuevas observadones. Así, aunque se pueda aprender un "hecho" fisiológico estudiando este libro, dentro de diez años ese "hecho" puede ser inexacto debido a lo que los científicos hayan descubierto en ese tiempo. Por ejemplo, en 1970 los estudiantes aprendían que Ja membrana celular era como un "emparedado de mantequilla", una estructura compuesta por una capa de lípidos encerrada en· tre dos capas de protefuas. En 1972, sin embargo, los científicos presentaron un modelo de membrana muy diferente, en el cual glóbulos de proteínas flotan dentro de una capa doble de lípidos.

Como resultado, los autores de libros de texto tuvieron que revisar su descripción de las membranas celulares, y los estudiantes que habían aprendido el modelo anterior tuvieron que cambiarlo. ¿De dónde vienen nuestros modelos dentillcos sobre la f!siología humana? Hemos aprendido mucho de lo que sabemos a partir de experimentos en animales, desde calamares hasta ratas.En muchas instancias, los procesos fisiológicos en estos animales son idénticos a los que ocurren en los seres humanos, o son lo su· fidentemente similares como para poder extrapolar los datos ob--tenidos. Es importante usar modelos no humanos, porque los experimentos en personas pueden ser difídles de llevar a cabo. Sin embargo, no todos los estudios hechos en animales pueden aplicarse a los seres humanos. Por ejemplo, un antidepresívo que se ha estado usando de manera segura durante años en Euro· pa fue sometido a una prueba estricta requerida por la Food and Drug Administration de los Estados Unidos antes de poder ser comercializado en ese país. Cuando se les administró el fármaco a perros de raza beagle durante algunos meses, !os animales comenzaron a morir por causas cardiacas. Los científicos se alannaron, hasta que nuevas investigaciones mostraron que esta raza de pe· nos posee una constitución genética única que permite la degradación del fármaco en una sustanda más tóxica. El medicamen~ to era perfectamente seguro en otras razas de perros y en seres humanos, y en consecuencia se !a aprobó para su comercializaCión.

Los resultados de Jos experimentos en seres humanos pueden ser difídles de interpretar Existen muchas razones por las cuales es dificil llevar a cabo experimentos en seres humanos, entre ellas la variabilidad, los factores psicológicos y las consideraciones éticas. Variabilidad Las poblaciones humanas tienen una enorme variabilidad genética y medioambiental. Aunque los libros de fisiología generalmente presentan valores promedio para la mayoría de las variables fisiológicas, como la presión arterial, estos valores promedio simplemente son un número que queda en algún lugar cerca del medio de un amplio rango de valores. Así, para enContrar diferencias significativas entre los grupos y controles en los experimentos en seres humanos, un investigador debería, ideal· mente, incluir un gran número de sujetos idénUcos. Sin embargo, conseguir dos grupos de personas que sean idénticas en todos los aspectos es imposible. El investigador debe en· tonces intentar reclutar sujetos que sean similares en todos los aspectos posibles. En algunos países las búsquedas se publican en los periódicos: "Se buscan hombres sanos de 18 a 25 años, no fu. madores, con un peso corporal cercano al ideal, para partidpar en un estudio...". La variabilidad inherente incluso en un grupo selecto de personas debe ser considerada cuando se realizan estos experimentos, ya que puede afectar la capaddad del investigador de interpretar con precisión el significado de los datos obtenidos del grupo. Una forma de reducir la variabilidad dentro de una población en estudio, ya sea humana o animal, es realizar un estudio con grupos cruzados. En un estudio de este tipo cada individuo ac· túa como sujeto experimental y como control. Así, la respuesta de cada individuo al tratamiento puede compararse con su propio

valor de control. Este método es en particular eficaz cuando exis· te mucha variabilidad dentro de la población. Por ejemplo, en un ensayo de una medicación' para la presión arterial, los sujetos pueden dividirse en dos grupos. El grupo A recibe una sustancia inactiva (placebo, del latín "agradar") durante la primera mitad del experimento, luego pasa a recibir el fármaco experimental en la segunda mitad. El grupo Bcomienza el fármaco experimental, y luego la cambia por el placebo. Este esquema le permite al investigador evaluar el efecto del agente en cada individuo. Estadís· ticamente, los datos obtenidos pueden analizarse usando varios métodos que contemplan los cambios en cada individuo más que los cambios en el grupo en generaL Factores psicológicos Otra variable significauva en los estudios en seres humanos es el aspecto psicológico de administrar un trata. miento. Si se le da a una persona una píldora y se le dice que le aliviará algún problema, existe una gran posibilidad de que tenga exactamente ese efecto, aun si contiene solamente azúcar o una sustancia inerte. Este fenómeno, que está bien documentado, se Hama efecto placebo. De la misma manera, si se les advierte a las personas que el agente que están tomando puede tener un efecto adverso espeáfico, esas personas informarán una mayor inciden· da del efecto que un grupo similar que no haya redbido el aviso. Este fenómeno se denomina efecto nocebo, de la palabra latina nocere, hacer daño. Los efectos placebo y nocebo muestran !a ca· paddad de nuestras mentes de alterar !as funciones fisiológicas de nuestros cuerpos. Al montar un experimento con sujetos humanos, se debe tra· tarde controlar los efectos placebo y nocebo. La manera más simple de hacerlo es con un estudio con enmascaramiento o ciego, en el cual los sujetos no saben si están redbiendo el tratamiento o el placebo. Aun esta precaución puede fallar, sin embargo, si el investigador que evalúa al sujeto sabe qué tipo de tratamiento es· tá recibiendo. Las expectativas del investigador sobre lo que el tratamiento logrará, o no, pueden teñir sus observadones o sus interpretaciones. Para evitar este problema, se realizan a menudo estudios con doble enmascaramiento o doble ciego, en Jos cuales un tercer individuo, no involucrado en el experimento, es el único que sabe qué grupo recibe el tratamiento experimental y qué grupo recibe el control. El diseño experimenta! más compli· cado para hacer núnimos los efectos psicológicos es el estudio con grupos cruzados y doble enmascaramiento, en el cual el grupo control de la primera mitad del experimento se transforma en el grupo experimental en la segunda mitad, y viceversa. Consideraciones éticas Las cuestiones éticas surgen cuando se usan seres humanos como sujetos de experimentación, en espe· da! cuando son personas que padecen una enfermedad. ¿Es ético privar al grupo control de un nuevo y promisorio tratamiento? Un ejemplo destacado ocurrió hace unos años, cuando los inves· tigadores estaban probando la eficacia de un tratamiento para di· solver los coágulos sanguíneos en las víctimas de infartos. la tasa de sobrevida entre los pacientes tratados fue tanto más elevada que el estudio se interrumpió, de manera que los miembros del grupo control recibiesen también el agente experimental. Por e! contrario, las pruebas realizadas con algunos agentes anticancerosos mostraron que los tratamientos experimentales

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eran menos eficaces para detener la metástasis que los tratamien· tos estándar usados por los controles. ¿Era ético subtratar a los pacientes del grupo experimental privándolos de las prácticas médicas habituales y más eficaces? Actualmente, la mayoría de- los estudios son evaluados de manera continua sobre la marcha para redudr la posibilidad de que los sujetos resulten perjudicados por participar. En Z002, un ensayo sobre la terapia de reemplazo hormonal en mujeres menopáusicas se concluyó tempranamente cuando los investigadores notaron que las mujeres que tomaban una píl· dora con dos hormonas desarrol!aban enfermedades cardiovasculares y cáncer con mayor frecuencia que las que recibían un placebo. Por otra parte, las mujeres que recibían hormonas terúan menores tasas de cáncer de colon y fracturas óseas. Los investiga· dores decidieron que los riesgos asociados con el tratami~nto ex· cedían los potenciales beneficios, y el estudio se interrumpió. Para aprender más sobre este ensayo clínico y sobre las ventajes y desventajas de la terapia de reemplazo hormonal, véase www.nlm·
Los estudios en seres humanos pueden adoptar muchas formas Casi a diario los periódicos muestran artículos acerca de ensayos clínicos sobre la eficada de medicamentos u otros tratamientos médicos. Muchos aspectos diferentes del diseño experimental pueden afectar la validez y la aplicabilidad de los resultados de es· tos ensayos. Por ejemplo, algunos estudios se llevan a cabo sola· mente por un período de tiempo limitado en un número limita. do de personas, como los estudios que realiza la Food and Drug Administration de Jos Estados Unidos en el proceso de aproba. dónde un fármaco. En varias instancias en los últimos años, me· dicamentos aprobados como resultado de estos estudios fueron posteriormente retirados del mercado, cuando su uso extendido develó sus efectos adversos e incluso muertes. Los estudios longitudinales se diseñan para llevarse a cabo en un periodo de tiempo largo. Uno de los estudios longitud!· na! es más famosos es el Framingham Heart Study (www.framingham.com/llearf), que comenzó en 1948 y aún sigue realizándose. Éste es un estudio prospectivo (prospectus, por venir, mirar ha· da adelante) que reclutó a personas sanas y las ha estado siguiendo durante años para identificar los factores que contri· huyen al desarrollo de las enfermedades cardiovasculares. Este trabajo ya ha hecho importantes contribuciones a la atendón sanitaria y continúa ·con los hijos, hoy adultos, de los partid· pantes originales. Otros diseños de estudios que pueden encontrarse en la litera· tura son los estudios transversales y los retrospectivos. Los estu· dios transversales analizan !a prevalenda de una enfermedad o un trastorno en una población. Los datos de estos estudios identifican tendencias que luego deben ser investigadas con más detalle, por ejemplo, si un grupo etario o un nivel sodoeconómico se asocian con un riesgo más elevado de desarrollar la enfermedad que se está evaluando. Los estudios retrospectivos (retro, hada atrás; spectare, mirar) comparan grupos de personas que tienen una enfennedad en particular con un grupo control similar pero

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Capítulo 1 Introducción a la fisiología

sano, para ver si el desarrollo de la enfermedad puede asociarse con una variable en particular. Amenudo, los resultados de uno o varios estudiOs publicados no coinciden con los de otros estudios. En algunos casos, el mo-

Resumen del capítulo chos de los hechos aquí presentados reflejan modelos sobre nues.. tro conocimiento actual, y que están sujetos a cambios. Aún exis· ten muchos interrogantes en fisiología que aguardan que los in· vestigadores encuentren respuestas.

tivo de ello resulta ser alguna limitación en el diseño de estudio,

como el uso de un número pequeño de sujetos que puede no ser representativo de poblaciones más grandes. En otros casos, el problema puede deberse a diferencias pequeñas pero potencialmente significativas en e! diseño experimental de los distintos estu-

dios. Una forma en que los científicos intentan resolver estos resultados contradictorios es recurriendo a un metaanálisis de los datos (meta, después de). El metaanálisis combina todos los datos de un grupo de estudios similares y utiliza sofisticadas técnicas para extraer tendencias significativas o hallazgos de los datos combinados. Por ejemplo, se realizaron muchos estudios pata evaluar si la glucosamina o el condroitín sulfato, dos suplemen· tos dietarios, podrían mejorar los casos de enfermedades degene· rativas de las articulaciones. Sin embargo, los estudios individuales tenían números pequeños de sujetos (menos de 50) y se ha· bian realizado con diferentes regímenes de dosificación, haden· do difíciles las comparaciones. Un grupo de investigadores llevó a cabo un metaanálisis usando métodos estadísticos y concluyó que, en la mayoría de las investigaciones, la glucosamina sí tenía un efecto beneficioso.* La dificultad para utilizar a seres humanos como sujetos de los experimentos es una de las razones por las cuales los científicos usan animales para desarrollar muchos de sus modelos. Desde la década de 1970, la experimentadón en animales se ha incrementado en fisiología con técnicas desarrolladas por biólogos ce!ula· res y genetistas moleculares. A medida que hemos comprendido los fundamentos de cómo las señales químicas en el cuerpo son redbidas e interpretadas por las células, hemos desentrañado los misterios de muchos procesos. Al hacerlo, nos hemos acercado a la posibilidad de tratar varias enfermedades corrigiendo su causa, más que simplemente aliviando sus síntomas. Cada vez más, la medicina se está volcando hada las terapias basadas en intervenciones a nivel molecular. Un ejemplo clásico es el tratamiento de la fibrosis quístíca, una enfermedad heredita· ria en la cual la mucosidad de los pulmones y el tubo digestivo es inusualmente elevada. Durante muchos años, los padentes con este trastorno tenían pocas alternativas terapéuticas, y la mayoría moria a corta edad. Sin embargo, la investigación básica sobre los mecanismos mediante los cuales las sales y el agua se mueven a través de las membranas celulares brindaron pistas sobre la causa subyacente de la fibrosis quística: una proteína defectuosa en !a membrana de dertas células. Una vez que los genetistas molecu· lares hallaron el gen que codificaba a esa proteína, se abrió una puerta a la posibilidad de reemplazar el gen alterado por el gen de !a proteína nonnal. Sin investigación básica sobre cómo las células y los tejidos Uevan adelante sus funciones nonnales este trata· miento nunca se hubiese desarrollado. Amedida que lea este libro y aprenda lo que hoy sabemos SO· bre cómo funciona el cuerpo humano, tenga en cuenta que mu-

1

'Glm:osamine and cllondroltin for treatment of o:steoorthritis: Asystematic qua· llty assessrn~nt and meta-ana!ysiS./AMA Z83{11}:1469·197S, WOO. {wv..w.jama.a·

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BÚSQUEDA Y LECTURA DE LITERATURA CIENTÍFICA Una habilidad que el estudiante de fisiología debería adquirir es la de encontrar información en la literatura dentífica. En el mundo de hoy, la literatura científica puede hallarse tanto en for· ma impresa, en libros y periódicos, como en Internet Los libros son un excelente recurso para obtener infonnación básica general y para aprender sobre un tema. Sin embargo, a menos que el libro tenga una fecha de publicación muy reciente, puede no ser la fuente de información más actualizada. Las publicaciones periódicas se llaman reVistas científicas, y muchas están disponibles actualmente tanto en formato impreso como electrónico. Generalmente, estas publicaciones están patro· cinadas por organizaciones científicas, como la American Physio·. Jogícal Society. Una revista científica contiene artículos que describen la investigación científica original de una persona o un grupo. Un científico que dice que va a "publicar un trabajo" se re· fiere generalmente a este tipo de presentaión en una revis;ta. La mayoría de Jos artículos de este tipo están revisados por pares, lo que significa que la investigación descrita en el trabajo ha pasado por un proceso de revisión en el cual un panel anónimo de dos o tres científicos calificados critican el material. La revisión por pa· res es como un control de calidad, porque un infonne que no cumple con los estándares de los revisores será rechazado por el director de la revista Muchas revistas publican revisiones. Éstas son resúmenes de investigaciones recientes sobre un tema en especial. Cuando se está empezando a investigar un tema, se debe comenzar con las revisiones recientes, porque en general contienen más información actualizada que un libro que trate el mismo asunto. Muchos estudiantes comienzan su búsqueda de información sobre un tema en Internet ¡Cuidado! Cualquiera puede crear una página en la red y publicar información en ella. No hay un proceso de selección comparable con la reviSión de las revistas científicas, y por lo tanto el lector de una página de Internet debe de· terminar cuán válida es la información que se brinda. Es probable que los sitios publicados por universidades reconocidas y por O!· ganizaciones Sin fines de lucro tengan buena información, pero un artículo sobre vitaminas en la página de una tienda que vende alimentos saludables debería verse con escepticismo, a menos que el artículo citase investigaciones revisadas por dentíficos. A menudo se busca en Internet utilizando Google (www.gmr gle.com), un motor de búsqueda desarrollado en la Universidad de Stanford. Cuando se buscan artículos de investigación, puede probarse con Goog!e Scholar (www.scholar.google.com). Esta nueva henamienta de búsqueda ubica fuentes más serias, como revistas con revisión de pares y publicaciones académicas. Definir los términos de búsqueda Cuando se decide buscar información, ya sea en Internet o en una de las muchas bases de datos

que catalogan a las publicaciones científicas, el primer paso debería ser definir los términos de búsqueda. Luego se realiza una bús. queda de palabras clave. Las bases de datos como MEDUNE, publicada por la National Library ofMedicine de los Estados Unidos, también tienen listas estandarizadas de ténninos indexados. Si se accede a PubMed, ia versión de acceso libre de MEDLINE {IVIVW.ncbi.nlm.nil!.gov/PubMed/), la búsqueda básica se hace escribiendo un término, en general en inglés. Si se accede a MEDLINE a través de un motor de búsqueda como Ovid, el programa trata. rá de relacionar la palabra ingresada con los t~rminos del índice de la base de datos, que se llaman encabezados MeSH. Los encabezados MeSH encontrados son palabras relacionadas con la in· gresada, patologías que tienen que ver con ella, etcétera. Para en. contrar articulas de revisión, debe agregarse la palabra "review" a los términos de búsqueda o utilizar la función ulímite" para aco. tar la búsqueda a las revisiones. Cuando se realiza una búsqueda en Internet con una herra· mienta como Google, se deben pensar con más cuidado los térrnlnos de búsqueda que se usarán. Pequeños cambios en las pala· bras pueden causar grandes diferendas. Para comprobar esto, escriba una palabra en Google y vea cuántas respuestas obtiene listadas. Luego, escriba la misma palabra en plural, y vea las dife· rendas en lo que obtiene, y en el número de respuestas. Para obtener un buen grupo de ayudas interactivas en la bús· queda en Internet, véase http://till.lib.utsystem.eduj (nótese que no hay wwwen esta dirección). Éstas ayudarán a aprender cómo buscar y evaluar sitios de Internet.

Fonnatos de citas Cuando se encuentra un articulo, ya sea impre· so o en Internet, se debe bajar la cita completa. Los fonnatos de cita para los artículos de las revistas varían levemente en las dis· tintas fuentes, pero en general contienen los siguientes elementos (con la puntuación que se muestra): Autor(es). Titulo del artículo. Nombre Je kJ. publicad6n volumen(número): páginas incluidas, año de publicactón. Por ejemplo: Echevarria Mand llundain AA. Aquaporins. 1 Plrysiof Birxhem 54(2):107·118, 1998.

En muchas citas, el nombre de la revista se menciona con abreviaturas estándar. Por ejemplo, el American Jouma/ of Phys/Q. logy se abrevia Amf Physiol. Para cada año calendario, se les asigna a todas las publicaciones de la reVista un número de volumen;

la primera de un volumen dado es el número 1, la segunda es el número 2, y así sucesivamente. Para dtar fuentes de Internet se necesita un formato diferen. te. Aquí hay una sugerencia para hacerlo: Autor/Editor (si se conocen). Fe.: ha de revisión o de publicación (5í se dispone). Título de la página (medio de publicación). Editor de !a página. URL {fe.:ha en que se accedió}.

Por ejemplo: Patton G {editor). 2005. Biologicaljoumais and Abbreviations. (On!ine). Nationa! Cancer Institute. http://home.llci{a{.gov/re· seartil/bia {AprillO, 2005). A diferencia de los medios impresos, las páginas de Internet no son permanentes y a menudo desaparecen o cambian de tu. gar. Si se accede en Internet a una revista con versión impresa, se debe citar esta última, no la URL.

REVISIÓN 3. lea !a cita del artículo sobre acuaporina y responda !as preguntas: a) ¿Quién es el primer autor?, b) ¿Cuál es

e! nombre completo de la revista en la cual se publicó el trabajo?, e) Suponiendo que se trata de una revista mensual, ¿en qué mes apareció e! artkulo?, d) ¿En qué página comienza el artículo? Respuesta> en la p. 18

Copiar o parafrasear material de otra fuente sin re<;onocerla es una falta de honestidad académica. La cita palabra por palabra entre comillas se usa poco en los trabajos científicos. En lugar de ello, se resumen los contenidos de un trabajo y se reconoce la fuente, de la siguiente manera: Se sabe que algunas formas poco comunes de epilepsia están causadas por mutaciones en los canales iónioos (Mulley, et al., 2003).

Cuando un trabajo tiene tres o más autores, se usa la abreviatura et al., del latín et alií, que significa "y otros", para ahorrar espado en el cuerpo de un texto. Los nombres de todos los autores se consignan en una dta completa, que generalmente se incluye en una secdón de Referencias al .final del articulo. Las listas de referencias suelen ordenarse alfabéticamente según el apellido del primer autoL Para saber más sobre la búsqueda y la lectura de literatura den· tífica, acceda a The Physiology Place (www.physiologyplace.com).

RESUMEN DEl CAPITULO l. La fisiología es el estudio del funcionamiento normal de los organis-mos vivos y las partes que los componen. {p. 2)

Sistemas fisiológicos 2. Los fisiólogos estudian Jos divecsos niveles de organización de los or· ganismos vivos, desde las moléculas basta las especies. {p. 2; f¡g. 1·1)

15

3. Ll célula es !a unidad estructural más pequeña capaz de llevar a cabo todos los prOCesos vitales. {p. 2) 4. Los conjuntos de células que desarrollan funciones reladonadas for· man tejidos y órganos. (p. 2) 5. El cuerpo humano tiene 10 sistemas y aparatos fisiológicos: tegwnenta· rto, musculoesquelético, respiratorio, digestivo, urinario, inmunita· rio, cimilatorio, nervioso, endocrino y reproductor. (pp. z-.3; F¡g. 1·2)

1

,-Capítulo 1 Introducción a !a fisiología

16

Preguntas

Funciones y procesos

La ciencia de la fisiología

NIVEL TRES: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

6. La función de un sistema o de un evento !isiológico es el "por

lS. La observación y la experimentación son \os elementos clave de la investigación científica. Una hipótesis es una suposición lógica sobre cómo ocurre un evento. (p. 9) 16. En la experimentación científica, el factor manipulado por el investigador es la variable independiente, y el fuctor observado es la variable dependiente. Todo experimento bien disei'lado tiene un control para asegurarse de que los cambios observados se deben a la manipuiactón experimental y no a otro factor externo. {pp. 9-10) 17. Los datos, la información !€colectada durante el experimento, se analizan y se presentan, a menudo en forma de gci.flco. (p. 10) 18. Una teoóa cientifica es una hipótesis que ha sido confinnada por los datos en varías ocasiones. Cuando la evidencia experimental nueva no coincide con una teoría o modelo, entonces éstos deben ser revisados. (p. 10¡ 19. la experimentación en animales es una parte importante del aprendizaje de la fisiología humana debido a la enorme variabilidad entre los seres humanos, y porque es dificil controlar los experimentos en estos Ultimos. Además, cuando se utilizan seres humanos como sujetos de experimentación surgen problemas éticos. {p. 10) 20. En un estudio con grupos cruzados, cada participante actúa como sujeto de experimentación y como control. Durante la mitad del ex· peri!hento, recibe una sustancia inactiva llamada placebo. Una dificultad de los experimentos con humanos surge de los efectos placebo y nocebo, en los cuales ocurren cambios aun cuando e! tratamiento es inactivo. (pp. 10-11) 21. En un estudio con enmascaramiento o ciego, e! su¡eto no sabes! está recibiendo el tratamiento experimental o un placebo. En un estudio con doble enmascaramiento o doble ctego, una tercera persona que no participa del experimento es !a única que sabe cuál grupo es el experimental y cuál el control. En un estudio con grupos cruzados y doble enmascaramiento, el grupo control de la primera mitad del experimento se transforma en grupo experimental en la segunda, y viceversa. (p. 11) zz. El metaanálisis de los datos combina !os obtenidos en varios estudios para observar tendencias. {p. 14)

ll. Un grupo deex¡mtos en biología fueron a un centro comercial y pre-

qué" del sistema; el proceso por el cual dcho proceso ocilrre es el "cómo~ del sistema. E! enfoque teleológico de la 'fisiología explica por qué ocurren !os eventos; el enfoque mecanicista explica <:ómo ocurren. {p. 3J

Homeostasis 7. El cuerpo humano como un todo está adaptado para responder a un entorno variable, pero la mayoría de las células individuales tolera muchos menos cambios. \p. 3) La homeostasis es el mantenimiento de un medio interno relativamente constante. Entre tos parámetros que están regulados homeostáticamente se hallan la tetupetatura, el pH, las concentradones de iones y e! agua. {pp. 4-5) El medio interno del organismo es el líquido extncelular. {p. 4; Fig. l-3) La incapacidad de mantener la homeostasis puede conducir a !a enfennedad. (p. S; Fig. 1-4)

1:.

Fisíologia: más allá del genoma . 11. E! enfoque de las investigaciones actuales pasó de la identificación de

las proteínas del cuerpo al estudío de cómo esas proteinas y otras moléculas influyen en las "funciones del organismo. (p. 6)

La fisiología es una ciencia integradora 12. Muchas funciones complejas son propiedades emergentes que no pueden predecüse a partir de las propiedades de las partes que las componen. (p. 6) 13. La investigación aplicada lleva los resultados de la investigación fisio-

lógica básica a los problemas médicos. (p. 7)

Temas de fisiología 14.

Los cuatro temas principales de la fisiologfa son la homeostasis y los sistemas de control, el uso de la energía biológica, !as relaciones entre estructura y función, tales como las interacciones moleculares y la compartimentación, y la comunicación entre las células.. (pp. 7-9)

Búsqueda y lectura de la literatura científica 23. La literatura científica puede encontrarse en formato impreso y electrónico.. EllectGr debe evaluar en forma critica cada fuente, para detennlnar su validez. {p. 14)

guntaron a los llanseúntes: "¿Por qué fluye la sangre?" Éstas son a!gunas de las respuestas que recibieron. ¿Cuáles de ellas son teleológicas y cuáles me<:anicistas? (No todas las respuestas son conectas, pero aun así se las puede clasificar}. (a) Por la gravedad (b) Para llevar oxígeno y nutrientes a las células (CJ Porque si no fluyese, moriríamos (d) Por la acción propulsora del cmazón 12. Aunque la deshidratación es uno de los problemas fisiológicos más importantes que deben superar los animales terrestres, existen otros. Mencione tantos como pueda, y piense varias estrategias que los distintos seres terrestres tienen pata superarlos. (Sugerencia: piense en los seres humanos, los insectos y los anfibios; piense también en todos los hábitats terrestres posibles).

(Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL UNO: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Defina fisiología. Describa la relación entre la fisiología y la anato-

mía. 2. Nombre los distintos niveles de organización en la biosfera y las dis-

3. 4. S.

6.

ciplinas que estudian cada uno de ellos. Nomb;e los diez sistemas y aparatos del organismo y mencione su función o funciones principales. ¿Qué significa que "la fisiología es una ciencia integradora"? Defina homeostasis. Nombre algunos parámetros fisiológicos que se mantengan homeostaticamente. Nombre cuatro temas principales de la fisiología.

NIVEL DOS: REVISIÓN DE CONCEPTOS 7. Creación de un mapa conceptual; Dibuje un gran mapa que muestre la organización del cuerpo humano. Muestre todos los niveles de

organización (vease fig. 1-1) y los diez sistemas y aparatos orgánicos. Trate de incluir las funciones de todos los componentes del mapa y recuerde que algunas estructuras pueden compartir funciones. {Sugerencia: comience ron el cuerpo humano como ténnino más importante. Puede tambíén dibujar la silueta de un cuerpo y desarrollar el mapa sobre esta base). 8. Mencione las diferencias entre los términos de cada grupo. a) tejidos y órganos. b) eje xy eje y en un gráfico. e) variables dependiente e independiente. d) enfoques teleológico y mecanicista. e) medio interno y medio externo para el cuerpo humano. f¡ estudios clínicos ciego, doble ciego y con grupos cruzados. 9. Mencione todos los órganos o estructuras corporales que pueda, que se conecten directamente con el medio externo. 10. ¿Qué sistemas orgánicos son responsables de la coordinación de las funciones corporales? ¿Y de proteger al organismo de los agentes invasores? ¿Qué sistemas intercambian materiales con el medio externo, y qué intercambia cada uno?

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Excelente

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9I21S1821

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Buena

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13. Un grupo de estudiantes deseaba ver el efecto de una dieta deficiente en vitamina D sobre el crecimiento de peces pequeños de agua dulce. Los alimentaron con una dieta de esas características, y midieron el largo corporal cada tres días, durante tres semanas. Los datos obtenidos fueron:

Día

..

Superior

ü

10

20

30

40

Circunferencia ml.lW.IIar del brazo (cm) ~FIGURA

1·8

Longitud del cuerpo promedio (mm) 6 7 9 12 14 16 18 21 16. Responda a las preguntas al final del siguiente resUmen de un artírulo.

a) ¿Cuáles fueron las variables independiente y la dependiente m este experimento? bJ ¿Cuál fue el control? e) Construya un gráfico con nombres y leyendas, utilizando los datos de !a tabla. d) ¿Durante qué período de tiempo et crecimiento fue menor? ¿Cuándo fue más rápido? (Utilice el gráfico para responder estas p;eguntas.) 14. Usted llevó a cabo un experimento en el cual midió !os volúmenes de nueve rodajas de patata, luego las sumergió en soluciones de diferente sallnidad durante 30 minutos. Entonces midió nuevamente el volumen de las nueve rodajas. Los cambios observados fueron:

% de cambio de volumen a los JO minutos

PREGUNTAS

ca y la medida de su circunferencia muscular en el brazo. La relación entre las dos vati.ab!es se muestra en un giáfico en la figut
o•

NIVEL CUATRO: PROBLEMAS ANALITICOS

17

SOLUCIÓN

MUESTRA 1

MUESTRA2

MUESTRA3

Agua destilada

10%

8%

1% sal (NaCI)

O%

9% sal (NaC\)

-8%

-0~%

1%

·12%

·11%

11%

a) ¿Cuál fue la variable independiente en este experimento? ¿CUál !a dependiente? b) ¿Puede decir a partir de la información dada Si hubo o no un control en este experimento? Si lo hubo, ¿cuál fue? e) Grafique los resultados del experimento utilizando el tipo de gráfico más adecuado. 1S. Al finalizar e! semestre, una clase de nivel intermedio de 25 levantadores de pesas varones fue evaluada para determinar su condición a&óbi-

Un estudio reciente• se llevó a cabo en personas voluntarias para detenninar si dos procedimientos realizados durante la drugía artroscópica (artllro, artirulación; sropium, mirar) son eficaces para aliViar el dolor de rodilla asOCiado con la artrosis, o enfennedad articular degenerativa. Los voluntarios tenían hasta 75 años, y fueron reclutados del Veterans Affair Medica! CenteL El93% era de sexo masculino y el 60% de raza blanca. Un tercio de los sujetos fue sometido a operaciones de tipo placebo, es decir, se les dio anestesia y se hilo una incisión en la rodilla, pero el resto del tratamiento no se llevó a cabo. Los dos tercios restantes del grupo fueron sometidos a uno de los dos pro. cedimientos. Se Siguió a los sujetos durante dos años, al cabo de los cuales respondieron a una serie de preguntas acerca del dolor y el funcionamiento de su rodilla, y se los sometió a pruebas objetivas caminando y subiendo escaleras. Al final del estudio, los resultados mostraron que no había diferencias significativas en la función de la ro· dilla ni en la percepción del dolor entre los sujetos que recibieron uno de !os tratamientos estándar y quieres recibieron el tratamiento placebo. a) ¿Considera que es ético realizar cirugías de tipo placebo en seres humanos que sufren una enfermedad, aun si se les informa que pueden recibir este tratamiento en lugar de una intervención convencional? b) Mendone dos explicaciones posibles pata !a disminución del dolor informada por los pacientes sometidos a la intervención de tipo placebo. e) Analice y critique e! diseño experimental de este estudio. ¿Los resultados son aplicables a cualquier persona con dolor de rodilla? d) ¿El diseño del estudio fue ciego, doble ciego, o doble ciego con grupos Cl'U1.ados? e) ¿Por qué piensa que los investigadores creyeron necesario inciuir un grupo placebo en este estudio? •A controUed !rla! of at"Jmm:opic su¡gery for osteoarthritls of !he knee. N Eng ¡ Med 347{2); 81-·88, 2002.

,.. 18

Capítulo 1 Introducción a la fisiología

RESPUESTAS

V Respuestas a las preguntas de revisión

Páginas 12-13

Página 10

Fig. 1-7c: Veinticuatro estudiantes respondieron las preguntas.

1. La variable independiente es la cantidad de agua que beben los estudiantes. La variable dependiente es la cantidad de orina.

Página 13 2. a) El nivel de actividad fue la variable independiente {eje x), y la frecuenda ardíaca, la dependiente (eje y). b) Un gráfico de lineas sería

1

apropiado para estos datos, pero también puede usarse un gráfico de barras si la intensidad del ejerddo es la misma en todos los sujetos. e) Par.1 mostrar la diferenda entre hombres y mujeres, los gráficos deberian tener lineas o barras separadas para cada sexo.

Página 15 3. a) M. Edlevarrla, b) foumal o(Physiology and Biochemistry, e) Es cl número 2 que apareció en febrero, d) página 107.

Respuestas a las preguntas de _las figuras Página7 Fig. 1-5: a) Puede incluir diferentes tipos de panes, carnes, etc., o agregar una categoría de caracteristicas de los emparedados, como temperatura (frío, caliente) o las capas (simple, varias).

Fig. l-7b: Los pájaros prefirieron la dieta A.

Fig. 1-7d: Los ratones machos (linea azul) incrementaron su peso en mayor medida entre !os días 1 y 2. Fig. 1-le: a) En cl gráfico l-7d, e! investigador observó los cambios del peso corporal en cl tiempo de los ratones machos y hembras. En el gráfico Pe, trató de determinar si había una relación entre el tiempo que el alumno pasaba estudiando para un examen y el puntaje obtenido. b) En el gráfico 17d, la variable independiente: es el tiempo y la variable dependiente, el peso corporaL En el gráfico 1-7e, la variable independiente es el número de horas de estudio, y la dependiente, el puntaje del estudiante. e) El gráfico 1-7d muestra que los ratones machos pesaban más que las hembras desde el inl· do del experimento, yque el peso corporal aumenta con el tiempo. La velocidad de incremento es prácticamente la misma en machos y hembras, según muesnan las líneas casi paralelas. El gráfico 1-7e mp.estra que más horas de estudio dieron como resultado mejores puntuaciones en el examen.

Página 18 Fig. 1-9 !1. Este mapa de muestra es una de las maneras posibles de ordena! los términos. Nótese que algunos de ellos están unidos a más de uno de los demás. El mapa no incluye muchos términos que podrían agregarse.

Interacciones moleculares Rev¡s]ón <Jc 20 Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones 21 El número de protones en e! núcleo determina el elemento 21 Los isótopos de un elemento contienen distinto número de neutrones 22 Los electrones forman uniones entre los átomos y capturan energía

Eniaces y formas mo!ecuiares 23 24 25 26

Los enlaces covalentes se forman cuando átomos adyacentes comparten electrones Los enlaces iónicos se forman cuando los átomos ganan o pierden electrones Los puentes de hidrógeno y !as fuerzas de van der Waals son interacciones déb11es entre los átomos La forma molecular está relacionada con la función

Biorno!é-wías 27 27 30 32 32

Los hidratos de carbono son las biomoléculas más abundantes Los lípidos son estructuralmente las biomolécu!as más diversas Las proteínas son las biomoléculas más versátiles Algunas moléculas combinan hidratos de carbono, proteínas y !ípidos los nucléotidos -transmiten y almacenan energía e información

Soluciones acuosas, áddos, bases y amortiguadores de

JPormones 1 i! FIGURA 1-9

35 No todas las moléculas se disuelven en soluciones acuosas 35 Existen varias formas de expresar la concentración de una solución 37 La concentración de iones de hidrógeno en el cuerpo se expresa en unidades de pH

!nteracdones protelcas 39 40 40 42 43 43

Las proteínas son selectivas respecto de las moléculas a las cuales se unen Múltiples factores pueden alterar la unión proteica la modulación altera la unión y actividad de las proteínas Los factores físicos modulan o inactivan a las proteínas El cuerpo regula la cantidad de proteínas presentes en las células La velocidad de reacción puede alcanzar un máximo

r 20

Capítulo 2 Interacciones mo!e(U!ares

SUPLEMENTOS DE CROMO "Pierda peso al tiempo que gana m.asa muscular~, proniete la publicidad. "Evite las enfermedades cardiacas." "Estabilice Su_gluct mia.~ ¿Qué es esta sustancia milagrosa? Es pkolinato Qe cromo, un suplemento dietético que apunta al mercado df!! 'quien~ buscan estar en forma rápidamente. Pero, ¿es eficaz y seguro? Algunos deportistas, como Stan -el corredor estrella del equipo de fútbol americano de la universidad-le tienen una fe ciega. Stantoma 0,5 mg diarios de picolinato de cromo. Sin embargo, muchos investigadores son escépticos y consideran que no se ha demostrado la necesidad ni la seguridad de los suplementos de cromo.

~ Cromo, zinc, cobre, hierro... la lista parece el inventario de una compañía de metales, pero en realidad proviene de la etiqueta de un frasco de comprimidos de polivitaminicos y multiminerales. ¿Por qué debemos ingerir estos metales y qué hacen en nuestro organismo? La lectura de un artículo de una revista que proclama la acción de las vitaminas C y E como antioxidantes puede dejarlo pensando "contra qué" se usan estas vitaminas. ¿Qué es un oxidante, y por qué necesitamos antioxidantes en nuestro organismo? Para poder responder a estas preguntas debemos comenzar en el nivel de organiZación más bajo del cuerpo humano y analizar la estructura de los átomos. Luego examinaremos la maneia en que los átomos se unen para formar las moléculas, y de qué modo las moléculas, especialmente las proteínas, interactúan entre sí. Finalmente, debido a que el cuerpo humano está compuesto en un 60% por agua y la mayoría de las moléc.ulas se disuelven en agua, repasaremos cómo hacer soluciones y cómo expresar las concentraciones de las moléculas disueltas en dichas soluciones.

Revísión de química en el centro del átomo en un cuerpo denso denominado núcleo (nucleus, pequeña nuez). El espacio alrededor del núcleo -casi to· do el volumen del átomo- contiene los electrones, negativos, livianos y rápidos, que se mantienen en sus órbitas por la atracción de los protones positivos. Al igual que los polos de un imán, dos partículas atómicas de carga opuesta(+ y-) se atraen, mientrasque dos partículas de igual carga (+y+, -y-) se repelen. Los átomos son sumamente pequeños, su diámetro osdla entre 1 y 5 angstroms (1 angstrom =1 Á= 10·10 m). La mayor parte del volumen de un átomo es espacio vado. Para entender cuán diminuto es el volumen ocupado por las partículas subatómicas, debemos imaginar que, si el átomo tuviera las dimensiones de un estadio de fútbol americano, el núcleo sería del tamaño de una manzana en el centro del estadio y los pequeñísimos electrones, cada uno de eUos más pequeño que un guisante, se moverían en el espacio restante.

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Semento diferente

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Unátomoq¡¡e gana o pietde secorwierteen

El helio pi~de un protón (y 2 neutrones) yse

iíFoV!S!ÓN DE QUÍMKA Los átomos están compuestos por protones~ neutro~ nes y electrones Los átomos -los bloques estructurales de la materia, incluida la del cuerpo humano- eran considerados las partículas de materia más pequeñas (atamos, indivisible). Ahora sabemos que un átomo está compuesto por tres tipos de partículas aún más diminutas: protones con carga positiva, neutrones sin carga y electrones con carga negativa (Fig. 2-1 !li). Un átomo contiene igual número de protones y electrones, lo que le confiere una carga eléctrica de cero. La disposición de los protones, los neutrones y los electrones en un átomo siempre es la misma. Los protones y los neutrones del átomo, que representan la mayor parte de la masa, se agrupan

"'""'"'i'"'""

;;d.().,. 8"" O H+ es el ión de hidrógeno

un

un

efectrón

electrón

Hidrógeno-1, H

Hidróger.o-2 o deuterio, 2H, un isótopo del hidrógeno

mFIGURA 2-1 Mapa conceptual que muestra las re/adanes entre los átomos, los elementos, los iones y los isótopos

21

El número de protones en el núcleo determina el elemento Los átomos pueden clasificarse de dos formas: por su número atómico y por su masa atómica. E! número atómico de un átomo es igual al número de protones que se encuentra en e! núcleo. Un átomo de hidrógeno, por ejemplo, contiene un solo protón en el núcleo, por lo tanto, el número atómico del hidrógeno es 1. Un átomo de helio tiene dos protones y su número atómico es 2, y así sucesivamente. El número atómico del átomo es el que determina a qué elemento pertenece el átomo. Los elementos son la forma más simple de materia. Todo átomo cuyo número atómico es 1 (un protón en el núcleo) es un átomo del elemento hidrógeno y todo átomo cuyo número atómico es 2 es un átomo del elemento helio (Fig. 2-1). Existen más de 100 elementos conocidos, y todos ellos se encuentran en la tabla periódica de los elementos que se incluye en el interior de la cubierta posterior del libro. Cada casillero de la tabla contiene el nombre de un elemento y su correspondiente símbolo de una, dos o tres letras. Algunos de los símbolos derivan del nombre del elemento en latín y por lo tanto no coinciden-con sus nombres modernos. Por ejemplo, el elemento sodio se abreVia Na por sú nombre en latín natrium. Tres de los elementos de la tabla periódica -oxígeno, carbono e hidrógeno- constituyen más del90% de la masa corporal. Otros ocho elementos (nitrógeno, fósforo, sodio, potasio, calcio, magnesio, azufre y cloro) conforman la lista de los principales elementos esenctales del cuerpo humano. Además de estos elementos esenciales principales, el cuerpo requiere mínimas cantidades de otros elementos, como selenio, cromo, manganeso y molibdeno. Estos nutrientes se denominan oligoelementos o elementos esenciales seamdarios. REVISIÓN

:-1. Escriba Jos símbolos de una o dos letras para cada uno de los once elementos esenda!es prindpa!es. 2. Busque en la tabla periódica de los elementos en el interior de la QJbierta posterior, diez, exceptuando al sodio,
REVISIÓN x.i~ ;}tif!, ¿Cuál es !a masa atómica de los dos átomos de hidró. \geno y del ión de hidrógeno en !a parte inferior de !a

figura 2-1)? Respuesta en1a p. 49

¿Qué es el picolinato de
Ubique el cromo en /a fabla periódica de los elemilntos. ·. ¿Cuál es el número atómico del cromo? ¿Y su inasa atólilicil? ¿Cuántos electrones tiene un átomo de cromo? lQué_eT~ · mentos cerca del crófflo' también son elementos esendales?

Los isótopos de un elemento contienen distinto número de neutrones El número de protones de un elemento es constante, pero el número de neutrones puede variaL Los átomos de un elemento que tienen distinto número de neutrones son denominados isótopos del elemento (iso·, igual; topos, lugar [es decir, el mismo lugar en la tabla periódica]). Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos: hidrógeno-!, hidrógeno-2 e hidrógeno-3. El hidrógeno! contiene un único protón en el núcleo, el hidrógeno-2 contiene un protón y un neutrón, y el hidrógeno-3 contiene un protón y dos neutrones (véase parte inferior de Fig. 2·1). Obsérvese que siempre existe un único protón en el hidrógeno pero la masa atómica de los isótopos de hidrógeno varía con el número de neutrones. El número detrás del nombre del elemento indica la masa atómica del isótopo. El símbolo de un isótopo muestra la masa atómica en el extremo superior izquierdo del símbolo químico del elemento. Por ejemplo, el símbolo para el hidrógeno-1, el isótopo de hidrógeno más común en la naturaleza, es el 1H; el sfmbolo para el hidrógeno-2, también conoddo como deuterio, es 2H. La masa atómica que se muestra debajo del símbolo del elemento en la tabla periódica es un promedio del peso de los diferentes isótopos del elemento. Todos los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas porque dichas propiedades están determinadas por la configuración electrónica del átomo y no por el número de neutrones. Los isótopos son importantes en la biología y en la medicina ya que algunos, llamados radioisótopos, son inestables y emiten una energía denominada radiación. Los radioisótopos emiten tres clases de radiación: alfa (a), beta(~) y gamma (y). Las radia· clones alfa y beta están compuestas por partículas de movimiento rápido (protones y neutrones en el caso de la radiación a, y

1

Capítulo 2 Interacciones moleculares

22

Enlaces y formas moleculares

electrones en el caso de la radiación ~} emitidas por un átomo inestable. La radiación y está compuesta por ondas de alta energía y no por partículas. La radiadón y puede penetrar· la materia a mayor profundidad que las partículas a o ~- Los rayos x son similares a ia radiación y y se utilizan para generar imágenes del interior del cuerpo. Los radioisótopos son ampliamente utilizados en la medicina tanto para el diagnóstico como para el tratamiento. En ocasiones, el radioisótopo es utilizado por sí mismo. Por ejemplo, el radioisótopo yodo-131 es útil para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades tiroideas. Este radioisótopo emite tanto radiadón a como~- En pequeñas dosis, esta radiación causa poco daño, pero a dosis mayores puede destruir selectivamente el tejido tiroideo cuando la glándula es h.iperactiva. Otro radioisótopo muy utiliza· do en el diagnóstico es el tecnecio-99. La aplicación de radioisótopos para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades seco. noce particularmente como medidna nuclear.

1

REVISIÓN 4. Busque en la tabla periódica ~e elementos en la cu· bierta posterior el número atómico y !a masa atómica promedio del yodo y del tecnedo. ¿Cuál es el símbolo del tecnedo?

Respuesta en la p. 49

Los electrones forman uniones entre Jos átomos y capturan energía Los electrones de un átomo no se mueven al azar alrededor del núcleo. Por el contrario, están dispuestos en una serie de niveles o nubes o capas de electrones. la capa con menor energía se en. cuentra más próxima al núcleo, y a medida que esa distancia se incrementa, aumentan los niveles de energía. Cada capa puede contener un número detenninado de electrones. la primera capa (la más próxima al núcleo) tiene un limite de dos electrones, la siguiente puede contener ocho, y así sucesivamente. Las capas se completan con electrones en fonnaseruendal desde el interior hacia el exterior, una propiedad que ~te explicar cómo se combinan los átomos entre sí. la disposición de los electrones en la capa externa de un átomo determina la capacidad de unirse a otros átomos. Los electrones desempenan cuatro papeles fundamentales en fisiología; en la formación de enlaces covalentes, en la formación de iones, en la captura y transferencia de energía, y en la formación de radicales libres noctvos. 1. Enlaces covalentes. Los electrones compartidos generan

enlaces covalentes fuertes para crear moléculas, tal como se describe en la siguiente sección. 2. Iones. Cuando un átomo gana o pierde uno o más electro· nes, adquiere una carga eléctrica y se convierte en un ión. Un átomo que gana electrones adquiere una carga negati· va (-1) por cada electrón adicional, y se denomina anión. Un átomo que pierde electrones suma una carga positiva {+1) por cada electrón perdido debido a los protones que quedan sin sus correspondientes electrones. Los iones cargados positivamente se denominan cationes. Por convención, los iones se indican con notación suprascrtta luego del símbolo del elemento, con el número de cargas en primer lugar (si es mayor que 1) seguido por el sig·

C.UADR02·1

Iones importantes -del cUerpo humano ANIONES

CATIONES No•

Sodio

K•

Potasio Caldo Hidrógeno Magnesio

Ca 2• H'

Mgl•

Cl'

Cloruro

HC03-

Bicarbonato Fosfato Sulfato

HPOl· $04¡.

Una afinnación publicitaria sobie él cromo es que mejora !a transferencia de glucosa -el azúcar simple utilizada por !as células como combustible para todas sus actividades-de la sangre a las células. En la diabetes mellitus, las células'son incapaces de
no de la carga. Por ejemplo, un ión fosfato tiene dos electrones extra, por lo tanto este anión se escribe HPO/·· El hidrógeno pierde su único electrón y acaba como un único protón, H+ (como se muestra en ella fila inferior de la Fig. 2· 1). El cuadro 2-11!! enumera los iones más importantes para la fisiología. Obsérvese que algunos iones son átomos úni· cos, mientras que otros son combinaciones de átomos. 3. Electrones de alta energía Los electrones de determinados átomos pueden capturar energía de su medioambiente y transferirla a otros átomos, de manera que la energía puedá ser utilizada para la síntesis, el movimiento u otros procesos vitales. La energía liberada también puede ser emitida como radiación. Por ejemplo, la bioluminiscenda de las luciéma· gas es luz visible emitida por electrones de alta eneriía que retoman a su estado normal de baja energía. 4. Radicales libres. Nuestro organismo está expuesto penna· nentemente a radiaciones naturales, como la solar, y artifi· ciales, como las provenientes de Jos hornos de microondas y la televisión. Algunas formas de radiación alteran la dis· tribución de los electrones de Jos átomos y los transforman en radicales libres inestables. Todo radical libre tiene al menos un electrón no pareado. Un radical libre muy común es el radical libre hidroxí, OH, de carga eléctrica neutra, que se forma cuando un ión de hidroxilo, OH-, pierde un electrón. Otro radical libre común es el ión supetóxido, •02-, permanentemente elaborado por el organismo du· rante el metabolismo normal cuando una molécula neutral de oxígeno (02) gana un electrón adicional (•).

Pregunta 2: En personas con carenda de aomo, ¿puede prededr si fa gfu· cemia será menor o mayor a la normal? A partir de los resul· tados del estudio chino, ¿puede afirmar que todos los paden· tes con diabetes padecen carenda de cromo?

~ ·REVISIÓN

Relacione cada una de !as partículas subatómicas en la columna de la izquierda con las frases en la columna de la derecha que las describen. cada una de las frases puede utilizarse más de una vez. 5. electrones a) cada uno tiene una masa atómica de 1 urna

6. neutrones b) se encuentran en el núcleo 7. protones e) negativamente cargados d} el cambio en el número de estas partículas en un átomo crea un nuevo elemento e) !a ganancia o pérdida de estas partku· las transfonna el átomo en un ión f} la ganancia o pérdida de estas partículas produce un isótopo diferente del mismo elemento 8. Un ión de magnesio, Mg2+, ha ganado/perdido dos {elija una opción) protoneslneutronesle!ectrones. 9. H+ también es llamado protón. ¿Por qué recibe tal nombre? Respuestas en la p. 49

Como aprenderá en la sección sobre enlaces moleculares, los electrones son más estables cuando están pareados. Por lo tanto, los radicales libres, con su electrón libre, tratarán de "robar" un electrón de otra molécula. Cuando esto ocurre, la especie atómica que dona el electrón puede quedar con un electrón no pareado y convertirse en un radical libre. El recientemente creado radical li· bre buscará un electrón que pueda "robar", y crea una reacción en cadena de producción de radicales libres que puede alterar la fun· dón celular normal. Se cree que los radicales libres tienen partid· padón en el proceso de envejecimiento y en el desarrollo de deter· minadas enfermedades, como algunos tipos de cáncer. Los antioxidantes son sustancias que evitan el daño de nues· tras céluias al ceder electrones sin transformarse en radicales li· bres. Muchos antioxidantes se encuentran naturalmente en las frutas y los vegetales. Los más comunes promocionados en los su· plementos vitamínicos son las vitaminas C y E.

ENLACES Y FORMAS MOLECULARES Cuando dos o más átomos se unen para compartir electrones, constituyen unidades conocidas como moléculas. Algunas moléculas, como las del gas oxígeno (0;<) y el gas nitrógeno (NJ están compuestas por dos átomos de un mismo elemento. Sin embargo, la mayoría de las moléculas contienen más de un elemento, y por lo tanto se las conoce como compuestos. Por ejemplo, una molécula de glucosa {C6H1pj está compuesta por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, y por lo tanto es un compuesto. Por el contrario, el gas oxígeno {O;<) es una molécula y no un compuesto porque sólo contiene átomos de oxígeno.

.~:

23

La transferencia de electrones de un átomo a otro, o el hecho de compartir electrones entre dos átomos, constituye una parte funda· mental en la formación de los enlaces, es decir las uniones entre los átomos. Existen 01atro tipos usuales de enlaces; dos enlaces fuertes y dos enlaces débiles. Los enlaces covalentes y iónicos son fuer· tes; los puentes de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals son enlaces débiles que contribuyen a las interacciones moleculares.

Los enlaces covafentes se forman cuando átomos adyacentes comparten electrones Los enlaces covalentes son enlaces fuertes que se producen cuando dos átomos comparten un par de electrones, un electrón de cada átomo. La mayoría de los enlaces que unen los átomos para formar moléculas son enlaces covalentes. Para romper estos enlaces covalentes se requiere energía. Es posible predecir el número de enlaces covalentes que puede formar un átomo si se conoce el número de electrones no pa. reados en la capa exterior del átomo, ya que un átomo es más estable cuando todos sus electrones están pareados. Por lo tanto, !os átomos pueden formar moléculas al compartir sus electrones no pareados con otros átomos que tienen electrones libres. La figura 2-2a E muestra las configuraciones electrónicas de dos elementos de importancia biológica, el hidrógeno y el oxígeno. Un átomo de hidrógeno, el elemento más liviano, tiene un protón en el núcieo y un electrón no pareado en la capa exterior. Debido a que el hidrógeno sólo tiene un electrón para compartir, siempre forma un enlace covalente. Para representar un electrón único en la notación, los químicos utilizan un único punto, lo que se denomina notacWn electr6n·punto. El átomo de oxígeno tiene dos electrones no pareados en la capa exterior (Fig. Z..Za). {Recuerde que, como se mencionó anteriormente, la segunda capa de electrones puede contener un máximo de ocho electrones.) En consecuencia, el oxígeno necesita dos electrones adicionales para. completar su capa exterior, y puede adquirirlos al compartir dos electrones en los enlaces covalentes. La molécula de agua (Fig. 2-2b) es un ejemplo simple de enlaces covalentes formados por el oxígeno. En una molécula de agua, cada uno de Jos dos átomos de hidrógeno comparte su electrón con uno de los electrones no pareados en la capa exterior del átomo de oxígeno. Al compartir los electrones se completan las capas exteriores de los tres átomos con electrones pareados y se forma una molécula estable. Cada par de electrones compartidos representa un enlace cova/ente simple, indicado por un guión en la representación de la fórmula que se encuentra en el medio en la figura 2-Zb.

REVISIÓN

10. Un átomo de carbono tiene cuatro electrones libres en la capa externa, que tiene capacidad para ocho electrones. ¿Cuántos enlaces covalentes podrá formar un átomo de carbono con otros átomos? Utilice la natación electrón-punto para la representación de este átomo. 11. ¿Con cuántos átomos de hidrógeno un átomo de car· bono unirá todos sus electrones por medio de enlaces cova!entes? Dibuje esta molécula por medio de un punto o una línea para representar cada par de elec· trones compartidos.

Respuestas en !a p. 49

1

24

Enlaces y formas moleculares

Capítulo 2 Interacciones moleculares

/'~··~

&-

. ~0

~~ H·

' Paso 1: el sodio cede su único electrÓil débil al cloro y · se crean los iones sodio ycloruro, Na<-and cr.

Polo

negativo

/0?\\

~\

\( ..•··® .,.... J\

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..

@.·0·.····.····.·.·...· .

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1

Molécula de agua

!l1 FIGURA 2-3

o

H/ 'H = H20

{b) La molécula de agua se fom1a cuando un átomo de oxígeno se une con dos átomos de hidrógeno por medio de un enlace CQVafente. Los

enlaces generan electrones pareados en las capas exteriores de los átomos. Se presentan tres notaciones diferentes de la IT!{;!écula En el centro, cada Unea reemplaza un par de electrones compartidos. A la derecha se presenta la fólmula química del agua.

AGURA 2·2 Los electrones compartidos en la capa exterior de los átomos forman enlaces cava/entes

¡g

En ocasiones los átomos adyacentes comparten dos pares de electrones y no sólo uno. En este caso el enlace se denomina do. ble enlace y se representa por medio dé una doble linea (=). En el siguiente ejemplo, dos átomos de carbono comparten dos pares de electrOnes. Como se indicó en la Revisión N" 10, cada carbono tiene cuatro electrones no pareados en la capa exterior y, por lo tanto, necesita compartir cuatro electrones adidonales en enlaces covalentes: , 4H•+2 •C•--

'

H,,

H•.

••H

c::c.·H o

H'\

/H

/C=C, H H

Átomo de cloro

j

El agua es una molécula polar

La molécula de agua desarrolla regiones separadas, o polos, de carga pardal positiva {ó+) y pardal negativa (0~) cuando el núcleo de oxígeno atrae a los electrones de hidrógeno hacia él.

1

exteriores estables llenas con electrones.

/~·+ : 1 ·"· \"¡

ó q

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1

--

"

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)

~·

ces covalentes no siempre se comparten de manera uniforme entre los átomos. Cuando los electrones se comparten de manera no uni~ forme, el átomo con capacidad de atracción de electrones más fuerte adquiere una carga levemente negatiVa (indicada por ó-); mientras que el átomo con capacidad de ab:acctón de electrones más débit adquiere una carga levemente positiva (0+). Las moléculas con regiones de carga parcial positiva y negativa son denominadas moléculas polares porque puede decirse que tienen polos positivos y negativos. Los átomos de ciertos elementos, particularmente los de ni· trógeno y oxígeno, tienen ab:acctón fuerte por electrones y se encuentran con frecuencia en moléculas polares. El agua (HzÜ) constituye un ejemplo claro de una molécula polar. El núdeo del oxígeno, que es más grande y más fuerte, atrae a los electrones del hidrógeno. ~ta atracdón deja a los dos átomos de hidrógeno de la molécula con una carga parda! positiva, y al único átomo de oxígeno con una carga parcial negativa ya que los electrones se comparten de manera no uniforme (Fig. Z..3 §).Nótese que la carga neta para la molécula de agua es ¡:ero. La molécula no polar es aquella cuyos electrones compartidos están distribuidos en fonna tan pareja que no hay regiones con carga parcial positiva o negativa. Por ejemplo, las moléculas compuestas principalmente por carbono e hidrógeno tienden a ser no polares. Esto se debe a que el carbono no atrae los electrones de manera tan fuerte como el oxigeno. La polaridad de una molécula es importante para determinar si dicha molécula se disolverá en agua. Las moléculas polares generalmente se disuelven fácilmente en agua y se las denomina hi· drófilas (hidra-, agua; -filo, amigo de). Las moléculas no polares no se disuelven fácilmente en agua y se las denomina hidrófobas (-fobos, horror o repulsión).

Ión sodio (Na+¡

-.~ '-\,

.. 11. \

o,¿

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,----··-"··

L--~="~~-~acQ

el FIGURA

{a) Las regiones polares de moléculas de agua adyacentes permiten !a formación de puentes de hidrógeno.

Ión cloruro (Ci)

¡Paso 3: los !011es Na+ yCt" se unen debído a sus cargas j opuestas. En estado sólido, !os enlaces iónicos ¡ entre el Na+ yel cr forman cristales da cloruro

2·41ones y enlaces iónicos

Oxigeno

Hidrógeno

{b) La tensión superficial creada por los puentes de hidrógeno mantiene la forma hemisférica de la gota de agua en una superficie plana.

mFIGURA 2~5 Puentes de hidrógeno entre moléculas de agua muestra cómo los átomos de sodio y doro se convierten en iones y cómo dichos iones forman enlaces iónicos. En la sal común (!a forma sólida del NaCI), las cargas opuestas se atraen y forman un cristal prolijamente ordenado que alterna iones de Na+ y CJ-liga· dos por enlaces iónicos. Cuando se colocan los cristales de NaCI en agua, los iones interactúan con las regiones polares de las moléculas de agua, lo cual destruye Jos enlaces iónicos y hace que los cristales se disuelvan (véase Fig. 2-14, p. 35).

Los enlaces íónicos se forman cuando los átomos ganan o pierden electrones Cuando un átomo gana o pierde por completo uno o más electrones, se convierte en unión. Los enlaces iónicos se forman cuando un átomo tiene una atracción tan fuerte por un electrón que ananca uno o más electrones de otro átomo. La figura 2-4ll!l

\\~¡;ji

Átomo de sodio ¡~,~--~-~"'~<~---- -~

Etilllno~H4

Los dos átomos de carbono adyacentes crean un doble enlace que com¡)arte cuatro electrones,· lo que deja sólo dos electrones por carbono para unirse con hidrógeno. Si cuenta todos los enlaces en este dibujo, podrá notar que cada carbono fonna un total de cuatro enlaces y que cada hidrógeno forma uno. La fórmula química de esta molécula, denominada etileno, es CzH4•

\~~/·

l Paso 2: !os iones sodio y cloruro tienen capas

Moléculas polares y no polares Los pares de electrones en los enla-

H:O:H

/(;:---o,., / / ..... ~.::~.

,Ú ':';)~~{t(i)'lJ

,.

~~ ··········¿

·~

{a) 8 hidrógeno tiene un protón en el núcleo y un electrón no pareado. En !a notación se indica como el símbolo del e!emento con un punto por cada elec!rón en la capa exterior del átomo. El oxígeno tiene ocho protones y ocho neutrones en el núcleo. La capa exterior del oxigeno tiene cuatro electrones pareados y dos electrones no pareados.

·~,

/·...../)'--{:--._.._-....,

,_

25

Los puentes de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals son interacciones débiles entre los átomos ·¡ rel="nofollow">;

~

El puente de hidrógeno es una fuerza de ab:acción débil entre un átomo de hidrógeno y un átomo cercano de oxígeno, nitrógeno

o flúot Los puentes de hidrógeno pueden darse entre átomos en moléculas vecinas o entre átomos en distintas partes de una misma molécula. Por ejemplo, una molécula de agua puede fonnar un puente de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Como resultado, las moléculas se alinean con sus vecinas de manera bastante ordenada (Fig. 2--Sa fi:l). Este puente de hidrógeno entre las moléculas es responsable de la tensión superficial del agua, la fuerza de ab:acdón que hace que el agua fonne gotas esféricas al caer o que se aglutinen cuando se derraman sobre una superficie no absorbente (Fig. 2-Sb}. Estas fuerzas de atracción débiles también dificultan la separación de las moléo.llas de agua, como habrá podido notar al tratar de levantar un vaso húmedo "pegado~ a la superficie lisa de una mesa por una delgada capa de agua.

26

Biomolécu!as

Capítulo 2 Interacciones moleculares

Las fuerzas de van der Waals son attacciones débiles e inespecíficas entre el núcleo de un átomo y los electrones de átomos cercanos. Dos átomos atraídos débihnente por las fuerzas de van del Waals se acercan hasta estar tan plóximos que sus respectivos electrones .comienzan a repelerse. En consecuencia, las fuerzas de van del Waals petmiten que se empaqueten los átomos y ocupen un mínimo de espado. La sola atracción de van der Waals entre átomos es muy débil, pero la suma de fuerzas van der Waals complementan a los puentes de hidrógeno y les confieren a las proteínas su forma tridimensional.

1•1

H

H

H

1 1 ¡

H

1

BIOMOLÉCULAS ,;o

H-e-c-e-c-e 1 1 1 1

H CH3 H NHz

'oH

La leucina, un aminoácidO, es una cadena

flnea! de átomos de carbono con hidrógenos y otros grupos funcionales unidos. {b) La glucosa, <;H1206, tiene un anillo de cínco átomos de carbono y un átomo de oxígeno.

~

H-C-OH ;~;REVISIÓN

Complete los blancos con el tipo de enlace correcto. 12. En un enlace____. los átomos comparten e!e<-

trones y se forma una molé
!a se denomina-----~ 13. Un ión cargado negativamente se denomina ::c:-:c-:c-:C mientras que un ión cargado positivamente se denomina----14. Nombre dos elementos cuya presenda contribuye a que una molécula se vuelva polar.

HOCH2

1

~~'0~1% 1'\'9.·~.~.'. H.,,J ~ .' 1

es igual a

HO ~-~HO 1 1

OH

H OH

En esta notación simplificada,

Esta molécula de glucosa muestra todos su crubonos ehklrógenos

!os carbonos en cada extremo del anillo se omiten, al igual que los hidrógenos unklos a !os carbonos

PREGUNTAS • Escl1ba !a fónnula química de la leucina. • ¿Qué grupos funcionales tienen la leucina y la glUcosa?

15. Sobre la base de sus conocimientos acerca de la ten-

dencia del azúcar común y el acerte vegetal a disolverse en agua, prediga si las moléculas de dichas sustancias son polares o no polares. Respuestas en la p. 49

La mayoría de las moléculas importantes en la fisiología hu-

11 FIGURA 2~6 Fórmulas y estructuras químicas de algunas

moléculas biológicas

La forma molecular está relacionada con la función Los enlaces moleculares, tanto los covalentes como los débiles, cumplen un papel fundamental en la determinadón de la forma molecular. La forma de una molécula, a su vez, está estrechamente reladonada con su fundón. La fórmula química de una molécula, como la fórmula C6H120 6 de la glucosa, da el número de átomos de una molécula, pero no indica qué átomo está liga. do con otro por medio de enlaces covalentes. Una de las formas de notadón química, presentada en la figura 2-6 B, muestra qué átomos comparten electrones. En la molécula de glucosa (Fig. 26b), cinco átomos de carbono y un átomo de oxígeno se unen para formar un círculo cenado o anillo. Los átomos restantes se unen luego a los átomos del anillo. En la molécula de leudna (Fig. 2-6a), cinco carbonos están ligados por enlaces covalentes simples y forman una cadena lineal, con átomos adicionales unidos a la cadena de carbono. Es difícil mostrar en papel la forma tridimensional de una molécula. Los ángulos de los enlaces covalentes entre los átomos serían los responsables de las formas caracteristicas que adoptan las moléculas. Por ejemplo, los dos átomos de hidrógeno de la molécula ~el agua en !á figura 2-Zb están unidos al oxígeno con un ángulo de 104°. Asimismo, los enlaces débiles entre los átomos generan interacdones no covalentes que influyen sobre la forma de la molécula. La doble hélice de una molécula de DNA (véase Fig. 212, p. 33) es una estructura compleja resultante de los enlaces co-

valentes entre átomos adyacentes, y los puentes de hidrógeno entre las dos hebras de la hélice. En la secctón siguiente aprenderá más acerca de !as propiedades y formas características de los ruatro grupos principales de moléculas importantes para la biología.

mana tienen tres elementos en común: el carbono, el hidrógeno y el oxígeno. Los elementos fósforo y nitrógeno también están presentes en muchas moléculas biológicas. Las moléculas que contienen carbono son denominadas moléculas orgánicas, ya que se solía creer que sólo existían en las plantas y los animales o que derivaban de ellos. Las moléculas orgánicas asedadas con los organismos vivientes también son llamadas biom"oléculas. Existen cuatro grupos prindpales de biomoléculas: hidratos de carbono, lípidos, proteínas y nudeótidos. Los primeros tres grupos son utilizados por el organismo para generar energía y como base de los componentes celulares. El cuarto grupo, e! de los nucléotidos, incluye el DNA y el RNA, los componentes estructurales del material genético, compuestos que llevan energía como el adenosín trifosfato (ATP) y compuestos que regulan el metabolismo como el adenosín monofosfato ácUeo (cAMP). Cada grupo de bíomoléculas tiene una composición y estructura molecular característica, y muchas biomoléculas son polímeros: grandes moléculas compuestas por unidades que se repiten {poli- muchas; -rner, parte). Muchas combinaciones de átomos, o grupos funcionales, se dan repetidamente en las biomoléculas. Los átomos de los grupos funcionales tienden a moverse de molécula en molécula como una unidad única. Por ejemplo los grupos hidroxilos, (-OH), comunes en muchas biomoléculas, son agregados o removidos como grupo y no como átomos independientes de hidrógeno y oxígeno. Los grupos funcionales generalmente se unen a las molécu· las por medio de enlaces covalentes simples, representados por una única linea como la que se ve a la izquierda del grupo hidroxilo que se mencionó anteriormente. El cuadro 2-211 presenta un listado de los grupos funcionales más comunes.

~~~~-~

-:-

_- '·

-: _._.-:_._,_----·

',

:,:,._,;,:,'-:_;_ .. --_ -. ·-··._,:

,l~u-~ntos_ef~nes se~-':'~: P.~ft!_id~ del_i6~.hef'!~-de aomo? ¿Cuánto~ defióp_ f!Wa~e_?_t~? _ - .--..::.__·..· · _____ :_ ·

~·~·~··~~ftlltllilia;·~

Los hidratos de carbono son las biomoléculas más abundantes Los hidratos de carbono redben su nombre por su estructura. La fónnula general de un hidrato de carbono es (~0) 0 , lo que indica que por cada carbono hay dos hidrógenos y un oxígeno, que es la misma reladón H : O que se encuentra en el agua. La letra n después del paréntesis representa el número de repetídones de cada unidad CHzO. Para escribir la fórmula de un hidrato de carbono determinado se multiplican los subíndices dentro del paréntesis por n: Cn~Pn· Para la glucosa, CzHn06-' por ejem-~ plo, n es igual a 6. Los hidratos de carbono se presentan como azúcares simples (monosacáridos y d.isacáridos) y como polímeros complejos de glucosa denominados polisacáridos (Fig. 2-711). Los monosacáridos más comunes constituyen la base para los hidratos de 'J carbono complejos y tienen S carbonos, como la ribosa, o seis carbonos, como la glucosa (también llamada dextrosa). Los principales disacáridos están formados a partir de la combinación de glucosa con otro monosacárido. La mayoría de los mono- y los disacátidos pueden reconocerse por la terminación "-osa" de sus nombres.· Todas las células vivientes almacenan glucosa como energía en forma de un polisacárido: glucógeno en los animales, almidón (que pueden digerir los seres humanos) en las plantas, y dextrán en las levaduras y las bacterias. Algunas células también producen polisacáridos con fines estructurales; dos ejemplos de ello son la celulosa en las plantas y la quitina en los animales invertebrados. La celulosa es la molécula orgánica más abundante en el planeta, pero los seres humanos no pueden digerirla y tomar su ene
REVISIÓN ;-16. ¿Verdadero o falso? Todas fas moléculas orgánicas son

biomo!éculas. >

•

Grup~ -ñirid~;;~les ~o~Uri~s Nótese que el oxígeno, con dos electrones para compartir, en ocasiones forma un doble enlace con otro átomo. NOTAOÓN ESTRUCTURA DEl ENLACE

El a;oriio se' pr~nta ~n:~_íve~S'f~·rm_~-¡¿¡;¡~--:~j:·c;ó·m~·qú-~ ll5ualmente_ se e~éuentr_a_ e~~IOs sistem~:-~iol~~~~~ .1:en _tos.,sup!em_entoS_·dietari_os es_~ef Catió~ Crl'". Este-ió~:~_.den~ITd~a triva!ente porque tfene _un á carg'a, neta:de:~3_,:-E\:_cát'ióri_.~exáva--·_ le~te, con una c_arga de +6, se_utmza·eiJ.la. indliStfi~·- por_.eje~ ·-plo, para fabricar acero inoXictclble y para erCron1.lcto de par-,tes metálicas. · · ·

Z1

carboxifo (áddo)

-<:OOH

-e

,yO

'oH Hidroxilo

-OH

-0-H

Amino

-NH 2

-N

/H

'H

-Hi04

Los lípidos son estructuralmente las biomolécu/as más diversas Al igual que los hidratos de carbono, loslípidos son biomoléculas cOmpuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno, pero por regla los lípidos contienen mucha menor cantidad de oxígeno que los hidratos de carbono. Una característica importante de los lípidos es que son no polares y por lo tanto no son muy solubles en agua. Técnicamente, los lípidos son llamados grasas si son sólidos a temperatura ambiente y aceites si son líquidos a temperatura ambiente. La mayoría de los qué provienen de fuentes animales, como la manteca de cerdo o vacuna, son grasas, mientras que los lípidos derivados de las plantas son aceites. Además de los lipidos verdaderos, esta categoría incluye tres tipos de moléculas relacionadas con ellos: los fosfolípidos, los esteroides y los eicosanoides (Fig. 2-811).

OH Fosfato

17. ¿Cuál es la fórmula general de los hidratos de carbono? Respuestas en la p. 49

1

-0-P=O 1

OH

Los lípidos verdaderos y los fosfolipidos son muy similar~s en términos de estructura. Ambos grupos contienen una molécula simple de 3 carbonos llamada glicerol y moléculas largas llamadas ácidos grasos. Los fosfolípidos también incluyen un grupo fosfoto (-H,POJ.

28

Capítulo 2 lnteracdones moleculares

Siomolécu!as

MON_OSAÓÁRIDOS

.

.

LÍPIDOS

.

ÁCIDOS GRASOS Ácido palmftico, un ácido graso saturado HHHHHHHHHHHHHH f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~o Hc-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c-c . 3 1 ¡ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 'oH H H H H H H H H H H H H H H

HOCH 2

HO~f~zJH

OH

~· · · --1-1.-~ ·······~---····

. .· ...• ·.· ·.Sacarosa . -.-v<-...".<>~ {azucarde mesa)

·.J~.-L·-.·

. _ ::-_.Maltosa

-~.-- ._,-' -~:

-[GiüCó8a"'"·:¡.- ~·Fructosa~

,..G~~~;---:;:-G!UcOSa~~

HÜCH~.

HOCH2 '

·

HOCH2 - _:

-~

¡

ÓH Prostaglandina {PGE~

1

H,C

~7~~777777777777 ~o

· HOCH2'

ESTEROIDES

1

Á.cido fioolénico, un ácido graso poliinsaturado

H~;~ :o~~};¿HpH H~ir ~--~¿ ~ O--H H~L·H

1

\'"'

H~-r-c=c-y-c=c-y-c=c-r-r-r-r-r-r-r-~oH

H

H

H

OH

OH

OH

OH

OH

1 GOwol

H H H H H H H

H3C

1+1 Áoklc g<= 1

G

····-:-.-~..----~. . .-~-J~-------.-----~.~-------·::·J..-··---···-;···--...-....-.·;-..·=j---~--;,

lPOLI~ACÁRIDOS ~··

> •.·.• ") • . .. , .•..•·.................

.. :_•· .•.•. ·.· ..··,.

~T ~

. (T 1 Quitina (sólo invertebrados}

Glucógeno

Celulosa

l

Glucógeno

0
/ ,

{ ,

J\ ,

'

MONOGUCÉRIDO CH20H

i@j

Almidón

4''

Moléculas de glucosa

C=O

d?OH

l

Dextrái!

°

' f~ ·. H ¡

__

o

Almidón o

G

0\:lr OVi

1

R

-~

y(

~YU!

Cortiso!

FOSFOLÍPIDOS

1

~ 1 HÁoidog=o

0

e'E'

R

o

'

Ácido graso 1

,~;a ~;Ó ~;Ó 1.:1 oyu- 'Ll or ·ur bY lr/Q ~o0o·0 ~~

mFIGURA 2·8 Lípidos y moléculas relacionadas con los fípidos

Q

los ácidos palmitico y lino!énko se muestran con todos los enlaces y átomos. Para el ácido oleko, otro ácido graso, se presenta la notación que elimina los símbolos para los carbonos y los hidrógenos en el medio de la molécula,

cuanto más insaturada era una grasa menos dañina era, pero estudios recientes sugieren que las grasas monoinsaturadas, como el aceite de oliva, pueden ser las más sanas. Durante años los productores de margarina y aceite de cocina estuvieron orgullosos de promocionar que sus productos tenían un alto contenido de "grasas pollinsaturadas". En la actualidad los nuevos eslóganes publicitarios rezan "¡sin grasas trans!". Las grasas trans son aceites vegetales insaturados a los cuales los productores unen hidrógenos para volverlos más sólidos a temperatura ambiente. Durante años se creyó que estos aceites vegetales hidrogenados en la margarina y la materia grasa vegetal eran más sanos que las grasas animales saturadas de la manteca de a:rdo y de vaca, pero las investigactones recientes indican que las

• Nótese que la única diferencia entre la glucosa y la galactosa es la disposición espacial de !os grupos hidroxi.

§FIGURA 2~7 Hidratos de carbono

Los áddos grasos son cadenas largas de átomos de carbono unidas a hidrógenos, con un grupo carboxilo (-COOH) en un extremo de la cadena (Fig. 2-8). Los ácidos grasos son descritos como saturados si no existen enlaces dobles entre los carbonos (ácido pa!mítico), como monoiruaturados si existe un solo enlace doble en la mo\érula (ácido oleico) o como pollinsaturados (ácido lino!énico) si existen dos o más enlaces dobles en la mo!écu-

1

LJtbÁcidog<= _j

1

1 1

'

¡

" ,!., 'o{,\~o~o~¿& ~

•

'

1

1 CH,

HO

Polímeros: x 100s or 1000s ¡

H

H-C-GHz-C!-!rC~-C-CH3

1

OH

'

~'-OH

(~~~~~~~~f~-~~a_t-:.::·=' ··'

' HáéH~ ---.-:.

1

bOOH

OH

Ácido o!elco, un ácido graso mcooinsaturado e~o

;: ··-~1~-,·.·;~I;s·~¡

····._¡-_."':_:)¡:, .--'.·.·

i·:_DISACÁR!D()S- --- ..-.· :· -.·-- -.

EICOSANOIDES

!

H.H OH

'Fc':H20H

MOLÉCULAS RELACIONADAS CON LÍPIDOSI

GaláctOSa*

Glucosa (dextroSa)

Fructosa

29

la. Por cada enlace doble en un ácido graso, la molécula tiene dos átomos de hidrógeno menos unidos a la cadena. Cuanto más saturado es un ácido graso, mayor es la probabilidad de que sea sólido a temperatura ambiente. Se cree que las grasas saturadas, como las vetas de grasa en la carne vacuna de selección, contribuyen al desarrollo de depósitos grasos que obstruyen las arterias. Durante un tiempo se pensó que ';:

grasas trans pueden contribuir a provocar enfermedades cardiovasculares tanto como las grasas animales saturadas. Para el año 2006, los fabricantes de productos alimenticios de los Estados Unidos deberán indicar el contenido de grasas trans de stJS productos. El glicerol se liga a uno, dos o tres áddos grasos para formar mono-, di- o trtglicéridos. Los triglicéridos (más correctamente denominados triacilgliceroles) son la forma más importante de lipido en el cuerpo humano; más del 90% de nuestros lípidos se presentan de esta forma. Los niveles de trtg!icéridos en sangre también son predictores importantes de enfennedad arterial; el nivel elevado de trig!icéridos en ayunas se asocia con un mayor riesgo de enfermedad.

1

~

Siomoléculas

Capítulo 2 Interacciones moleculares

30

1m FIGURA 2· 9 Niveles de organiza~

J·¡-,

d6n en las moléculas de proteínas

1

. -AM!NÓÁCmoS_-.:---,'~-, ,_ ~~ ---- -- ·- -:_ :------,, ~H ;H-e- R 1

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1

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y pueden tl1lÍm por medio de M1aces ~;wa l'on7l3T

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Protelnas {>100 aminoácidos)

.'~·-,: '

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.P'

Los esteroides son moléculas emparentadas- con los lípidos, cuya estructura incluye cuatro anillos de carbonos unidos (Fig. 28), El colesterol constituye la fuente de esteroides del ruerpo humano y es la base de una g:ra,n cantidad de hornionas. También es un componente importante de las membranas celulares de los animales. tos eicosanoides son áddos grasos modificados de 20 carbonos que se encuentran. enanimáles. Todas estas moléculas contienen un anillo de cinco o seis carbonos que hacen parecer que la larga cadena de carbono se ·pliega sobre Sí misma {Fig. Z.8). Los principales eicosanoides son los tromboxanos, los leucotrienos y las prostaglandlnaS. Como verá en capítulos subsiguientes, los eicosanoides actúan como reguladores de varias funciones fisiológicas. R Eo)ÍI S 1 Ó N

;t';, i';;i51s. Utilice las fórmulas qufmicas dadas para decidir cuál

)jtif'7

de !os siguientes ácidos grasos es el más insaturado: {a) C18H360 2 {b) C¡ 8H340 2

(e) C18H300 2 Respuesta en la p. 49

Las proteínas son las biomolécu/as más versátiles Las proteínas son polímeros constituidos por moléculas más pequefia:s denominadas aminoácidos (Fig'. 2-9 11). En las proteí· nas naturales generalmente aparecen veinte aminoácidos diferen· tes, nueve de los cuales no pueden ser Smtetizados por el ruerpo humano. Estos nueve aminoácidos que deben obtenerse a partir de la dieta se denominan aminoácidos esetidales. En el apéndíce B se incluye una lista de aminoácidos. · También existen algunos aminoácidos que no aparecen en las proteínas pero que cumplen funciones fisiológicas Importantes. Este grupo incluye a la hamodsteína, un aminoácido azufrado que se encuentra normalmente en el organismo pero cuyo exceso se asocia con cardiopatías, el ácido ramtnobutfrico {ácido gammaaminobutírico o GABA), una sustancia quúnica producida por las neuronas, y la creatina, una molécula que almacena energía cuan· do se une a un grupo fosfato. Todos los aminoácidos tienen una estructura básica similar: un átomo de carbono central ligado a un átomo de hidrógeno, un grupo amino, que contiene nitrógeno {-Nffil, un grupo carboxi· lo {-COOH) y un. grupo de átomos designados uR", diferente en

31

cada aminoácido (Fig. 2-9), El nitrógeno ~el grupo amino, hace de las proteínas nuestra fuente principal de nitrógeno a través de la dieta. Los grupos R son bastante variables1 difieren en forma, tamaño y capacidad para formar puentes de hidrógeno o iones. Debido a los diferentes grupos R, cada aminoácido reacciona de un modo único con otras moléculas. Los veinte aminoácidos nombrados se unen para formar polímeros con un número casi infinito de combinaciones, del mismo modo que las letras del abecedario se combinan para crear pala~bras. CUando se unen dos aminoácidos, el grupp amino de uno 1 ·:::.: ••••• Puentes da hidrógeno o de ellos se-une al grupo carboxilo del otro y forman un ·enlace fuerzas de van de; Waals peptídíco. El nombre general que se da a todo polímero de ami+En!aceiónloo noácidos es péptido, utilizado para referirse a un polímero de cualquier extensión, de dos unidades a dos millones de t!nidades. +;=::"'+1Atracción o ~;;,~~:_Jrepulsión iónlca Sin embargo, para conferir cierto grado de especificidad, se utilizan diferentes términos. Si un péptido está compuesto por dos a :@® Puente dísulfuro nueve aminoácidos, se lo denomina oligopéptido (oligo.., pocos). La cadena de diez a 100 aminoácidos se llama polipéptido.la cadena de más de cien aminoácidos se denomina proteína. la secuencia de aminoácidos en una cadena proteica o pepti· dica se denomina estructura primaria {Fig. 2-9). Por ejemplo, la mFIGURA 2·10 Los enlaces no cava/entes mantienen unidas estructura primaria de la hormona liberadora de tirotrofina, un a las moléculas o a partes de _ellas pequeñ.o péptido producido en el cerebro, es la secuencia de amiLos puentes de hidrógeno, los puentes disulfuro, las fuerzas de noácidos ácido glutámico-histidina-prolina. La estructura primavan der Waals y los enlaces iónicos contribuyen a crear la ertruc~ ria de una proteína está determinada genéticamente y es esencial tura terdaria de las protefnas. {Figura adaptada de Molecular para cumplir una función partio.tlar. Por ejemplo, la sustitución Celf Biology 5/e by H. lodish et al.) de un solo aminoácido causa anemia de células falcifonnes, trastomo en el que los eritrocitos no funcionan adecuadamente. ma de las proteínas globulares. la cisteína contiene azufre como Cuando se forma una cadena polipeptídica, ésta adopta una estructura secundaria, que es su disposictón espacial o forma parte de un grupo sulfhidrilo (-SH) (Fig. Z.IO). Dos cisteínas en di· (Fig. Z.9). la estructura secundaria está estabilizada por puentes ferentes partes de una cadena polipeptídica pueden unirse en forma covalente mediante un puente disulfuro (S-S), acercando de hidrógeno entre distintas partes de la molécula. Las formas más comunes de las cadenas polipeptídicas son un helicoide dedistintas secciones de la cadena. nominado a hélice, una cadena p, cuyos ángulos de enlace forLas proteínas globulares son solubles en agua. Actúan como man un zigzag en lugar de un helicoide, ygiros pen forma de hortransportadoras de los lípidos insolubles en la sangre, uniéndose quilla. En un polipéptido, las cadenas pfre<:uentemente se uneO. a los lípidos y volviéndolos solubles. También funcionan como en hojas plegadas una junto a la otra. Las proteínas con función 'enzimas que aumentan la velocidad de las reacciones químicas. Las proteínas solubles también actúan como mensajeras de céluestructural pueden estar compuestas casi por completo por hojas plegadas ya que esta configuración es muy estable. Otras proteíla a célula en forma de hormonas y nemotransmisores y como nas combinan hojas con hélices y giros. · moléculas de defensa para combatir a invasores externos. La forma tridimensional de una proteína es su estructura terSi se asocian varias cadenas de proteínas para formar una prociaria. Las proteínas se dasificari en dos grandes grupos: fibrosas teína .funcional, se dice que la proteína tiene una estructura cuay globulares. Las proteínas fibrosas se presentan como hojas Ple- ternaria (Fig. 2-9). la hemoglobina, el pigmento transportador gadas o en cadenas largas de hélices. Estas proteínas no .son solu~ de oxígeno de los eritrocitos, es el ejemplo clásico de una proteí· na con estructura cuaternaria. La molécula de hemoglobina tiene bies en agua y constituyen componentes estructurales importano.tatro subunidades, lo que la convierte en un tetrámero. tes de las células y toS tejidos. Algunos ejemplos son el rolágeno, proteína fibrosa que se enruentra en distintos tipos de tejido conectivo, y la queratina, proteína fibrosa presente en el pelo y las uñas. "· R.EVIS 1 ÓN ;(;;_''t/19. ¿Cuál es !a fórmula qufmica de un grupo ami no? ¿Y la Las proteínas globulares tienen caden~ de aminoácidos que se 'de un grupo carboxilo? pliegan sobre sí mismas para crear una estructura texctaria compleja que contiene bolsillos, canales o protuberancias. la estructura 20. ¿Por qué debemos induir aminoácidos esenciales en nuestra dieta pero no otro tipo de aminoácidos? terciaria de las proteínas globulares surge en parte de los ángul_os de los enlaces covalentes entre los aminoácidos, y en parte de los 21. ¿Qué aspectos de la estructura de !as protefnas les puentes de hidrógeno, las fuerzas de vander Waals y~os enlaces iópermiten tener más versatilidad que a los lípidos o a !os hidratos de carbono? nicos qUe estabilizan la estructura terciaria (Fig. 2-10 lf!). Fl aminoáRespuestas en !a p. 49 cido ctsteína también desempeña un papel importante en la foz-

::~~

1

~ 32

Biomoléculas

Capítulo 2 Interacciones moleculares

33

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1

oompueslt)pr¡r

adenina-timina {1:1) Pares de bases complementarias

N~.C'CH 1

REFERENCIAS IT:]Adenina

o

HOC~H

"

I.IillTmina

-o-P-OH

11

{?{3td!Guanina

1

o-

HC-:::-N...-CH HO

~Citosina

OH

.ElliljUracllo

..... Puentes de hidrógeno {a) Modelo en cinta de DNA

(e) Modelo en cinta estilizado deDNA

(el) Modelo en cinta estilizado de RNA

m FIGURA2-12RNAyDNA

Nlcollnamlcla

g¡ AGURA 2~11 Nudeótidos y ácidOs nudeicos

Algunas moléculas combirian hidratos de carbono, proteínas y lípídos No todas las biomoléculas son proteínas puras, hidratos de carbono puros o Upidos puros. Las proteínas conjugadas son moléculas proteiCas combinadas con otros tipos de biomoléculas. Las proteínas se combinan con los lípidos y forman lipoproteí· nas. Las lipoproteínas se encuentran en las membranas celulares y transportan moléculas hidrófobas, como el colesterol, en la sangre, Una molécula glucosilada es aquella a la que se ha unido un hidrato de carbono. Las proteínas se combinan con hidratos de carbono y forman glucoproteínas, y los lípidos se unen a los hidratos de carbono y forman glucolípidos. Las glucoproteínas y" los

glucolipidos, al igual que las lipoproteínas, son componentes im· portantes de las membranas celulares (v~ cap. 3).

Los nucféotidos transmiten y almacenan energía e información Los nudeótidos cumplen una labor fundamental en muchos procesos celulares, que incluyen el almacenamiento y la transrni· sión de inforinación genética y energía. Un nudeótido es una molécula compuesta por. 1) uno o más grupos fosfatos, 2) un azú. carde cinco carbonos y 3) uria estructura anular de carbono y nitrógeno llamada base nitrogenada (Flg. 2·11 8). Cada nudeótido contiene uno de dos posibles azúcares: el azúcar rlbosa de dn· co carbonos o la desoxirribosa, es decir una molécula de rlbosa

menos un átomo de oxígeno. Existen también dos tipos de bases . nitrogenadas: las purinas y las pirimidinas. Las purinas tienen una estructura anular doble, mientras que las pirlmidinas tienen. un solo anillo. Hay dos purinas, la adenina y la guanina, y tres pirimidinas, la dtosina, la tlmina y el uracilo. Los nucleótidos más pequeños incluyen los compuestos trans-misores de energía ATP (adenosintrifosfato) y ADP (adenosindifosfato) {Fig. Z..ll). Un nucteótido relacionado a éstos es el AMP áclico (adenosinmonofosfato dclico o cAMP), una molécula importante para la transferencia de señales entre el líquido extrace. lular y la célula. Otros nudéotidos que participan en la transferencia de energía son el NAD (nicotinamida aden.ina dinudeótido) y el FAD (fl.avina adenina dinud~tido). El DNA (ácido desoxirribonucleico) y el RNA (ácido .ribonudeico) son polímeros de nucleótidos, o ácidos nucleicos, que almacenan infomiación genética dentro de la célulá y la transmiten a futuras generaciones de células. Ambos polímeros están formados por nudéotidos unidos en cadenas largas, similares a las largas cadenas de aminoácidos de las proteínas. El azú. car de un nucleótido se liga al fosfato del siguiente y crea una cadeQ.a, o esqueleto, que alterna grupos azúcar-fosfato-azúcar-

fosfato. Las bases nitrogenadas se ubican a un lado de la cadena (Fig. 2·12 m). En las moléculas de DNA se encuentran cuatro bases nillogenadas: adenina, guanina, citosina y timina. En el &'fA la base nitrogenada uracilc reemplaza a la timína pre. sente en el DNA. El RNA adopta la forma monocatenarla, aunque se une temporalmente al"DNA mientras se crea nuevo RNA. la molécula de DNA es una doble hélice, una estructura tridimensional que se for· ma cuando dos cadenas de DNA se ligan pOr medio de puentes de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. Véase en la figura 2-12 que las bases de purina son más grandes que las bases de pirimidina. Debido a limitaciones de espado, los pares debases del DNA siempre son de una purlna y una pirimidina. Otra restricción es que la adenina (A) siempre está en par con la timi~ na (T), y la dtosina (C) con la guanina (G). Estos pares de bases (A-T y G-C) mantienen la forma espiralada de la doble cadena del DNA. La formación de los pares de bases y la replicación del DNA se resumen en el apéndice B. La figura2-131ID resume los conceptos de química ybioquímica que encontrará a medida que avanza en el estudio de la fisiología".

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34

Capítulo 2 !nteracdones molea.~lares

Soluciones acuosas, ácidos, basl$ y amortiguadores de pH

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A partir ~e esta _infofÍnadóti, _{p_ued~,condUirRUe Já._f~{!!f'!_ ·,-< hexavafente y fa trivalent'e 'de cromO son -igualmente tóXiCáSi..-

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Cloruro de sodio en solución

Moléculas deag~

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1

SOLUCIONES ACUOSAS, ÁCIDOS, BASES Y AMORTIGUADORES DE·pH La vida tal como la conocemos se desarrolla en soluciones basadas en agua, o aauJsas, que se asemejan a la composición iónica del agua de mar diluida. El cuerpo humano está constituido en un 60% por agua. Los principales iones de los líquidos corporales son Na+, K+y ct; otros iones aparecen en una proporción menor. Todas las moiWllas y componentes celulares se disuelven o están suspendidas en estas soluciones salinas. En consecuencia,~ útil' comprender las propiedades de las soluciones.

No todas las moléculas se disuelven en soludones acuosas Las sustancias que se disuelven en un líquido son conocidas como solutos y los líquidos en los cuales se disuelven- son denominados Solventes. La combinación de ·sotutos disueltos en un solvente recib~ el noÍnbre de solución. En las soluciones biológi· cas, el agua es el solvente universal. El grado en el cual una molécula puede disolverse en un sol· vente representa la solubilidad de la molécula: a mayor facilidad de disolución, mayor solubilidad. Las moléculas que se disuelven rápidamente en agua se llaman hidrófilas. La mayor parte de ellas son molWllas polares o iónicas, cuyas regiones positivas y negativas intenctúan rápidamente con las moléculas polares del agua (Fig. 2-14m). Las moléculas que no se disuelven :rápidamente en agua son las llamadas hidrófobas. Éstas tienden a ser moléculas no polares incapaces de formar puentes de hidrógeno con las motécut~ de agua.

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1i1 FIGURA 2-13 Resumen de quimica

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mRGURA 2·14 El cloruro de sodio se disuelve en agua la interacdón con las moléculas polares de agua rompe los enla-

ces Jónicos que mantienen unidos a los cristales de NaCI. Los lípidos (grasas y aceites) son el grupo más hidrófobo de las moléculas biológicas. No pueden interactuar con las moléculas de agua cuando se colocan en soluciones acuosas y tienden a formar capas separadas. Un ejemplo muy usual es el aceite de la ensalada que flota sobre el vinagre en la botella de aliño para ensaladas. Para que las moléculas hidrófobas puedan diluirse en los líquidos corporales, deben combinarse con una molécula hidrófila que pueda transportarlas efectivamente en la solución. Por ejemplo, el colesterol, una grasa animal comúp, es una molWlla hidrófoba. La grasa de un trozo de carne que cae en un vaso de agua tibia flota en la superficie sin disolver.;e. Del mismo modo, el colester~! no se disuelve en la sangre excepto que esté combinado con moléculas transportadoras especiales solubles en agua. Además de constituir el medio para las sustancias disueltas, el agua tiene otras propiedades que afectan el funcionamiento del cuerpo humano. La tensión superficial del agua, que se analizó en la p. 25, es fundamental en la función pulmonar, como podrá ver en el capítulo 17. El agua también tiene la capacidad de capturar y almacen~ irandes cantidades de calor. Esta propiedad de retener calor es importante en la pérdida de temperatura corporal a través del sudor. F.l control deJa temperatura en el cuerpo humano se analiza en el capítulo 22.

Existen varias formas de expresar fa concentración de una solución La concentración de una solución·es la cantidad de soluto por unidad de volumen d!: solución. En fisiología, existen muchas formas diferentes de expresar la concentración. La cantidad de soluto puede describirse como la masa de soluto antes de disolverse o como el número de moléculas o iones de soluto en la solución. La masa generalmente se indica en _gramos (g) o miligramos (mg). El número de moléculas de soluto se expresan en mo-

1

r 36

Soluciones acuosas, ácidos, bases y amortiguadores de pH

Capítulo 2 Interacciones mole<:ulares

!es (mol), y el de iones de soluto en equivalentes {eq). El volumen generalmente se expresa en litros (L) o mililitros {mL). _:_ce'

REVISIÓN ,§_22, ¿Por qué !a sal común de mesa (NaCO se disuelve en · agua?

contiene 6,02 x IQZ3 moléculas de glucosa por litro. Seuea al disolver un mol (180 gramos) de glucosa en suficiente cantidad de agua para producir un litro de solución. Las soluciones biológicas típicas son tan diluidas que la concentración de solutos generalmente se expresa en millmoles por litro (mmol{L o mM). Un milimol es 1/1 000 de mol.

23. ¿Cuáles son los dos componentes de una solución?

24. ¿Cuáles se disuelven más fácilmente en agua, las molé-

culas polares o las no polares? 25. Una molé<:ula que se disuelve fácilmente en agua se denomina hidró•---~ 26, la concentración de una solución se expresa como:

a.la cantidad de solventeivolumen de so!uto. b. la cantidad de soluto/volumen de solvente. '-la cantidad de solvente/volumen de solución. d. la cantidad de soluto!Volumen de solución Respuestas en la p. 49

Moles Un mol es igual a 6,02 x 1()23 átomos, iones o moléa.Uas de una sustancia. Es decir, un mol de una sustancia tiene el mismo nú. mero de partículas que un mol de cualquier otra sustanda, al Igual que una docena de huevos tiene el mismo número de elementos que una docena' de rosas. Sin embargo, la masa de 1 mol de una sustanda depende de la masa de las partículas individuales. Masa molecular A partir de la fórmula química de una molécula se puede calcular la masa molecular, es decir, la masa de una molécula expresada en unidades de masa atómica, o más comúnmente, en daltons (donde, como se explicó anteriormente en el capítulo, 1 uma = 1 Da). Para calcular la masa molecular se multiplica la masa atómica de cada elemento en la molécula por el número de átomos del elemento en la molécula y luego se suman los resultados. Por ejemplo, la masa molecular de la glucosa, CJI 1p 61 se calcula de la siguiente manera: -ELEMENTO

carbono Hidrógeno Oxígeno

NÚMERO DE ÁTOMOS

X

MASA ATÓMICA DEL ELEMENTO

12,0 urna ::: 72,0 - 1,0 urna = 12,0 16,0. urna = 96,0 SUM =: 180,0 urna Masa molecular de fa glucosa.=. ~80 Da 6 12 6

La masa de un mol de una sustancia es igual a la masa atómica o molecular de la sustancia expresada en gramos. Este valor se denomina masa molecular en gramos. Por ejemplo, la masa molecular de la glucosa es Í80 daltons. Por lo tanto, un mol de glucosa (es decir, 6,02 x 1023 moléculas de glucosa) tiene una masa de 180 gramos. Un mol de NaCJ, con el mismo número de moléculas, tiene una masa de sólo 58,5 gramos.

Equivalentes Las concentraciones de iones en ocasiones se expr~ san como equivalentes por litro y no en moles por litro. Un~­ valen te (eq) es igual a la molari.dad de unión multiplicada por el número de eargas que porta el ión. El ión de sodio, con carga de +1, tiene un equivalente por mol. El ión de caldo, CaZ+, tiene dos equivalentes por mol. La misma regla es válida para los iones car· gados negativamente. El ión cloruro (Cl·) tiene un equivalente por mol, y el de fosfato de hidrógeno (HPOl·) dos equivalentes por mol. Un miliequivalente {meq) es 1/1 000 de un equivalente. Los miliequivalentes son útiles para expresar la concentración de soluciones biológicas diluidas. Muchas mediciones clínicas, como la concentración de iones de sodio en sangre, se informan en mí· liequivalentes por litro (meq/L). Peso/volumen, volumen/volumen y soluciones porcentuales En el laboratorio o en la farmacia, los científicos no pueden medir los solutos en moles. En su lugar, utilizan la medición más convencional del peso. la concentración de soluto en una solución preparada en esta forma se puede expresar como porcentaje de la soludón total, o solución porcentual. Una solución al10% significa 10 partes de soluto por cada 100 partes de solución tvto.l. Si el soluto es habitualmente sólido a temperatura ambiente, la solución porcentual se expresa en peso de soluto por volumen de solución. Una solución de glucosa al S% tiene 5 gramos de glucosa disuelta en agua para un volumen final de 100 mL de solución. Si el soluto es liquido a temperatura ambiente, como el áddo clorhídrico concentrado, la solución se prepara a partir de·mediciones volumen/Volumen. Para hacer 0,1% HCI, por ejemplo, se agrega 0,1 mL de áddo concentrado en suficiente cantid
,il Calcule la masa mo!eaJ!ar del agua, H20. ·.<:··ia. ¿Cuánto pesa un mol de KCI?

·

29. tQué solución es más concentrada~ una solución de glucosa de 100 mM, o una solución de glucosa de O, 1

M? Molaridad Las concentractones de las solución en biología fre. cuentemente se expresan como molarldad, el número de moles de soluto por litro de soludón. La molari.dad se abrevia como mol/Lo M. Una soludón uno molar de glucosa (1 mol/L, 1 M)

30. Al preparar una solución de glucosa al 5%, ¿por qué no se miden S gramos de glucosa y se agregan a 100

ml de agua? Respuestas en la p. 49

La concentradón de iones de hidrógeno en el

37

1 MNaOH

cuerpo se expresa en unidades de pH Uno de los solutos iónicos más importantes del cuerpo es el ión de hidrógeno, H+.la concentración de H+ en los líquidos corporales determina la addez del cuerpo, un parámetro fisiológico que está estrechamente regulado debido a que el H+ en solución puede interferir con la formación de los puentes de hidrógeno y las fuerzas de van del Waals. Estos puentes sori responsables de las formas de muchas moléculas importantes, y si se rompen Jos puentes, se puede modificar la forma de una molécula .Y por lo tanto, destruir la capaddad funcional de dicha molécula. ¿De dónde provienen los iones de hidrógeno de los líquidos corporales? Algunos de la separación de las moléculas de agua {lizO) en iones de H+yoH-. Otros provienen de moléculas que li· beran H+ al disolverse en agua. La molécula que aporta H+ a una solución se llama ácido. Por ejemplo, el áddo carbónico es un ácido produddq por el cuerpo a partir de co2 (dióxido de carbono) yagua. En solución, el áctdo carbónico se separa en unión de bicarbonato y un Ión de hidrógeno:

Removedores quimicos del vello

.

~Compatible con la v'«
Nótese que cuando el H+ es parte de la molérula intacta de áci· do carbónico, no contribuye a la addez. S6lo el W libre a{ectilla roncentrad6n de W y por ende la addez. Algunas moléculas disminuyen la concentración de H+ de una solución al combinarse con el H+ libre. Estas moléculas se llaman bases. Las moléculas que producen iones de hidróxido, OH-, en _ soluctón son bases porque el hidróxido se combina con H+ para formar agua:

H.:O

Otra molécula que actúa como base es el amotúaco, NH31 que reacciona con el H+ libre para formar un ión de amonio: NH3 +H+:;:::::: NH/ la concentración de H+ en los líquidos corporales se míde en términos de pH. la expresión pH significa "potenda de hidrógeno" y se calcula con el logaritmo negativo de la concentración de ión de hidrógeno: pH = -log [H+J ( ~ apéndice B de logaritmos). Los corchetes en el símbolo del soluto representan la notadón para la "concentración": [H+J =concentración de ión de hidrógeno. Otra forma de escribir la ecuación del pH es pH = log {lf[H+]). Esta ecuación indica que el pH está inversan¡.ente relacionado con la concentración de H+. En otras palabras, a medida que a~en­ ta la concentradón de H+, disminuye el pH. El pH de una solución se mide en una escala numérica del Oal14. El agua pura tie. ne un pH de 7,0, es decir que la conceritración de H+ es 1 x 10·7 M. El agua es considerada neutra. Las soluciones que.han ganado H+ de un ácido tienen concentraciones de H+ mayores que la concentración 1 x 10·7 Mdel agua. Debido a que la {H+] está inversa· mente relacionada con el pH, las soluciones ácidas tienen un pH menor de 7. Las soluciones que han perdido H+ a favor de una base tiE;Den concentraciones de H+ menores que la d~ agua; dichas

.

'

C02 +~O :o= HzC03 {áddo carbónico):;::::=! H+ + HCO;

H++OH-=<=

1 .

- S~ooes pancreáticas

PREGUNTAS • Cuando el cuerpo se vuelve más ácido, ¿el pH aumenta o disminuye?

o¿Por qué fa orina. !os jugos gástricos y la saliva pueden tener valores de pH fuera de la estala compatible con la vida y ser parte da un cuerpo vivo? i1 FJGURA2·15 Escala de pH Esta escala !ogaritmka es una medida de la concentradón de ión

de hidrógeno, {W]. Por ejemplo, a un pH de 14, [W] = 10"14 mo· !estrrtro. · soluciones se denominan soluciones.básicas o alcalinas, y tienen un pH mayor de 7. Recuerde que, debido a que el pH se relaciona directamente con el reáproco de la [H+], a medida que aumenta la concentración de ión de hidrógeno dimínuye el valor de pH. La escala del pH es logarítmica, es decir que el cambio de una unidad en el valor de"pH indica un aumento o disminución de 10 veces en la concentración de ión de hidrógeno. Por ejemplo, si el pH de una solución se altera de pH 8 a pH 6, se ha produddo un aumento de 100 veces (102o lOx 10) en la concentración de H+. La 'figura 2-15 mmuestra la escala de pH y los valores de pH de varias soluciones. El pH normal de la sangre en el cuerpo humano es de 7,40, levemente alcalino. La regulación del pH corpo· ral dentro de una estrecha franja de valores es fundamental, ya

38

Interacciones proteicas

Capítulo 2 lnteracdones moleculares

Si bien las proteínas solubles son muy_ variadas, comparten al-

INTERACCIONES PROTEICAS

gunas características comunes. Todas se Ugan a otras moléculas

la historia dcl Human Gerwme Proyect (véase capítulo 1) ilustra cómo ha evolucionado nuestra concepción acerca del papel que rumplen las proteínas en la biología. En 1990, cuando se inició el Human Genome Proyect, el DNA era la moléCula que permitiña revelar todos los secretos de la vida. Sin embargo, con el avance del

por medio de interacciones no covalentes similares a las que se ilustran en la figura 2-10. La unión, que se produce en un lugar específico de la molécula de la proteína y se denomina sitio de unión, presenta especificidad, afinidad, competencia y saturación, propiedades que se analizarán luego. Parn el caso de las proteínas en las cuales su unión activa e inicia un proceso (enZimas, transportadores de membrana y receptores), es posible considerar la velocidad de actividad del proceso y los facto_res que modulan, o alteran, dicha velocidad.

proyecto, los científicos descubrieron que la seruenda de nudeótidos en una hebrn de DNA podría dirigir la síntesis de muchas proteínas diferentes. En consecuencia, el énfasis de las Investigaciones actuales se ha trasladado al equivalente proteico del genoma, el pro. teoma. La Human Proteomics lnitiative es un emprendimiento ambicioso para catalogar la estructura y la función de todas las proteínas del cuerpo humano (http,f/us.expasy.org/sprot/hpi~. Un supuesto de este proyecto es que, si los científicos descubren qué proteínas se enruentran en el cuezpo humano, podrán crear modelos para predecir sus funciones e intetacdones. Como ya se mendonó antes en este capítulo, las proteínas son los ucaballos de batallan del cuerpo humano. Aquellas que no son solubles en agua son componentes estructuiales fundameittales y se considernn en detalle en el siguiente capitulo. La mayoría de las proteínas solubles pueden clasificarse en una de las sie- ·~· te siguientes categorías:

1

Las proteínas son selectivas respecto de las moléculas a las cuales se unen Toda molérula que se una a otra se denomina ligando. Los li· gandos que se unen a enzimas y transportadores de membrana también reciben el nombre de sustratos. Las moléculas de señal proteica y los factores de transcripción proteicos son Ugandos. Las lnmunoglobulinas se unen a Ugandos, pero el complejo·inmunoglobulina-ligando luego se convierte en un ligando, como podrá ver eil el capítulo 24. La unión de los ligandos requiere romplementariedad molicular, es decir que el ligando y el sitio de unión sean compatibles. En la unión de proteinas, cuando el ligando y la proteína se acercan, las interacciones no covalentes entre el ligando y el sitio de unión de la proteína permiten que las dos moléculas se liguen. A partir de estudios de enzimas y de otras proteínas, los científicos han descubierto que el. sitio de unión de una proteína ylafonnade su . ligando no necesitan adaptarse con exactitud. Cuando el sitio de unión y el ligando se acercan, comienzan a internctuar por medio de los puentes de hidrógeno, los enlaces iónicos y las fuerzas de van der Waals. El sitio de unión de la proteína luego modifica su forma (ron{ormad6n) para adecuarse con más exactitud al ligando. La Figurn 2-16!i:l presenta este modelo interactivo (ad$1-ptación inducida) de la interacción proteína-ligando.

l. Enzimas. Algunas proteínas actúan como enzimas que aceleran las reacciones químicas. Las enzimas desempeñan

que un pH sanguineo más ácido de 7,00 (pH < 7,00) o más alcalino que 7,70 (pH rel="nofollow"> 7,70) es incompatible con la vida. Los amortiguadores de pH son un factor pñmotdial de la capaddad del cuerpo humano para mantener el pH normal. Un amortiguador de pH (buffer) es una sustancia que modera los cambios de pH. Muchos amortiguadores de pH contienen aniones con fuerte afinidad por las moléculas de H+, Cuando se agrega H+ libre a una solución amortiguadora de pH, )os aniones se enlazan con el W y minimizan todo cambio de pH. El anión bicarbonato, HC03-, es un importante amortiguador de pH del cuerpo humano. I.a siguiente ecuación muestra cómo una solución de bicarbonato de sodio actúa como amortiguador de pH cuando se agrega ácido clorhídrico (HCl). Cuando se locoloca en agua, el HCl se disocia en H+ y e¡- y genera una concentración alta de H+ (bajo pH). Sin embargo, cuando el HCI se disocia en una solución de bicarbonato de sodio,_ algunos de los iones de bicarbonato se combinan con algunos de los iones de ff+ para formar ácido carbónico no disociado. Al "atar" de esta manera el W agregado se evita que la concentración de H+ de la solución cambie significativamente, lo que minimiza el cambio de pH. H+ + ct + HC03 +Na+:;::::::! HzC03 + CI- +Na+ Áddo clorhídrico

.Bicarbonato de sodio

Áddo carbónico

aorurode rodio (sal de mesa)

EVISIÓN 3t. ¿Qué debe hacer una moléw!a, cuando se disuelve en agua, para ser clasificada tomo un ~ddo?

32. ¿E! pH es una expresión de !a concentración de qué en una so!udón?

una labor importante en el metabolismo, tema de estudio del capítulo 4. 2. Transportador de membrana. Las .proteínas de las membranas celulares contribuyen a trasladar sustancias entre los compartimentos intra· y extracelular. Estas proteínas pueden formar canales en la membrana celular o ligarse a . moléculas y transportarlas a través de ella. Los transportadores de membrana de analizan en detalle en el capítulo 5. 3. Moléculas de señal. Algunas proteínas y péptidos más pequeños actúan como hormonas y otras moléculas de señal. Estas moléculas se describen en el capítulo 6. 4. Receptores. Las proteínas que se unen a moléculas de~ e inician la respuesta celular se denominan reaptores. &tos Se presentan junto con las moléculas de señal en el capítulo 6. S. Proteínas de unión. Estas proteínas, presentes fundamentalmente en el líquido extracelular, se unen a moléculas y las transportan a través del cuerpo humano. Los ejemplos que se encontrarán en este texto incluyen la hemoglobina, que transporta oxígeno, y las proteínas. de unión al colesterol, como el LDL {llpoproteína de baja densidad). 6. Proteínas reguladoras. Las proteínas ieguladoras inician y terminan Jos procesos celulares o los incrementan o disminuyen. Las proteínas reguladoras cOilocidas como facúJres de transcripción se unen al DNA y alter;m la exp~ón génica y la síntesis proteica. Los textos de biología celular analizan los detalles de estos procesos. 7. Inmunoglobulinas. Estas proteínas inmunitarias extracelulares, también llam~das anticuerpos, contribuyen a proteger el organismo. El capítulo 24 reseña las funciones inmunitarias.

39

Especificidad proteica La capacidad de una proteína de unirse a ciertos ligandos o a un grupo de ligandos relactonados se denomina especificidad. Algunas proteínas son muy específicas para los ligandos a los cuales se unen, mientras que otras se unen a grupos enteros de molérulas. Por ejemplo, las enzimas conoddas como peptidasas se unen a polipéptidos y rompen los enlaces peptidicos independientemente de los dos aminoácidos que estén unidos por dichos enlaces. Las peptidasas, por ende, no son con~ siderndas muy espeáficas en su acción. Por el contrario, las ami· nopeptidasas, cjue también rompen los enlaces peptídicos1 son más específicas dado que sólo se unirán a un extremo de la cadena de proteínas (el extremo con un grupo amino no unido) yactuarán sobre el enlace peptídico terminal. Afinidad El grado en el que una proteína se une a un ligando se denomina afinidad de la proteína por el ligando. Un ligando por el cual una determinada proteína tiene alta afinidad tendrá más probabilidad de unirse a la proteína que un ligando por el cual la proteína tiene baja afinidad. Esto se puede expresar con la misma notación que la utilizada para representar reacciones químicas: P+L:;::=:!PL donde pes la proteína, Les el ligando y PL es el complejo proteínaligando. La doble flecha indica que la unión es reversible. Las reacqf)nes reversibles de unión llegan a un estado de equilibrio, donde lá velocidad de unión (P + L~ PL) es exact
•..,

= [P)[L)

[PL)

Los córchetes indican que se deben tener en cuenta las concentraciones de la proteína y del ligando y la concentración del complejo proteína-ligando. En las reacciones de unión de proteínas, donde la ecuación es además una representación cuantitativa de la afmidad de unión de la proteína por el ligando, la constante de eqtúlíbrío también se llamaa constante de disociación (K,J: [P)[L) K,= [PL]

Utllizando el álgebra para reordenar la ecuación, también se puede expresar como: [PL) ·• [P)[L) K, A partir del reordenamiento de la ecuación podrá notar que, Modelo Interactivo {adaptación Inducida} En este modelo de unión proteica la forma del sitio de unión no se adecua de modo exacto a la forma de los ltgandos.

llll AGURA 2·16 Modelo interactivo (adaptadón indudda) de

la urión protelna·ligando

Respuestas en p. 49

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cuando K¡t es grande, el valor de {PL] es pequei'io. En otras palabras, una constante de disociadón K<.l giande implica baja unión de la proteína y el ligando, y puede decirse que la proteína tiene baja afinidad por el ligando. Ala inversa, una E\i pequeña es una constante de disociación menor e implica un mayor valor de {PL], lo cual indica una mayor afinidad de la proteína por el ligando. Si la proteína se une a varios llgandos relacionados, la comparnción de sus valores K¡t indicará cuál de los ligandos tiene más

~

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40

Interacciones proteicas

Capítulo 2 Interacciones moleculares

probabilidad de unirse a Ia proteína. Los llgandos relacionados competirán por los sitios de unión, por lo que se dice que son competidores. La competencia entre ligandos es tma propiedad universal de la unión de las proteínas. Los ligandos que remedan a otros se denominan agonistas. Los agorustas pueden encontrarse en la naturaleza, como la nicotina, la sustancia química presente en el tabaco, que imita la actividad del neurotransmisor acetilcolina al unirse al mismo receptor proteico. Los agonistas también pueden sintetizarse utilizando lo que los científicos han aprendido del estudio de los sitios de unión de proteína-ligando. La capacidad de las moléculas agonis· tas de imitar la actividad de los Iigandos de la naturaleza ha per-

8 quimotripsinógeno es la forma inactiva de la enzima.

Activación por remoción de fragmentos peptfdicos

mitido el desarrollo de muchos fármacos.

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Un inh!bldor competitivo bloquea • "'""'~'. ,;.., • '"" ,, ,;&>.

molécula candidata A tiene una !{,¡ de 4,9 para el receptor, La molécula B tiene una Kd de 0,3. ¿Qué molé-

(Uia tiene mayor posibilidad de ser usada como fárma· co? Respuesta en !a p, 49

La afinidad de una proteína por un ligail.do no siempre es constante,· Factores químicos y físicos pueden modular Ja.afiní· dad de unión o incluso eliminarla por completo. Algunas p!()teí· nas deben ser activadas antes de que su sitio de unión sea funcionaL En esta sección se analizan algunos de los procesos que han evolucionado para permitir la activación, modulación e inactiva· dón de la unión proteica.

Jsoformas Las proteínas estrechamente relacionadas cuya función es similar pero cuya afinidad por los ligandos es diferente se denominan isoformas. Un ejemplo de isoformas que se verá más adelante en este texto es Ia hemoglobina, proteína transportado· ra del oxígeno. La molécula de hemoglobina tiene una estructura cuaternaria Compuesta por cuátro subunidades (véase Fig. 2-9). En la isoforma de hemoglobina presente en el feto en desarrollo, las subunidades son dos cadenas o: y dos cadenas 'f· Apoco del na· dmiento, las moléculas de hemoglobina retal se degradan y son reemplazadas por hemoglobina adulta, Una isoforma cuyas subunidades son dos cadenas o: y do.s _cadenas ~ en reemplazo de las dos cadenas y. Si bien ambas isoformas se unen- al oxígeno, la isoforma fetal tiene may~r afinidad-por él. Activación Algunas proteinas están inactivas cuando son sintetizadas en la célula. Antes de poder activarse, unas enzimas deberán quitar una o .más porciones de la molécula (Fig. 2-17 B). Las hormonas proteicas (una clase de molécula de señal) y las enzimaS son dos grupos que comúnmente experimentan dicha activad6n proteolítica (lisis, liberar)._ Las formas inactivas de estas proteínas se identifican frecuentemente con el pr~jo pro-, por ejemplo prohormona, proenzima, proinsulina. Algunas enzimas inactivas agregan el sufijo --6geno al nombre de la enzima activada, como en el caso del quimotripsfnógeno. La activación de algunas proteínas requiere la presencia de un cofactor, unión o grupo funcional orgánico pequeño. Los cofac.

lnhibidor irrever>ible

Se une a! sitio de unión y no p~ede ser desplazado

Modulador a!ostérico

Se une a la proteína fuera del sitio de

4::;,..

para que se una a un receptor celular especifico. La

La quimotripsina, enzima activa, tiene 3 cadenas unidas por puentes disu!furo (S- S).

Múltiples factores pueden alterar la unión proteica

¡¡¡¡FIGURA 2~19/nhíbición competitiva

Modulador covalente

Forma un enlace covalente con la protef· na y modifica la actividad. Ejemplo: gru· pos fosfato

pH ytemperatura

Modifica la forma tridimensional de la enzima por ruptura de los puentes de hidrógeno o $-S; puede ser irreversible si la prote!r:ta se d~naturalizil

competición. Los agentes antagonistas han resultado útiles para el tratamiento de diversas enfennedades. Por ejemplo, el tamoxifeno, un antagonista del receptor de estrógeno, se utiliza para el tratamiento de formas de cáncer de mama dependientes de hor· monas. Los moduladores al~téricos o covalentes pueden ser antagonistas o activadores. Los moduladores alostéricos (al/os, otro¡ ste· reos, sólido) se unen a una proteína fuera del sitio de unión y, al hacerlo, cambían la forma del sitio {Fig. 2-20 m). Los inhibicWres alostéricos son antagonistas que disminuyen la afinidad del sitio de unión para ~ ligando e inlnben la actividad de la proteína. Los activadores alostéricos aumentan la probabilidad de unión proteína-ligando y potencian la actividad proteica. En el capítulo 18 se estudiará cómo-la capacidad de unión al oxígeno de la hemoglobina cambia con la modulación alostética del dióxido de carbono, del H'" y de muchos otros factores. Los moduladores covalentes son átomos o grupos fundoila· les que se unen a una proteína mediante enlaces covalentes y afectan las propiedades de dicha proteína. Al igual que los modo· !adores alostéricos, los moduladores covalentes pueden aumentar o disminuir la capacidad de unión o la actividad proteica. Uno de los moduladores covalentes más comunes es el grupo fosfato. Muchas proteínas de la célula pueden ser activadas o- inactivadas cuando un grupo fosfato fonna un enlace covalente con ellas, proceso que conoce como fosforilaci6n. Uno de los moduladores químicos mAs conoddos es el antibiótico peniciUna. Alexander Fleming descubrió este compuesto en 1928, al observar que el'hongo Penidllium inhibía la prolifera· ctón bacteriana. Para 1938, los investigadores habían ex:traido el principio activo del hongo y lo habían utilizado para tratar infec· dones en seres humanos. Sin embargo, no fue hasta 1965 que los investigadores descubrieron exactamente cómo funciona el anti· biótico. La penicilina es un antagonista que se une a una proteína bacteriana esencial por imitación del ligando normal. Debido a que la penicilina forma enlaces indestructibles con la proteína, ésta queda inlu"bida de forma irreversible. Sin la proteína, la bac· teda no puede formar una pared celular rlgida, y sin la pared ri· gida, se hincha, se rompe y muere.

el nombre de modulador. Existen dos mecanismos bAsicos por medio de los cuales se produce la modulación. El modulador. 1) . modifica la capacidad del ligando de unirse al sitio de unión, o bien 2) modifica la actividad de la proteína o su capaddad de generar una respuesta. Las siguientes secciones analizan los diferentes tipos de modulación y se resumen en el cuadro 2-3 m. Los moduladores químicos son moléculas que se unen por medio de enlacescovalentes o no covalentes a las proteínas y modifican su capacidad de unión o su actividad. Los moduladores químicos pueden activar la unión, potenciarla, inhibirla o inacti· var la proteína por completo. La inactivación puede ser reversible · · o irreversible. Los antagonistas, también denominados inhibidores, son moduladores químicos que se unen a una proteína y disminuyen su actividad. Muchos son simplemente moléculas que se unen a la proteína y bloquean el sitio de unión sin provocar una respuesta. Son como el muchacho que se adelanta indebidamente en la fila del cine para hablar con su novia, la cajera. No tiene ningún in· terés en comprar una entrada, pero impide que el resto de público en la IDa pueda comprar sus entradas para el cine. Los inhibidores competitivos son antagonistas reversibles que compiten con el ligando habitual por el sitio de unión {Fig. 2-19 ii). El grado de inhibición depende de las concentraciones relativas del inhibidor competitivo y del-ligando habitual, así como de las afinidades de la proteína por ambos. La uni9n de los in· hibidores competitivos es reversible: el aumento de la concentración del ligando habitual puede desplazar al inhibidor competiti· voy disminuir la inhibición. A diferencia de éstos, los antagonistas irreversibles se unen estr~ente con la proteína y no pueden ser desplazados por

tripsina tores deben unirse a la proteína antes de que el sitio de unión se una al ligando. Los cofactores iónicos incluyen el Ca2+, el Mg:z.. y el Fe2+. Estos procesos se ilustran en la figura 2-18 ffi. Muchas enzimas requieren cofactores para ser funcionales.

La modulación altera la unión y actividad de las proteínas La capacidad de una proteína de unirse a un ligando e Iniciar una respuesta puede verse afectada por varios factores, entre énos la temperatura, el pH y las moléculas que interactúan con la proteína. Un factor que afecta la activi$.d o la unión proteica recibe

···~ La unión de! cofactor activa la protelna

19 FIGURA 2-18 La unión de cofadores activa la protelna

ili

1

.·~,.

unión y modifica la actividad; puede ser lnhibidor o actiVador

mFIGURA 2-17 Activación proteolitica de la enzima qu;mo·

Sin e! cclactor unido, !a protelna no es activa

..

Esenciales para la unión Necesarios pára la unión del ligando en Cofactores el sitio de unión Activación proteo!ítica Convierte !a forma inactiva a activa por remoción de parte de la molécula. Ejemplos: enzimas digestivas, hormonas proteicas Moduladores y factores qué álteran la unión o· ta actividad !nhibidor competitivo Compite directamente con el ligando al unirse en forma reversible al sitio activo

\\ 9" \', .V

, RE:_V-tslóN . t:-~1.."< 33. Un investigador está tratando de disef'iar un fármaco

41

se

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r 42

Capítulo 2 fnteracdones moleculares

Interacciones protekas

carne se vuelve más fume y opaca, al iguaLque si se la hubiera co-

{a) Activación alostérica

j

La proteína sin

i

' modulador es activa l

't

peratura actúan como moduladores que auffiéntan o reduten la actividad Proteica (Fig. 2+21 00). Una vez que dichos factores superan determinados valores críticos, destruyen los enlaces no covalentes que mantierien a la proteína en su configuración tercia+ ría. La proteína pierde su forma y actividad. Cuando la proteína pierde su forma se dice que está desnaturalizada.

ti

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i

1\ 1

1 1 \1

20

30 40 50 Temperatura ("C}

iguala A? Cuando !a velocidad es 2,5 mg/ ¿cuál es !a concen!raclón prot~ca·

A

sil Esta proteína se desnaturaliza a alrededor de so oc.

}'¡ j

il

B

C

teica sobre la velocidad

La última característica de las proteínas del cuerpo humano es que Ia cantidad de una detennirla4a proteína variará en el tiempo, · frecuentemente de manera regulada. El cuerpo tiene mecanismos que le permiten controlar si necesita más o menos cantidad de una determinada proteína. Las complejas vías de señalización, muchas de las cuales involucran proteínas, luego instruyen a determinadas células para producir nuevas proteínas o para destruir (degradar) las ya existentes. La producción programada de nuevas proteínas {receptores, enzimas y tzansportadores de membrana, en especial) se denomina regulación por incremento. Ala inversa, la eliminadón programada de proteínas recibe el nombre de regulación p01: dis- · m.inución. En ambos casos, la célula recibe instrucciones para produdr o eliminar proteínas y así alterar su respuesta. La cantidad de proteínas en una célula tiene influencia directa en la magnitud de la respuesta celular. Por ejemplo, el gráfico de la figura 2-22m muestra los resultados de ·un expeñmento en el cual la cantidad de ligandos se mantiene constante mientras se modifica la cantidad de proteínas. Como muestra el gráfico, el. aumento de la cantidad de proteínas provoca un aumento de la respuesta. Como analogía, imagine la linea de cajas de un supermercado. Imagine que cada cajera es una enzima, los dientes en la fila son fi. gandos, y los dientes que salen de la tienda con sus compras son productos. Si hay 2S ~jas habilitadas, 100 dientes podrán abonar y retirarse con mayor rapidez que si sólo ht.¡bi.era 10 cajas habilitadas. Del mismo -modo, en una reao::l.ón enzi.mática, la presencia de un mayor número de proteínas s!gnifica que habrá un mayor número de sitios de unión para interactuar con los ligandos. En consecuen- · cl.a, los ligandos se convierten en productos con mayor rapidez. La concentración. de proteínas reguladoras es una estrategia impo[ímte utilizada por las células para controlar~ procesos fi.

JJ-:: 60

---,~--;··

mi FIGURA 2-22 Efecto del cambio de la concentración pro·

El cuerpo regula la cantidad de proteínas presentes

11

F

1

PREGUNTAS o ¿CUál es fa velocidad cuando la concentraciÓil proteica es

En este experimento la cantidad de ligando permanece o::mstante

en las células

¿La proteína es más activa a300Coa48°C?

1 /1

'

~

Concentración proteica-

Respuesta en la p. 49

PREGUNTA

il

2

o

acciones. {a) Modulador alostérico (b) lnhibidor competitivo (e) Modulador covalente 1. Se une fuera del sitio de unión 2. Se une en el sitio de unión 3. Sólo Inhibe la actividad 4. Inhibe o potencia la actividad

B FIGURA 2-21 Efecto de la temperatura sobre la actividad proteica

i

-¡-·

· 34. Relacione cada sustancia qufmica con alguna acción o

el sitio de unión,

Si alguna vez frió un huevo, habrá notado esta transformación en la proteína albúmina de la clara, que pasa de un estado trans;;_ paren te y viscoso a un estado blanco y firme. Los iones de hidrógeno en concentración sufidentemente alta como para ser llamados ácidos tienen un efecto similar sobre la estructura de la proteína. Durante la pi'eparadón del ceviche, el plato nadonal de Ecuador, se marina el pescado crudo con jugo de lima. El. jugo ácido de la lima contiene iones de hidrógeno que destruyen los puentes de hidrógeno de las proteínas del músculo del pescado y hace que las proteínas se desnaturalicen. En consecuencia, la ·

las condiciones físicas como la temperatura o el pH (acidez) pueden ejercer un efecto drástico sobre la estructura y la función de las proteínas. Pequeiías modificaciones en el pH o en la tem+.

~

f:.RE V 1S 1ó N

El modulador se une a la proteína fuera del sitio de unión y activa

¡¡¡¡ FIGURA 2-20 Moduladón alostérica

Los factores físicos modulan o iiJactívan a las proteínas

i•

;··

3

~

lnhi~i?or~­ afoslenco ~ ¡·- 8 modulador se une a fa 1 1 protelna fuera de! sitio de unión. 1

cinado con calor. En algunos casos, se puede restablecer la actividad si se restablece la temperatura o el pH original. La proteína retoma su fonna original como si nada hubiera ocurrido. Sin embargo, la desnaturalización suele producir una pérdida permanente de la actividad. Cierta· mente, no existe forma de "desfteir'' un huevo o de "descocer" un pescado. El impacto potencialmente desastroso de la temperatUra y del pH sobre las proteínas es la razón por la cual estos parámetros están tan estrechamente regu!ados por el cuerpo•.

~~

de unión

la proteína sin modulador es Inactiva.

43

siológicos. Las células modifican la cantidad de una proteína al influir tanto sobre la síntesis como la degradación proteica. Si la síntesis supera la degradación, se acumula proteína y se incrementa la velocidad de reacción. Si la degradadón supera a la síntesis, disminuye la cantidad de proteína al igual que la velocidad de reacción. Aun cuando la cantidad de proteína sea cOnstante, existe un recambio permanente de proteínas.

La velocidad de reacdón puede alcanzar un máximo ·Si la concentración de una proteína en una célula es constan· te, entonces la concentración del ligando determina la magnitud de la respuesta. Un menor número de ligandos activan-un menor número_ de proteínas y la respuesta es baja. Amedida que aumen· tan las concentraciones de ligandos, aumenta la magnitud de la respuesta, hasta un máximo donde todos los sitios de unión se encuentran ocupados.

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cuando !a concentración

;21 ·- -!---¡-----tg i ¡ . ~o

deligandoses200mgfml? . ! ¡ 1 ¡

!

! 25

50

75

100

125 . 150

175

Concentración de ligando (mg/mi.J -

En este experimento, la cantidad de protefnas fue constante.

Ala velocidad máxima. se dice que !a proterna está saturada.

mAGURA 2-23 Efecto del cambio de la concentraáón de li~ gandos sobre la veloádad

'

1

r '

r 44

Capítulo 2 Interacciones moleculares

La figura Z-23 ¡¡;¡muestra los resultados de un experimento típico en el cual la concentración de proteína es constante pero la concentración de ligando varía. Abajas concentraciones de ligando, la velocidad de respuesta es directamente proporcional a la concentradón de ligando. Cuando la concentración de ligando supera un determinado nivel, las moléculas ya no disponen de sitios de unión libres. Las proteínas están completamente ocupadas, y la velocidad de respuesta alcanza Sil valor máximo. Esta condición es conocida como saturación. La saturación se aplica tanto a enzimas como a transportadores de membrana, receptores, proteínas de unión e inmunoglobulinas. Una analogía de la saturactón apareció en los primeros días de la televisión, en el programa Yo amo a Lucy. Lucille Ball estaba tra-

bajando en la cinta transportadora de una fábrica de dulces y lle-

naba una !Aja de bombones. Al principio la cinta se movía lentamente y no tenía dificultad para tomar las golosinas y colocarlas

Re$umen del capítulo ba trabajando a la máxima velocidad de la que era capaZ. Ése fue el punto de saturación de Lucy. (¡Su soludón fue comenzar a comerse parte de los chocolates al tiempo que ubiCaba otros en las cajas!) En resumen, hasta ahora ha podido aprender las propiedades fundamentales y prácticamente universales de las proteinas solu-' bles. Usted volverá sobre estos conceptos muchas veces a medida que avance con los siguientes capítulos de este libro. En el próxi 7 mo capítulo aprenderá más acerca de las proteínas insolubles del cuerpo humano, que constituyen los componentes estructurales primordiales'de las células y los tejidos.

'REVISIÓN

mátíca a medida que disminuye !a cantidad de enzima presente? 36. ¿Qué le sucede a la velocidad de una reacción enz:imática cuando la enzima ha !legado a Ja saturación? Respuertas en !a pág. 49

Para

1b ¿Cuál es el núq¡er~. atómico def. . ..

NIA

,tie~e_ UIÍ n~rn-er~ -

cromo? ¿Y su masa atómica?_

. 1C ¿CuántOs~ÍedrO~~s-tlene

.-.-.ó~ -~¿U_~;do con fa':ta_~li; ·e'l·á~m_O- (éi:) --.~

·NIA*;:·

La forma hexavalimte se utili!!a én la industria y su inhalación ha sido asodáda a un mayor riésgo de cáncer 'de pulmón. Suficientes estudios han demostrado una asociación que el Califomici's Hazard Evaluation System and lnformation Servke ha incluidO en advertencias para · · los trabajadores de la industria del crómo. la evidencia actual acerca de la toxicidad del cromo trivalente en el pico!inato de cromó surge a partir de estudios rearriádOs · en células aisladas en cultivo de tejidos.

1d ¿Qué elementoS ~rca dét cromQ: tambfén··son:eiementoS: · esendales?

:::-: É:! n_úiri~~~;'~ió~í~~:J~~~:~:i_~_~-~~tó.-~~·':;,:-- ;,E"r·~_áfli~r& .át?!1lieó -~ei'_.~~-m6_:es 24;-:imdó._,> _.: . _. )gU~.t_ a,l ilúrner~.-~e·piciOne_s·_~ñ)lQ.AtOin_~: · -}~~to;,..UÍl :átóin~_ d~ ,Cr.?!Tlo ,i!enú4__piptén!!S, ~-.

-~\:::-.~i~~~;~~~~'igva)ilÚní'ef~~~~lft1~~~:· :-.y~4_,~1ei9ñ~:-~;. . . :' ·;-.,~:-

::' ~-~01ibden·o:; marig~~~~-~'hie~3:s-', _ ,

Teniendo en cuenta el anuncio de la FDA, este estudio (que no demostró aumento en el desarrollo muscular a partir de los suplementos de cromo) y los estudios que sugieren que el picolinato de cromo podrla causar cáncer,¿cree que Stan debería seguir consumiendo picolinato de cromo?

No hay evidencia prOveniente de investigaciones que avale el papel del picolinato de cromo en 'e! incr_eme~to . . de !a fuerza o de la masa muscular. etra5 investigaciones sugierén que el pico!inato de cromO podrfa·causar cambios cancerlgenos en células aisladas. ·

WÁ

r"

...

Si bien se ha demoStrado la toxiCidad del Cr6+, iíó ha prObado ¡:;OncluxenterrlE!nte la toxicidad del fri..: los-estudios en célUlas in v_itro pueden·no ser aplivab!es a 'los seres humanos. Se requieren_estUdiOs· ádidonaiE!úi'n IÓS i:¡Ue.se administren dosis razonables de pkoHnatO . de cromo ci animaleS por lin periodo _de tiempo exteildido.

se

la evlde_i1ci~_-Pre"se~ija_s_ugiere· éi~e en·e¡· .-

_caso de Sta¡, no hay beneficio a_ partir del consumo de picoU~ato de (romo_~_Y podría · · haber 'riesgos._E! ariái\Srs Ti~f¡o-beneriaO . sugiere interrump_ir el cohsumo-aúup!e~entOs de cromo. Sin embcirg~, la c!édSióil es responsaPilidad personal ~e Stan. Debef¡á mantenerse: iilformádO acércá "de· riueiios de5an-Oiios_(júe ·piJédan:mo~¡fiíir ·el áná!iSi~:#.~

ae

ri:::~:~~:iO~,~· -~~' ~· -v·~~· ~ Fi6' 1:."23~ í6• '35· '$~

*No aplicable

Do át¿niO

.

No ex1ste ev1aencm suficiente a partir _de la redujeron los niveles elevados de glucosa información presentada para establ~er una en sangre, pero dosis inferiores no tuvieron conclusión acerca del papel de ·la deficiencia de ningún efecto. Sólo existe un estudio, y no cromo en la diabetes. se brinda información acerca de otros estudios similarei

4 A partir de esta información, ¿puede concluir que la forma hexavalente y la trivalente de cromo son igualmente tóxicas?

¡n_U~r-~h

1a Ubique el ~~mq en la tabla periód,i_va· )~ ta-~ia·_P~r_iMi~a-_org~~i~~-i~~-e!é~·erit~ · de elementos. · · · · d_e _acuerdo cof¡-e! núm.ei'o aió'!'!ico.- /- ·

Si hay ausendaldefidencia de cromo, menos glucosa dejará !a sangre y el nivel de glucosa en sangre será mayor que el normal.

Para cada electrón perdido de unión, se El ión hexavalente_del cromo, cr6<-, tiene seis deja atrás un protón positivamente cargado protones no pareados y pOr lo tanto ha en el núcleo del ión. perdido seis e!ectrones.-EI i6n trivalente, Crlt, ha perdido tres el_eétroniis.'

CQillP;ar~·.esta

1-ÍEG-IOS

PREGUNTA

INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS

E! cromo contribuye a transportar glucosa de la sangre a laS células.

3 ¿Cuántos electrones se han perdido de! ión hexavalente de cromo? ¿Cuántos del ión trivalente?

~~~~6~iz:a~:-iilás acer~ .de 1~ in~gadones actuáles:-;~~rese

informadón_con los resultadqs:de_un.a bó.squec!a si· Internet ¿Debe creer todo 1!) que encuentra en _la Web? Para ~b~_e_ne~ un conjunto ~e_ cursillos..interáctiv_?S ace(ca ~-e bú.;. :q~edas, _en la web, ingrese ,a hÜp:/ltjltlib.~st-~m,ed~ (nóte.se ._. que esta_.direcdón no iÍlduye:~).-EitoS cursillos lo aYudarári a ápreni:!er a buscar y evaluar los ~itios Web. · Ahó~a' Coni)ntre-Su~ feSpu'ertáS éoii'las 'dei CuadrO ·resumen.

HECHOS

---~---~~---~------------~~~ ~ Dosis más altas de suplementos de cromo

2b A partir de los resultados del estudio

i flÜb~ed (Www.ncbi.n!J11.nih.gov)_ y bUsque ~dlÍ·omium picO!inate",

aumentar la masa 'muscular no han; de experimentos dentffkos controlados; También ha a·p.réndldo' que los estudioüugieren que algúna~-foi:lnas de 'lá_rrlolécul_aJ)IQ.. lógica triva!ente del cromo puede_n Ser tóxicas. E~ 'el_
de cronio?

2a En personas con carencia de cromo, ¿puede predecir si !a glucemia será menor o mayor _a la normal?

chino, ¿puede afirmar que todos !os pacientes con diabetes padecen carencia de cromo?

:;':·e~ 35. ¿Qué !e sucede a la velocidad de una reacción enz:i-

en la caja. La cinta comenzó a aumentar gradualmente la veloci- · dad y Lucy tuvo que comenzar a llenar la caja de chocolates con más rapidez. Finalmente, la cinta le traía chocolates a tan alta velocidad que Lucy no podía empaquetarlos todos, porque ya esta-

En esta Sección de

PREGUNTA

45

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RESUMEN DEL CAPiTUlO Este capítulo introduce el tema de !as biomolécu!as y los iones, cuyas propiedades químicas constituyen la base de muchos temas fundamentales de la fisiología. Para comprender las interacciones moleculares, la comuIlicadón, el almacenamiento y la transferencia de energía, y !as propieda· des mecánicas de las células y de los tejidos, deberá tener una buena formación en química básica,

Revisión de química 1. Los átomos están compuestos por protones, neutrones y electro-

nes. Un protón tiene una masa atómica de aproximadamente 1 unidad de masa atómica (uma), o dalton (Da), y una carga eléctrica de +l. Un neutrón tiene una masa de aproximadamente 1 uma y no tiene carga eléctrica, Un electrón tiene una masa inslg-

1 .

.

.

2.

3. 4. S.

6.

Preguntas

capítulo 2 Interacciones moleculares

46

nificante comparada con los protones y los neutrones, y una carga de ·l. (p. 20; Hg. 2·1) . Los elementos se distinguen unos de otros por el núplero atómico de sus átomos, que es el número de protones en el micleo de un átomo. (p.. 21). La masa de un átomo se calcula sumando el número de protones y de neutrones en su núcleo. (p. 21) Los átomos de un elemento que tiene diferente númew de neutrones en sus núcleos se denominan isótopos de un elemento. Los isótopos radiactivos emiten energía llamada radiación. {p. 21, Fig. 2-1) Los electrones que giran alrededor de un átomo están dispuestos en niveles de energía, o capas, centradas en el núcleo. (p. 22) Los electrones son importan res para los enlaces cova!entes y ión!cos, fa captura y transfetenda de energía, y la fonnación de radicales ¡¡. bres. {p. 22)

posidón de múltiples cadenas de aminoáddos en una única proteína. (p. 31; Fig. 2-9) 21. Las proteinas globulares son solubles en agua. Actúan como transportadoras, mensajeras, molkulas de defensa y enzimas. Las proteínas fibrosas no son fácilmente solubles en agua y funcionan como componentes estructurales de las células y de los tejidos. (p. 31) 22. Las proteínas, los lípidos y los hidratos de carbono se combinan para • formar glucoproteínas, gtucolípidos o lipoproteínas. (p. 3Z) 23. Los nudéotidos son importan~ para la transmisión y almacenamiento informaCión y para la transferencia de energía: (p. 32) 24. Un nucleótido está compuesto por uno o más grupos fosfato, un azú. car y una base nitrogenada purina o pirimidina. Los nucléotidos pequeños incluyen el ATP, el ADP y el cA}JP. Los polfmeros de nucleó· tidos son los ácidos nucleicos DNA y RNA. {pp. 3Z..33¡ Flgs. 2-11, 2-12)

36. Las protefnas estrechamente re!adonadas .cuya función es similar pero cuya afinidad por los ligandos es diferente se denominan isofor·

mas. (p. 40)

'

37. Algunas proteínas deben ser activadas, ya sea por proteólisis o por agregado de cofactores. (p. 40; Figs. 2-17, 2-18) 38. Adiferenda de los antagonistas irreversibles, los lnhibidores competitivos pueden ser desplazados de los sitios de unión. (p. 41; Fig. 2-19) 39. Los moduladores alostéricos se unen a las proteínas en un lugar di· ferente del sito de unión. Los moduladores covalentes se urien por medio de enlaces covalentes. Ambas dases de moduladores pueden activar o inhibir la proteína. (p. 41; Flg. 2-20)

(Véanse las respuestas en el apéndice A)

depH Uquidos y eléctrolitos: homeostasis ácido-base

NIVEL 1 REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS

16. Los cuatro grupos ptindpales de biomoléculas son los hidratos de · carbono, los lípidos, las proteínas y !os nudeótidos, Todos ellos con· tienen carbono, hidrógeno y oxígeno. (p. 21) 17. Los hidratos de carbono tienen la fórmula g~eral (~O)Q y se presentan como monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Los polimeros de glucosa almacenan energlii y fundonan como componentes estructurales de las células. {pág. 27; Fig. Z..1) 18. Los lípidos contienen átomos de carbono y de hidrógeno pero pocos átomos de oxigeno. La mayoría de los lípidos son no polares. Los ácidos grasos son cadenas largas de átomos de carbono unidas a hidrógenos. Los tñglicérldos están compuestos por glicerol y tres ácidos grasos. (pp. 27-29; Fig. U) 19. Las proteínas son las biomoléculas más versátiles debido a que están constituidas por 20 tipos de aminoácidos djferentes. (p. 30) ZO. La estructura primaria de una proteína es la se<:uenda de sus aminoáddos. La estructura secundaria es su disposidón espadal en hélices u hojas. La estructura terciaria es la forma tridimensional de las ca· denas de aminoáCidos plegadas, y la estructura cuaternaria es la dis-

25. Las moléculas que se disuelven en líquidos se denominan solutos. El liquido en el cual se disuelven recibe el nombre de solvente. El sol· vente universal de las soluciones biológicas es el agua. (p. 3S) 26. La fadlidad con la cual un so!uto se disuelve en un solvente se denomina solubilidad en dicho solvente. Las moléculas hidrófilas, a di::.· ferenda de las moléculas hidrófobas, se .disuelven fáCilmente en agua. (p. 3S) · -· 27. La concentración de una so!udón es la cantidad de soluto por unidad de volumen de solución. Una soludón 1 molar (1 M) ti!'fle un mol de so!uto por litro de solución. La concentradón de la mayoría de las soluciones biológicas se expresa en milimoles por litro de solución (mM). (pp. 35-36) · 28. Un mol es igual a 6,02 x ¡()23 partículas de un elemento o compuesto. La masa molecular de una molécula se calcula al swnar las masas · atómicas de todos sus átomos. La masa en gramos de 1 mol de cual· quier elemento o compuesto se conoce como masa molecular en gramos de un elemento o compuesto. (p. 36) Z9. Las concenttadones de las soludones se expresan en moles/volu· rnen {molaridad} o como soludón porcerituaL Las concentradones tónicas pueden expresarse en m.iliequivalentes, donde un equivalente es igual a la molaridad del ión multiplicada por su carga eléctrica. (p. 36) 30. El pH de una soludón es una medida de su cOncent:tadón de_lón de hidrógeno. Los ácidos son moléculas que aportan H+ a una solud?n. Las bases son moléculas que eliminan H• de una soludón. Amayor acidez de la soluctón, menor pH. (p. 37; Fig. Z..IS) 31. Los amortiguadores de pH son soludones qu'e moderan los cambios de pH (p. 38}.

1. Enumere tres de los prindpales elementos esendales del cuerpo hu-

mano. z. Cuando los átomos de Jos elementos se unen para formar compuestos, tales como el Hp o el C02, una unidad se denomina 3. a) La partícula subatómica con una masa de aproximadamente 1 uma y una carga de +1 se denomina . b) La partícula subatómica con una masa de aproximadamente 1 uma y carga neut:ta sellama . e) La: partícula subatómica restante es el electrón, con una masa insignificante pero una carga de,----,---4. ¿Qué partícula subatórnica de un elemento determina su número atómico? . s. Nombre el elemento asociado con cada uno de los Siguientes símbolos: ca, C, O, Na, N, K, H y P. 6. Los Isótopos de un elemento tienen el miSmo número de =::::==~ y pero difieren en el número de 7. Los isótopos inestables emiten energía denominada - - - - - C. especialidad médica que utiliza este tipo de energía para el diagnóstico y tratamiento de enfennedades recibe el nombre: de

Interacciones proteicas 32. La mayoría de las proteínas solubles en agua fundonan como enzl.. mas, trarlSp(?rtadores de membrana, rnolé<:ulas de señal, receptores, proteínas de unión, factores de t:tanscrlpción o inmunoglobulinas. - (pp. 38-39)

33. Los ligandos se unen a las proteínas en el sitio de unión. De acuerdo con el modelo interactivo {adaptación inducida) las formas del ligando y. del Sitio de unión no necesitan colnddlr exactamente. (p. 39; Fig. 2·16) 34. Las proteinas son esp«ificas respecto del ligando al cual se unen. La atracción de una proteína a su ligando se denomina afinidad de la proteína por el ligando. La constimte de dlsodadón (K.J es una medida cuantitativa de la afinidad de una prOteína por un ligando deter· minado. (p. 39) 3S. Los ligandos pueden competir por el Sitio de unión de una proteína. Sllos ligandos que compiten imitan la actividad unos de otros, se los denomina agonistas. (p. 40)

42. Si la cantidad de proteínas es constante, !a cantidad de ligandos determina la respuesta celular. Si todas las proteínas se saturan con ligandos, la respuesta alcanza el máximo. (p. 43; Fig.. 2·23)

..~••~=-•·"~·''--'---" •

PREGUNT!~S

7. Dos o más átomos unidos forman una molécula. I.as moléculas que Incluyen átomos de más de un elemento se llaman compuestos. (p.

Biomoléculas

Fig. 2·21) 41. Las células modulan sus proteínas con reguladón por incremento o por regulación por disminución de la síntesis y la degradación proteica. La cantidad de proteínas está directamente relacionada cOn !a magnitud de la respuesta celular. (p. 43; Fig. 2-22)

..

Enlaces y.formas moleculares 23)

40. Las temperaturas o pH extremos desnaturalizan a la proteína. (p. 42;

,-~""-"-~·-""-~'-'-c· "~""'·~·=~-~·=o="':-~~=""-"'-"'"'~~-'"' '"'-=·~"'·"'"·"·•··-·-··-•·'""·'"-'---""·'-'•''-'-''--•'~"''-·"'=··-e:.=="-'"''-'""'-~'-'-"'-'··~

Soluciones acuosas, áddos, bases y amortiguadores

8. Un átomo es estable cuando todas sus órbitas exteriores están ocupadas por pares de electrones, (p. Z3) 9. Los enlaces covalentes son fuertes enla:ces furmados cuando dos áto· mos adyacentes comparten uno o m:is pares de electrones.. Cada par de electrones compartidos forma un enlace covalente simple. (pag. Z3, Fig. 2-2) 10. Las molérulas cuyos átomos comparten electrones de maneta no unl· forme se denominan moiécu1as polares. Si los átomos de una molé- · cula comparten los electrones en forma uniforme la molécula reobe el nombre de molécula no polar. (p. 24; Fig. 2-3) · 11. Un átomo que gana o pierde electrones adquiere ruga eléctrica y se · denomina ión. (pág.' 24; Fig. 2-4) 12. Los enlaces iónicos son enlaces fuertes formados cuando iones con carga opuesta se at:taen unos a otros. (p. 24) 13. Los puentes de hid!úgeno son enlaces débiles y se forman cuando los átomos de hidrógeno de las moléculas polares son atraídos a átomos de oxígeno, nitrógeno o flúor. La formadón de puentes de hidrógeno entre molérulas de agua es responsable de la tensión superfidal del agua. (p. 25; Fig. 2-5) 14. Las fuerzas de van der Waals son enlaces da,Ues que se forman cuando las moléculas se atraen unas a otras. Las enlaces de van der Waals pueden formarse dentro de una molécula o entre moléculas adyacen· tes. (p. 26) 15. La forma molecular está determinada por los ángulOs de los enlaces covalentes y las interaCCiones no covalentes débiles dentro de una molécula. (p. 26)

47

·t t: j'

¡;

,tl

8. Cuando los electrones de un átomo o molécula son estables, ¡están pareados o no pareados? 9. CUando un átomo de un elemento gana o pierde uno o más electrones se Jo denomina de ese elemento. 10. Relacione cada tipo de enlace con Ja defin!dón correspondiente: a) enlace covalente 1. fuerza de atracdón débil entre b) enlace iónico hidrógeno y oxigeno o nitrógfno e) puente de hidrógeno 2. se forma cuando dos átomos d) fuerza de van der Waals comparten dos o más pares de electrones. 3. fuerza de atracción débif entre moléculas 4. se forma cuando un átomo pierde uno o más electrones en favor de un segundo átomo 11. La polaridad de Jos compuestos ayuda a p'redeclr su solubilidad cuando se los mezcla ron agua. Cuando ·los electrones de un compuesto se comparten de manera uniforme, se· dice: que el compuesto es ---:;--::-:--:--,.;· si los electrones se comparten de manera no unifot~ me, el compuesto es .¿Qué grupo se diSuelve con ma· yor facilidad en agua? 12. ¿El pH de una solución es una abreviatura que muestra qué datos acerca de la soludón? Una solución con pH lnferlor a 7 es ____;una soludón con pH mayor a 7 es -;c::-:-cc-c:-:-:~ 13. Un es una soludón que modera los cambios de

pH.

14. Enumere los cuatro tipos de biomoléculas e incluya un ejemplo de cada una de ellas que sea relevante para la fisiología, 15 Relacione cada hidrato de carbono con la definición correspon· diente: a) alm.idón l. el hidrato de carbono más abundante del planeta b) quitina 2. disacárido presente en la leche e) glucosa 3. fonna de almacenamiento de la glucosa en d) celulosa !os animales e) glucógeno 4. forma de almacenamiento de glucosa en las plantas S. polisacárido estructural de los invertebrados 6. monosacárido 16. Las proteínas pueden combinane con otros tipos de moléculas. Se denominan cuando se combinan con componentes gra. sos. Se denominan cuando se combinan con hidra· tos de carbono. 17. Relacione cada !ípido con la descripdón correspondiente: a) trtglicérido 1. la forma más común de lípldos en el cuerpo b) elcosano!de . humano e) esteroide 2. líquido a temperatura ambiente, genezalmente obtenido de las plailtas d) aceite 3. componente importante de la membrana e) fosfo!ípidos 4. estructura compuesta por anillos de carbono 5. ácido graso modificado de 20 carbonos 18. Relacione los siguientes términos correspondientes a proteínas y ami· noáctdos: a) base estructural 1. aminoáddo esencial b) debe ser incluido 2. estructura primaria en nuestra dieta 3. aminoácidos ~) proteínas que aceleran 4. proteínas globulares la tasa de reacctones químicas S. enzimas d) secuencia de aminoácidos 6. estructura terciaria de una proteína 7. proteínas fibrosas e) cadenas de proteínas plegadas en umi estructura con forma de esfera 19. Enumere los componentes de un nucieótido. 20. Una molécula que se une a otra molécula se denomina

"""'"

21. Relacione las siguientes definldones con los términos correspondientes (no todos los términos tienen definidón): a) capaddad de tuia proteína de l. inhibidón Irreversible 1.mim a una molécula y no a otra 2. modelo interactivo b) la parte de la proteína 3. sitio de unión que se une al ligando 4. especificidad e) la capacidad de una proteína S. saturadón de alterar su forma para adecuarse a la forma del ligando

,~

Capítulo 2 Interacciones moleculares

48

22. Unión, romo el eaz. o el Mgz., que debe estar presente pata que una enzima pueda funcionar recibe el nombre de :-:---,--.,--· 23. Una proteína cuya estructura se modifica al punto de ,Perder su actiVi· dad se dice que está------

NIVEL 2 REVISIÓN DE CONCEPTOS 24. Creación de un mapa conceptual: organiZar los ténninos de cada lista para crear dos mapas conceptuales Oas listas continúan en la p. 48) Usta 1: el átomo Lista 2: soluciones anión concentración masa atómica equiva!ent1! número atómico puente de hidrógeno catión hidrófila enlace covalente

hidrófoba

electrón capa de electrones ión

molartdad mol molécula no polar moléalla polar

isótopo

solubilidad

neutrón

soluto

elemento

núcleo solvente protón agua zs. Utilice la tabla periódica de elementos en el interior de la cubierta pos.

terior para responder las siguientes preguntas. Un átomo de sodio tie· ne 11 protones en el núcleo, {a) ¿CUántos electrones tiene el átomo? {b) ¿Cuál es la carga eléctrica del átomo? (e) ¿Cuántos neutrones tiene el átomo promediO? (d) Si el átomo pierde un electrón, se lo denomina

{e) ¿CUál seria la carga eléctrica de la sustanda formada en (d)? (f) Escriba el símbolo· quírntco del!ón al que se hace referenda en {d). (g) ¿En qué se convierte el átomo de sodios! pierde un protón del núcleo? {h} Escríba el símbolo quún1co del átomo al que se hace referencia en (g). 26. Una soludón en la cual [H+J"' 1()'3 M es {áddafbásica}; mientras que una soludón en la cual [H•] "' 10'"10 M es ::;:::;:::::-_(ádda/bás!.ca): Indique el pH para cada una de estas soludoneS. 27. Mendone tres nuc!eótidos y seiíale la importancia de cada uno de ellos. 28. Explique la progresión de la estructura de una proteína de primaria a cuaternaria. 29. Compare la estructura del DNA con la del RNA. 30. Establezca las düerendas entre purinas y pirlrnldinas. 31 Sí sabe que dos proteínas solubles son !Soformas la una de laotta, ¿qué puede predecir respecto de sus estructuras, funciones y afinidades por los ligandos? · 32. Se le ha pedido que disefie algunos lármacos para .los fines que se describen a continuactón. Elija las caracteristlcas deseables para cada fár. maco a partir de la siguiente lista: · a) El fármaco Adebe unirse a una L antagonista enzima y potendat su actividad. 2. inhjbidor competitivo 3.- agonista b} R1 fármaco Bdebe imitar la actiVIdad de una molécula 4. activador alostético de señal del Slsiema nervioso S. modulador covalente normal. e) El fármaco e debe bloquear la actiVIdad de un receptor proteico de membrana.

NIVEL 3 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 31 Se lo ha convocado para colaborar con la autopsia de un_ ser extraterrestre llevado a su laboratorio. Los análisis quimicos indican 33% e, 40% O, 4% H, 14% N, y 9% P. Apartir de esta información, llega a la

Respuestas conclusión de que contiene nucleótidos, posiblemente incluso DNA o RNA. Su asistente le pide que le diga cómo ha llegado a esa conclusión. ¿Qué le responde? 34. Una célula que funciona normalmente produce C02' Cuanto más trabaja la célula, mayor cantidad de C02 produce. R1 C02 puede ser transportado en sangre de acuerdo con la siguiente ecuadón: C02 + H¡O~H¡C03 ~ H+ +HC01. ¿Qué efecto produce e\ esfuerzo de' las células musculares sobre el pH de la sangre? 35. Cuando el isótopo radiactivo del yodo 1·131 emite radiación beta, convierte un neutrón a un protón y un electrón. ¿Cuál es la masa atómica, el número atómico y el nombre del átomo resultante?

3. H+ y H =1 urna; Zff= 2uma.

masa atómica 126,9; tecnedo; número atóill!co 43, masa atómica 98; símbolo Te. · Página 23 S. e, e

10. Un átomo de carbono necesita compartir cuatro electrones para com-

H H

d)

o•

·~

pletar su capa exterior; por lo tanto, formará cuatro enlaces covalentes. Véase la notación electrón-punto del lado Izquierdo de la ecuación en la siguiente respuesta. u. Un carbon~ se combina con cuatro hidrógenos para formar una molécula de metano, un gas inodoro que es el componente principal del gas naturaL

F" H,N-y-H CH,

"""" 37. Calcule la cantidad de Nao que necesita para hacer un litro de 0,9% de NaCI. Explique cómo prepararía un litro de esta solución. 38. Una solución de NaC! 1,0 M contiene58,S gdesal por litro. a) ¿Cuántas moléculas de NaCI hay en esta solución? b) ¿CUántos mllimoles de NaC! hay?c) ¿Cuántos equivalentes de Na~hay? d) Exprese 58,5 g de NaC\ por litro como solución porcentual. 39. ¿Cómo produdria 200 mL de una solución de glucosa al S%? Calcu· le la mo\aridad de la so\udón. ¿Cuántos milimoles de glucosa hay en 500 mL de esta solución? (Sugerencia: ¿Cuál es la masa molecular de .la glucosa?) 40. El gráfico que se presenta a continuación representa la unión de moléculas de oxígeno (OJ a dos proteínas diferentes, mioglobina y hemoglobina, en un rango de concentraciones de oxígeno. De acuerdo con el gráfico, ¿qué proteína tiene mayor afinidad por el oxíg~o? justifique su razonamiento.

,., 1

1

1

00

:" 60

1

i.g40

1

•

j

Página 21

PágiDa23

/o,

20

1. O, C, H, N, P, Na, K, Ca, Mg, S, O 2. Potasio (K), hierro (Fe), cobre (Cu), plata (Ag), estaño (Sn), antimonio (Sb), volframio (W), oro (Au), mercurio (Hg) y plomo (Pb).

7. a,b,d 8. Mgh ha perdido dos electrones. 9. El ión de hidrógeno se denomina protón porque la pérdida de su úni· co electión sólo deja un protón.

b) O=C=O

" ""

e)

Página 21

6. a, b. f

"""" ~ H~H

e)

~Respuestas a las preguntas de revisión

4. Yodo; número atómico 53,

36. Escñba las fórmulas químlcas de cada una de las moléculas graficadas y calcule el peso molecular de cada una de ellas.

a)

RESPUESTAS

Página22

NIVEL 4 PROBLEMAS ANALfTICOS

1

1

0.11/ 40 60 " ConetmtradóndeQX(geno " (fMI merourio)

49

=~~·~=~··~~·~·~~·~.·~·····~··~··~~~~··~·

H

.

4H•+t·é·-

..

H:C:

~

H or H-C-H 1

H

H

MetanoCH 4

Páglna26 12. a) covalente; b) polar; e) no polar. 13. a) anión; b) catión. 14. El oxígeno y el nitrógeno se unen a los electrones con fuerza y tienden a fonnar enlaces polares. 15. El azúcar común de mesa se disuelve fácilmente en agua, por lo tanto seria polar; el aceite vegetal no se disuetve en agua, y por ende es no

poloc Páglna27 16. Falso. Todas las biomoléculas son moléculas orgánicas, pero no tudas. las moléculas orgánicas son biomoléculas. 17. CnRznOn Página lO

18. Los ácidos grasos insaturados tienen dobles enlaces entre los carbonos. Cada enlace doble elimina dos hidrógenos de la molécula, por lo tanto {e) C1sfiJ
21. Las proteínas están formadas por 20 tipos diferentes de aminoáddos que pueden estar ligados en un número de secuencias casi iniiriítas. Estas combinaciones les permiten a las proteínas adoptar distintas formas, como la de proteínas globulares y fibrosas. Página 36

22. Los iones de Na~ y Cl' forman puentes de hidrógeno con las molécu· las polares del agua. Esto rompe los enlaces iónicos que mantienen unidos a los cristales de NaCl. 23. Una solución está compuesta por un soluto y un solvente. 24. Las moléculas polares se disuelven más fácilmente en agua que las moléculas no polares. 2S.llidrófilas. 26.(d) Páglna36

27. 18 urna"' 18 Da. 28. 74,6 g. 29. Una solución 0,1 M es igual a una sotución 100 mM, lo que significa que las concentradones son iguales. 30. Los S g de glucosa agregarán volumen a la solución, por lo que sl comienza con 100 mL del solvente, terminará con más de 100 mL de solución. Página38

31. Un áddo debe disociarse en uno o más H+y aniones. 32. R1 pH representa la concentración de H+. Página 40

33. La molécula bes mejor candidata, ya que su menor!{,¡ implica mayor afinidad de unión. Página43 34. a) 1, 4; b) 2, 3; e) 1, 4. Piiglna44 35. Amedida que disminuye la cantidad de proteínas, disminuye la veloddad de reacción. 36. Si la proteína ha alcanzado la saturación, la velocidad ha llegado al máximo.

Respuestas a las preguntas de las figuras Piiglna 26 Figura Z.6: l. C6H¡3N02• 2. La leucina tiene grupos carboxilo y amino. La

glucosa tiene grupos hidrOxilo.

Piiglna 37

Figura 2-15: l. Una mayor acidez significa que aumenta la concentración de W y disminuye el pH,'2. La Orina, el jugo gástrico y la saliva están con· tenidos en la luz de los órganos huecos, de modo que no son parte del medio interno del cuerpo {véase fig, 1·2, p. 4). Página42 Figura Z.21: La proteína es más activa a 30 oc.

Páglna43 F¡_gura. 2-22; 1. Cuando la concentractón es igual a A, la velocidad es de 1 mgls. Z.La velocidad es de 2,5 mgls cuando la concentración de la proteína es C. Página43 Figura Z.23: Cuando la concentración del ligando es 200 mg/mL, la velocidad es de 4 mg/s.

1

Compartimentos fundona!es del cuerpo

Compartimentación: células y tejidos -·~.JS

,.__;{', ¡:~.- :. '

·<;'..:Cfod;t'-;;; ;:;¿·;

cx=:c~v;:,

51

La luz de los órganos huecos no forma parte del medio interno

52

Funcionalmente, el cuerpo tiene tres compartimentos de líquidos

·-~-·;--:':)/''

53 53 55 55 58

,__,~;:: e'~~3~-

la membrana celular separa la célula de su medio Las membranas están compuestas fundamentalmente por !ípidos y proteínas Los lípidos de la membrana forman una barrera entre el citoplasma y el líquido extracelular Las proteínas de membrana pueden estar unidas de manera estrecha o laxa a la membrana Los hidratos de carbono de la membrana se unen a los lípidos y a las proteínas

58 59 61 61 61 62 63 64 67

fb::en.nares Las células están divididas en compartimentos El citoplasma está formado por el citosol, las inclusiones y los orgánulos Las inclusiones están en contacto directo con el citoso! Las fibras proteicas citoplasmáticas se presentan en tres tamaños Los microtúbu!os forman centríolos, cilios y flagelos El dtoesqueleto es un andamiaje modificable Las proteínas motoras generan movimiento Los orgánulos crean compartimentos para funciones especializadas El núdeo es el centro de control de la célula

68 69 72 76 80

La matriz extracelular cumple diversas funciones Las uniones celulares mantienen unidas a las células para formar tejidos Los epitelios ofrecen protección y regulan el intercambio Los tejidos conectivos actúan como sostén y barrera Los tejidos muscular y nervioso son excitables

~',Hno;;;t·t¡¡ne:Y(f:'::C ¡(¡.

Remod-zlación tisular 81 81

La apoptosis es una forma ordenada de muerte celular Las células troncales pueden crear nuevas células especializadas

U.;:s órganos INFORMACIÓN BÁSICA Unidades de medida: interior de la cubierta posterior; Compartimentación: 9; LíqUidO extrace!utar: 4; MoléculaS hidrófobas: 24; Proteínas: 30; Moléculas compuestas: 32; pH: 38; Interacciones covafentes Yno covalentes: 23, 25

El doctor George Papankolaou ha salvado las vidas de mi!lpne's de mujeres al poptlla'rízai la prueba dé Otología por extendido del cuello uterino que !leva _su nombre, un método de detección que permite identificar !os signos precoces de cáncer de ¡;:Ue!lo _uterino. En los últimos cincuenta años la pi"ueba de Papánlco!aou·Se ha convertido en un ·examen ampliamente utilizado, _y-las. mue~s , por cáncer de cuello utérinohan ?isminu1do aproxini~Cia~eOt~: ~-~70%~ _Detectado precozme:nte, el c_án<:er de cúello_ ~eri_n~ es -'JI'J11 de las formas de cáncer con rriejor respuesta_ al tratar'iiie~to.-H~Y, Jan a Me!ton, t¡uien hace unos meSeS:se reaHz6 Una dt~logta' ~e­ cuello uterino ytuvo resultados anormales, vuelve a·su_ rilédico· ·. para repetir e! examen. los nuevos resultados_ deterrñinarári S_i débe iniciar el tratamiento onco!ógico. · ·

·~· ¿Qué es un. <9mpartimento? Se puede pensar en un lugar completamente cerrado, como una habitación o una caja con tapa. Sin embargo, no todos Jos compartimentos son cerrados; piense en los cubículos modulares con los que están organizadas las oficinas modernas. Tampoco todos los compartimentos funcionales tienen muroS; piense en la gran recepción de un hotel dividida en diferentes sectores a partir de la cuidadosa ubicación de alfombras y muebles. Los compartimentos biológicos tienen los mismos tipos de variabilidad anatómica, desde estructuras totalmente cerradas como las células a compartimentos funcionales sin paredes visibles. El primer compartimento viviente probablemente haya sido una simple célula cuyo líquido intracelular estaba separado del medio externo por una pared de fosio!ipidos y proteínas, la membrana celular. Como se ha visto en el capítulo 1, la célula constituye la unidad funcional de los organismos vivientes, y una sola célula puede desarrollar todos los procesos de la vida. Al ir evolucionando, las células adquirieron compartimentos intracelulares separados del liquido intracelular por membranas. Con el tiempo, grupos de organismos unicelulares comenzaron a cooperar y a especializar sus fundones, y dieron lugar a los organismos multicelulares. A medida que evolucionaban, los organismos multice· lulares se volvieron más grandes y complejos, y sus cuerpos se dividieron en varios compartimentos funcionales. Los compartimentos representan tanto una ventaja como una desventaja. La ventaja de los compartimentos es que permiten separar procesos bioquimicos que de otra manera podrían entrar en conflicto. Por ejemplo, en un compartimento subcelular tiene Jugar la síntesis ptoteica, mientias que en otro se produce la degradación proteica. Las barreras entre compartimentos, ya sea dentro de la célula o del cuerpo, permiten que los contenidos de un compartimento difieran de los contenidos de los compartimentos adyacentes. Un ejemplo extremo lo constituye el compartimento Intracelular llamado lisosoma, con un pH interno de 5

51

Fig. 2-15). Este pH es tan ácido que si ellisosoma se rompiera causarla graves daños o mataría a la célula que lo contiene. La desventaja de los compartimentos es que las barreras entre ellos pueden dificultar el paso de materiales necesarios de un compartimento a otro. Los organismos vivientes superan este problema con mecanismos especializados que transportan ias sustancias seleccionadas a través de las membranas. Fl transporte de membrana es el tema del capítulo 5. En este capítulo se analizarán primero los diferentes compartimentos que subdividen el cuerpo humano. Luego se revisarán la estructura y función de las células, antes de examinar de qué forma las células con similares funciones se agrupan para formar los tejidos y los órganos del cuerpo humano.

COMPARTIMENTOS FUNCIONALES DEL CUERPO Como se ha visto en el capitulo 1, el cuerpo humano es un compartimento complejo separado del mundo exterior por capas de células ( ¡g p. 4). Desde el punto de vista anatómico, el cuerpo se divide en tres cavidades principales: la cavidad craneal (a la que comúnmente nos referimos como el cráneo), la cavidad tarácica (también llamada tórax) y la cavidad abdominopelviana (Fig. 3·1 1'11). Las cavidades están separadas unas de otras por los huesos y los tejidos y están recubiertas por membranas tisulares. La cavidad craneal {aanium, cráneo) contiene el cerebro, nuestro centro de control primario. La cavidad torácica está delimitada en el extremo superior y a los lados por la columna y las costillas, mientras que el piso está formado por el diafragma. Esta cavidad encterra el corazón, rodeado por el pericardio (peri·, alrededor; car. dium, corazón), y los pulmones, rodeados por las pleuras. El abdomen y la pelvis forman una cavidad única. Una membrana llamada peritoneo rodea en forma parcial o total la mayoría de los órganos en el abdomen. El abdomen entierra los órganos digestivos (el estómago, los intestinos, el hígado, el páncreas y la vesícula biliar), el bazo y los riñones. La pelvis contiene los órga. nos reproductores, la vejiga y la porción terminal del intestino grueso.

La luz de los órganos huecos no forma parte del medio interno Los órganos huecos, como el corazón, los pulmones, los vasos sanguíneos y los intestinos, forman otro conjunto de compartimentos dentro del cuerpo. El interior de un órgano hueco se denomina luz (lumin, ventana). La luz puede estar total o pardalmente llena con aire o líquido. Por ejemplo, la luz de los vasos sanguíneos está llena con el líquido que denominamos sangre. En algunos órganos, la luz es esendalmente una prolongación del medio exterior, y el material que se encuentra en ella no forma parte del medio interno del cuerpo hasta que cruza la pared de un órgano. Por ejemplo, se piensa en el aparato digestivo como una parte "interna" de nuestro cuerpo; sin embargo, su luz es parte del medio exterior (véase Fig. 3-24), Una analogía sería el orificio de una cuenta. El orificio atraviesa la cuenta pero no está realmente dentro de ella.

1

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52

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos Membranas biológicas

-

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53

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~

la membrana peñcárdica es el tejido que rodea el cornzón.

La ~gen ampliada de !a membrana pericárdlca muestra una capa da células epiteliales planas con tejido conectivo de sostén.

cada célula de la membrana pericárdica está rodeada por membrana celular.

la membrana celular es una b!capa fosfolipfdica,

13 FIGURA 3-3 Membranas del cuerpo líquido intracelular

El término membrana puede referirse a una delgada capa de tejido, como la membrana perlcárdica, o a la bicapa fosfolipfdica que rodea todas !as células del cuerpo (!a membrana celular).

MEMBRANAS BIOLÓGICAS Uquido__J

intracelular - 1 celular

-mio•}

8 CQmpartime!lto de líquido extraceiular está Cav1dad abdommopelviana

""'"' """"'"

subdividido en el plasma y el Uquido intersticial. 8 material que se desplaza entre las células y el líquido extrace!u!ar debe atravesar la membrana celular.

El FIGURA 3-2 Compartimentos liquidas del cuerpo

los cuadros de la mitad inferior ilustran de manera esquemática las·reladones entre los tres compartimentos Uquidos de! cuerpo. El FIGURA 3·1 cavidades prindpales del cuerpo humano

Una forma interesante de ilustrar esta diferencia entre el medio interno y externo en la luz es a través de la bacteria Escherichia coli. Este organismo normalmente viVe y se reprod~ce dentro del intestino grueso, un compartimento interno cuya luz se continúa en el medio exterior. Cuando la E.coli reside en Ia luz del intestino no causa daño a su huésped: Sin embargo, cuando Ia pared intestinal está perforada como consecuencia de una enfermedad o de un accidente y la E. coli ingresa al medio inteino del cuerpo, puede provocar una infección grave.

Fundonalmente, el cuerpo-tiene tres compartimentos de líquidos En fisiología, frecuentemente hay más interés en ~os compar. timentos funcionales que en los anatóm.i~os. Como se ha aprendido en el capítulo 1, la mayoría de las células del cuerpo no están en contacto directo con el mundo exterior, sino que están rodeadas por líquido extracelular ( ~ Fig. 1-3). Si. pensamos en

todas las células del cuerpo como una unidad y en el liquido que las rodea como una unidad independiente, podemos dividir el cuerpo en dos compartimentos principales: 1) el líquido intracelular dentro de las células y 2) el líquido extracelular fuera de las células. Estos compartimentos están separados por la membrana celular. A su vez, el líquido extracelular puede estar subdividido (Fig. 3-21!1). La "paredu divisOria en este caso es la pared del aparato drculatorio. El plasma, la porción liquida dé la sangre, se encuentra dentro del aparato circulatorio y forma un compartimento extracelular. El otro compartimento extracelular es el líquido intersticial (inter-, entre; stare, estar), que se encuentra entre el aparato drculatorio y las células. La figura 3-Zllustra el gráfico estándar utilizado por los fisiólogos para representar los treS compartí· mentos de líquidos. Si bien las células del cuerpo pueden ser consideradas en conjunto como un único compartimento de líquido, en realidad son altamente variables en forma; tamaño y composición. En las dos secciones siguientes se revisarán las características principales de las células y de qué modo estas unidades vitales fundamentales están divididas en compartimentos.

Las funciones generales de la membrana celular son:

l. Aislamiento físico. La membrana celular es una barrera ff. El término membrana tiene dos significados en biología. Antes sica que separa el líquido intracelular en el interior de lacéde Ia invención del microscopio en el siglo xvr, la membrana lula del líquido extracelular que la rodea. siempre describía· un tejido que recubría una cavidad o dividía 2. Regulación del intercambio con el medio. La membrana dos compartimentos. Aún en la actualidad hablamos de membra* d!lular controla la entrada de iones y de nutrientes a Ia cétulS mucosas en la boca y en la vagina, de membrana peritmtea1 en lula, la eliminación de desechos celulares y la liberación de . el abdomen, de la membrana pleural que re01bre la superficie de productos desde la célula. Jos pulmones, y de la membrana pericárdim que rodea el corazón. 3. Comunicación entre la célula y su medio. la membrana Estas membranas visibles son tejidos: capas delgadas y transpacelular contiene p!oteínas
mente por lípidos y proteínas La membrana celular separa la célula de su medio La expresión membrana celular tiene dos sinónimos: membra* na plasmátim y plasmalema. En el libro se utilizará membrana celular en lugar de sus sinónimos membrana plasmátic4 o plasmalema para evitar confusiones con el plasma sanguúieo.

En las primeras décadas del siglo XX, los investigadores que trataban de descifrar la estructura de la membrana celular fragmentaron las células y analizaron su composición. Descubrieron que todas las membranas biológicas estaban compuestas por lípidos y proteínas, y una pequeña cantidad de hidratos de carbono.

1

,-

54

Membranas biológicas

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

PROTE{NAS

MEMBRANA

ÚPIDOS

HIDRATOS DE CARBONO

Membrana celular del eritrocito

49o/t

43%

8%

Membrana mielinica de las células nerviosas

18%

79%

3%

Membrana mitocondrial intema

76%

24%

O%

Peto, una estructura única y uniforme no permitía explicar la gran variedad .de propiedades de las membranas que se hallaron en distintos tipos de células. ¿Cómo puede el agua atravesar la membrana celular para entrar en los eñtrocitos pero no puede entrar en determinadas células de los túbulos renales? La explica-

ción tenía que estar relacionada con la disposición molecular de las proteínas y de los lípidos de las distintas membranas celulares,

Este análisis químico resultó útil, pero_ no explicaba la disposición estructural de los lípidos y de las proteínas en la membrana. Los estudios desarrollados en la década de 1920 sugirieron que existía una cantidad sufictente de llpidoS en cualquier sector de la membrana para formar una doble capa. El modelo de la bicapa fue modificadO durante la década de 1930 de manera de poder explicar la presencia de proteínas. Con la introducción de la microscopia electrónica, los científicos pudieron observar la membrana celular por Primera vez. El modelo de membrana de la década de 1960 en las fotomicrografias ele~ónicas era un "emparedado de mantequilla": una capa da:ra de lípidos entre dos capas oscuras de proteínas. En los primeros afios de la década de 1970, las téalicas de criofracttua revelaron la disposidón tridimensional- real de los lípidos y de las proteínas en las membranas celulares. A partir de lo descubierto por los ctentificos a través de las membranas aiofracturadas, en 1972 S. J. Singer y G. L Nicolson propusieron el modelo del mosaico fluido de la membrana I.a figura 3-4llil destaca las caracterlsticas principales de este modelo contemporáneo de estructura de la membrana. Los fosfolípidos están dispuestos en una bicapa de modo tal que-las "cabezasn hidrófilas de los fosfatos miran hacia las soludo. nes acuosas en el interior y en el exterior de la célula, y las «colasn hidrófobas de los lípidos se ocultan en el centro de la membrana. I.a membrana está tachonada de moléculas de protcinas, como uvas pa· sas en una rebanada de budín, y la superfide extracáÚlar tiene glucoproteínas y glucolípidos. Todas las membranas celulares son de un espesor relativamente uniforme de aproximadamente 8 nm.

La proporción de proteínas y de lípidos es muy variable y depende del tipo de membrana (cuadro 3-1 a). Generalmente, cuanto más activa es una membrana desde el punto de vista metabólico, mayor es el número de proteínas que contiene. Por ejemplo, las tres cuartas partes de la membrana mitooondrial interna, que contiene enzimas para la producción de ATP, son proteínas.

Grupo hidrato da carbono

da !a glucoprotefna

Grupo hidrato de carbono

de! glucolf~Jdo

Los lípidos de la-membrana forman· una barrera ·entre el dtop/asma y e/ líquido extrace/ular

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;t~ mFIGURA 3-4 El modelo del mosaico fluido de una membrana biológica En este modelo, !a membrana es una doble capa de moléculas forlQ!ipfdicas. Diversos tipos de proteínas se insertan en la bicapa lipídica. Los hidratos de carbono se unen a !as protefnas y a los lipidos de la superfide extracelu!ar y forman g!uooprotefnas y gluco!fpldos.

lm·

La membrana celular está compuesta por tres tipos princtpales de lípidos: los fosfolípidos, los esfingolípidos y el colesterol. Como se describió en el capítulo 2, los fosfolípidos están compuestos por un esqueleto de glicerol con dos cadenas de ácjdos grasos que se extienden hada un extremo y un grupo fosfato que se extiende hada el otro ( §! p. 29). La cabeza glicerol-fosfato de la molécula es polar y, por lo tanto, hidrófila (Fíg. 3-Sa m). La "cola" de áctdo graso es, no polar y, por lo tanto, hidrófoba. · Cuando se los coloca en una soludón acuosa, los fosfolípidos · se orientan de modo tal que el extremo polar de la molécula interactúa con las moléculas de agua mientras que las colas de los áctdos grasos no polares "se ocultan", y colocan sus cabezas polares entre las colas no polares y el agua. Esta disposición se observa en tres estructuras: en la bicapa fosfolipídica, descrita en la fi. gura 3-4, en las micelas y en elliposoma (Fig. 3-Sb). Las mícelas son pequeñas gotas con una única capa de fosfolípidos organizadas de manera tal que el interior está ocupado con las colas hidrófobas de los ácidos grasos. Las micelas son importantes en la digestión y absorción de las grasas en el aparato digestivo. Los Iiposomas son grandes estructuras esféricas cuya pared es una bicapa fosfolipídica. Esta estructura deja un centrQ hueco con un núcleo acuoso que puede llenarse con molé<:ulas solubles en agua Los biólogos piensan que una estructura similar alliposoma fue el precursor de la primera célula viviente. En la actualidad, los liposomas se utilizan como medio d_e administractón de fá.r:macos a travf de la piel.

SS

LOS LIPOSOMAS PARA LA BELLEZA Y LA SALUD

Muchas personas han escuchado por primera vez el término liporoma en relación con las cremas de uso cosmético que prometen llevar nutrientes necesarios a las cé!U!as. Pero,_.éste no es el único uso de los !iposomas. los-fabricantes de productos c()smétícossólo han adoptado tecnología médica desarrollada para optimizar la administración de fármacos. En la medkina,_Se nena el centrO de los liposomas con fármacos o con fragme~Os.de DNA para terapia génica.luego se aplican los liposomas_ sobre la piel o se los inyecta en el torrente sangufneo. En lln-eShldio,·se (;:lrgaron liposomas con anticuerpos contra el potenté -agente aritica:ncer!geno doxorrubídna (DXR) para evitar la calda de cabello debida a·qui· mioterapia. Al ser ap!_icados sobr'e la pie! if? ratonés en .tratamiento con DXR, los liposomas fueron· abs-orbidoS ¡Jor los fo!fcu~ Jos pilosos, donde los anticuerpos protegieron a las células de Jos folkulos de! "efecto de la DXR. Para conocer más 2<erCa de eSte tema, busque en Goog!e Jlposoril~ _ijrug ·~elíveiy.

Si bien los fosfollpidos son los principales lípidos de las membranas, algunas de ellas contienen importantes cantidades de esfingolípidos. Los esfingollpidos también tienen colas de ácidos grasos, pero sus cabezas pueden ser de fosfolípidos o glucolípidos. Los esfingolípidos son levemente más largos que los fosfolípidos. El colesterol también representa una parte significativa de muchas membranas celulares. Las moléculas de colesterol, en sumayoría hidrófobas, se insertan entre las cabezas hidrófilas de los fosfolípidos (Fig. 3--4). El colesterol contribuye a que las membranas sean impermeables a pequeñas moléculas solubles en agua y conserva la flexibilidad de la membrana en un amplio rango
Las proteínas de membrana pueden estar unidas de manera estrecha o laxa a la membrana De acuerdo con algunas estimaciones, las proteínas de membrana pueden representar aproximadamente un tercio de todas las proteínas c_odificadas por nuestro DNA. Cada célula contiene entre 10 y SO tipos diferentes de proteínas insertadas en su membrana. Desde el punto de vista anatómico, las proteínas de membrana se clasifican en tres categorías: proteinas integrales, . proteínas periféricas y proteínas andadas a lípidos (Fig. 3-61]). Las proteínas integrales, también llamadas proteínas trans· membrana, atraviesan completamente la membrana celular. Es· tán unidas de forma ajustada a la membrana debido a que los 2025 aminoácidos de los segmentos hélice a. que atraviesan la bicapa son no polares. Por ser hidrófobos, estos aminoáddos crean interacciones no covalentes con las colas de los lípidos de los fosfolípidos en la bicapa de la membrana ( ~ p. 25). La única manera de extraer las proteínas transmembrana es rompiendo la estructura de la membrana con detergentes o con otros métodos agresivos que destruyen la integridad de la membrana

1

rr

r

56

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

Membranas biológicas

Las moléculas fosfolipfdicas tienen cabezas polares y colas no polares. El grupo "R" es un grupo polar variable.

-{a)

]

ÜcjuldÓ extráCe!ufar

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,

57

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pofardel

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~
Modelo estructural

Modelos moleculares

Modelo estilizado

Uquido intracefular

Los fosfoUpidos se disponen de modo tal que sus colas no polares no estén en contacto con soluciones acuosas comt1 el líquido extracelular. ~)

mFIGURA 3·6 Los tres tipos de proteínas de membrana: in· tegrafes, periféricas y andadas a lípídos · las proteínas periféricas pueden ser extraídas sin alterar la integrldad de la membrana.

~Colas

~ la bicapa fosfolipk!ica fonna una lámina

•

Las mlcelas son gotitas de fosfolipidos

Los liposomas tienen un centro acuoso

·~

~~:)¡;

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~

na, lo que lleva a la formadón de parches especializados de mero. brana denominados balsas lipídícas (lipid ra{ts) (Fig. 3-8l!ll).l.as co. las más largas de los esfingolípidos elevan a las balsas lipídicas por encima de los fosfolípidos vecinos. De acuerdo con el modelo del mosaico fluido de la membrana celular, las proteínas de membrana podrían moverse lateralmente de un lugar a otro, dirigidas por filamentos proteicos que corren por debajo de la superficie de la membrana. Sin embiugo, los investigadores han comprobado que esto no es válido para t
Esta proteína que atraviesa la membrana !a cruza siete veces.

0 FIGURA 3-7 Protefnas integrales Las proteínas integrales que atraviesan toda la membrana tienen bucles de cadenas peptídicas que se extienden a! citoplasma y a! líquido extracefular.los hidratos de carbono se·unen a los bucles extracelulares, y los grupos fosfato se unen a los bucles intracelu!arés. das las proteínas de membrana. Algunas proteínas integrales están andadas a proteínas del dtoesqueleto (Fig. 3..6) y por lo tanto son inmóviles. La capaddad del dtoesqueleto de restringir el

movimiento de las proteínas integrales permite que las células desarrollen polaridad, por la cual distintas caras de la célula tienen diferentes proteínas y en consecuenda propiedades diferentes. Esto es de particular importanda en las células del epitelio de traf1S. porte, tema que se estudiará en el capítulo 5.

El FIGURA 3-5 Los fosfolípido~ de membrana forman bicapas, micelas o liposomas

Las membranas biológicas son bicapas·!Jpfdicas. Las mke!as son importantes en la digestión de lo~ lípidos. los Jiposomas pueden pa· recerse a !as primeras células Vivientes.

Las proteínas trarismembrana se clasifican en familias de acuerdo con cl número de segmentos transmembrana que po. seen. Muchas proteínas transmembrana importantes para la fisi
Las proteínas periféricas no atraviesan toda la membrana celular como lo hacen las proteínas integrales. Se unen de manera laxa a las proteínas transmembrana o a la cabeza polar de los fosfolípidos. Pueden ser extraídas sin alterar la integridad de !a membrana. Las proteínas periféricas incluyen las enzimas y algunas proteínas de unión estructurales que andan el dtoesqueleto a la membrana (Fig. 3-6). Antes se creía que algunas proteínas de membrana eran peri· féricas y ahora se sabe que sqn proteínas ancladas a lípidos (Fig. 3-6). Estas proteínas están unidas de forma covalente a las colas de los Iípidos que se insertan en la bicapa. Muchas proteínas andadas a lípidos están asoda\fas con los esfingolípidos de membra-

B FIGURA 3·8 Las balsas de lipidos están formadas por esfin-

go/lpidos los esfingolípidos (anaranjado) son más largos que los fosfolípi· dos y se apilan sobre los fosfolípidos de la membrana (negro) Una enzima anclada a lípidos, la fo~atasa alcalina de la placenta (amarillo), generalmenté está asociada con una balsa lipídica. Imagen cortesía de DE Saslowsky, J lawrence, X Ren, DA Brown, RM Henderson y JM Edwardson. La fosfatasa alcalina de la placenta es efldentemente .atraída a las balsas en las bkapas Jipídicas. ·1. Biol. Chem. 277: 26966-26970, 2002.

1

r

n 58

Compartimentos intracelulares

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

1MEMi~-~EtUi:AR:~ está formada por

ÓVlliO: 1001'ffi

0 FIGURA 3·10 Tipos de células

n v

1

59

¡

#

Adiposito: 50.150 pro

leucocito: Eñtroclto·@ @15¡un

representativas en el cuerpo humano Cada eélu!a tiene el potencial genético de convertirse en cual· quier tipo de célula, pero la activación selectiva de los genes durante la diferenciación determina en última instancia el tamaño, !a forma y la función celular.

75n~ @rP

1

• " .. @

5

Célula de músculo liso: 15-ZOO ¡un de longitud

Espermatozoide: 5 pro de longitud

ISI FIGURA 3~ 9 Mapa conceptual de los componentes de la membrana celular

RE.VISIÓN 1. Nombre tres tipos de Upidos presentes en la membrana celular. 2. Describa tres tipos de proteínas de. membrana y lama·

nera de asociación con la membrana celular. 3. ¿Por qué los fosfolfpidos de las membranas celulares

forman u~a bicapa en lugar de una capa única? 4. ¿Cuántas bicapas fosfo!ipfdicas atraviesa

una sustancia que pasa a través de una membrana mucosa? Respuestas en !a p. 87

superficie exterior de la célula, donde forman una capa protectora que se denomina glucocáliz. Las glucoproteinas de la supeffide celular desempeñan una labor fundamental en la respuesta in· munitaria del cuerpo. Un ejemplo que seguramente le resultará familiar son los grupos sanguíneos ABO, que están detef!I1inados por el número y la composición de azúcares unidos a los esfingolípldos de membrana. La Figura 3-9 fil muestra un mapa .conceptual que resume la organizadón de la estructura de la membrana celular.

COMPARTIMENTOS INTRACELULARES Los hidratos de carbono.de la membrana se unen a los lípídós y a las proteínas La mayoría de los hidratos de carbono son azúcares unidos a las proteínas de memlnana (glucoproteinas) o a los lipidos de membrana (glucolipidos). Se Íos encuentra exclusivamente en la

· El cán<eres una enfermedad en_!~ cual Un pequeño número de células _comienza a dividirse de manera descontrolada y no se diferencian en tipos cetUiarE;S especializados. Lá5 células i:aÍlceroSas que se originan Ein uñ tli!jido pueden extenderSe a otros . órganoS a travé_s del aparato· dro.i!atóri.o .Y de !os va~n~ li~ti­ cos, pr?ceso qúe ;e denoi'(lina·metástasis. · Pregunta 1: ¿Por C¡Ué -el tratamientO Contra el Cáncer se -a,¡¡oontra ·en ma.·

tafias células cancerosá$?

.

.

···~······ · p:l~~U\1\~~~~t~)tl¡ . . . . ··.•.·

.

Mucho de lo que se sabe acerca de las células proviene de estudios de organismos simples compuestos por una sola célula. Los seres humanos son organismos mucho más complejos compuestos por billones de células. Se ha estimado que existe.rl máS de 200 tipos diferentes de células en el cuerpo humano, cada ~o de ellos con su estructura y función característica. Durante el desarrollo, las células se ~alizan.'y adoptan formas y funcioiles espeó.ficas. Cada célula del cuerpo hereda idéntica información genética en su DNA,:pero ninguna célula. la utiliza toda. Durante la diferenciación, sólo se activan los genes seleccionados, que transforman a la célula en una unidad especia· lizada. En la mayoría de los casos, la forma y la dimensión final de una célula y su contenido refleja su función. La Figura 3-10 mi muestra algunas de las diferentes télulaS del cuerpo humano. Si bien estas téluÍas maduras pare<:en muy diferentes unas de otras, todas fueron iguales en su inido y tonservan muchas taracterísti<:as en tomún.

por calles y diversos grupos de <:asas y tiendas con funciones va~ riadas. Dentro de la ciudad, un gobernante-en el castillo supervisa-el quehacer de los habitantes. Debido a que la dudad necesita alimentos y materias primas del exterior, el gobernante negocia con los campesinos de las afueras. Los invasores externos siempre representan una amenaza, por lo tanto el gobernante de la ciudad se comunica y roopera con los gobernantes de las ciudades

1. El citosol o líquido intracelular: es una sustancia semigela. tinosa separada del líquido extracelular por la membrana celular. Contiene proteínas y nutrientes disueltos, iones y productos de desecho. Los otros dos componentes del citoplasma, las inclusiones y los orgánulos, están suspendidos en el citosol.

vecinas. En la célula el límite exterior es la membrana celular. Al igual que la dudad amwallada, controla el traspaso de materiales entre . el interior y el exterior de la célula al abrir y cerrar las "compuer·

tasn formadas por proteínas. El interior de la célula está dividido en compartimentos, no en tiendas y casas. Cada uno de estos compar~ timentos tiene un propósito espeáfico que contribuye a la función de la célula en su conjunto. En la célula, el DNA del núcleo es el u gobernante en el castillon, que controla el trabajo interno de la célula y la ínteracdón con otras células. Al igual que la ciudad, .la célula depende de los stnñiniStros del medió exterior. Debe tam· bién comunicarse y cooperar con otras télulas para poder mante- . ner el cuezpo en funcionamiento de manera coordinada. La Figura 3·11 mpresenta un mapa conceptual general de la. estructura de la célula. Las células del cuerpo humano están rodeadas por la solución salina diluida del líquido extraceW.Iar. La membrana celular separa el medio interno de la célula (el líquido intracelular) del líquido extracelular. A nivel interno, la célula está dividida en el dtoplasma y el nú· cleo. El citoplasma está confonnado por una porción líquida, denominada dtasol, por partículas insolubles llamadas inclusiones y por estructuras rodeadas de membrana colloddas en conjunto como orgánulos. La Figura 3-12 mmuestra una célula típica perteneciente a la mucosa del intestino delgado. Contiene la mayoría de las estructuras presentes en las células animales.

."""""""' •Cilios • Flagelos

Las célulaS están divididas en compartimentos La organización es~ctíual-de una télula puede ser comparada con la de una dudad medieval amurallada. la dudad está separada de' los 'ca,mpos circundantes por una alta-muralla, con en-

trada y salida estrictamente controlada ~ través de puertas qfie se abren y se cierran. l.a ciudad dentro de la muralla está dividida

El dtoplasma está formado por el dtosol, las

indusiones y los orgánulos El citoplasma incluye todo el material que se encuentra en el interior de la membrana celular a excepción del núcleo. Tiene tres componentes:

mFIGURA 3~11 Mapa conceptual para el estudio de la es~ tructura celular

-r ••

Capítulo 3 Compartimentadón: células y tejidos

Compartimentos intracelulares

Diá~etro· de_ los filamentos p~teicos en el !=_itopi~~m~

:f:iUM~N ANA~:~~~

DIÁMETRO

Las microvellosidades en la cara de la célula que mira hacia la luz del intestino aumenta el área superficial disponible para la absorción. Esta célula epitelial

Membrana celular

! Bicapa de moléculas fosfolipídicas con inserción de proteínas

TIPO DE PROTEfNA

FUNCIONES

Mic:rofilamentos

8-9nm

Actina {globular)

Citoesqueleto, se asoda con la miosina para la contracción muscular

Filamentos intermedios

10nm

Miosina, proteína de neurofilamento,

Citoesqueleto,
q~eratina

(filamentos)

ra la contracción muscular

de la célula y el líquido

además incluye la mayoría de los

Miaotúbulos

orgánulos e inclusiones de una célula típica.

Sustancia

semigelatinosa Citosol

c.~l

Haces de microtúbulos

Contiene desechos, iones ynutrientes disueltos, inclusiones insolubles; mantiene suspendidos a los orgánulos

Dirigen los movimientos del bNA durante la división celular

24-25 nm

Tubulina {globular)

2. Las inclusiones son partículas de materiales insolubles. Algunas son nutrientes almacenados, pero otras son responsables de funciones celulares especificas. A este último grupo en ocasiones se lo denomina orgánulos no membranosos. 3. Los orgánulos, o pequeños órganos", son como los órganos del cuerpo humano, ya que cumplen una labor eSpecífica en el funcionamiento general de la célula. Por ejemplo, los orgánulos denominados mitocondrias generan la mayor parte del ATP de la célula, mientras que los orgánulos denominados lisosomas actúan como el aparato digestivo de la célula. Los orgánulos operan de manera integrada, cada uno de ellos a cargo de una o más de las funciones celulares. 11

Usosomasy

¡@) peroxiwmas

Vesículas rodeadas por ntemhrana llenas con enzim rel="nofollow">s

Digieren bacterias, oigá.·

nulos viejos; rnetabolizan los ácidos grasos

Doble pared con matriz central

Mltocondria

~ Complejo de Golgi

~o

1Sacos membranosos hueros

~Q

Modifica y empaqueta

pro-.

... -

Núcleo

1Luz central con una en* Contiene elDNA para dirigir todas las fwlciones de la célula

Región de DNA, RNA !Ciéolo

y prOteína

¿;¡

Retículo endoplasmáUco

/) !/{,"".

~ endoplasmático

<

.. ••

Coittiene los genes que dirigen la síntesis del RNA n'bos.ómico Sitio de la síntesis proteica

Igual que el RE rugoso · Sintetiza ácidos grasos, pero sin ribosomas ~teroides y lípidos

t/ff(/ '""

Busque este asistente

en el capitulo pa¡a poder hallarla ubicación de los

l:====:_j distintos O!gánu!os. WFIGURA 3-12

61

"~ Ribosomas

Gránulos de RNA y proteína

M!crotUbulos y mlcrofilament<m

Fíbtas prot.eicas

~

-

Ensamblan aminoácidos

para formar proteínas Proporcionan resistencia y sostén; penniten la moti.lidad celular;

"""'P''"'

Las inclusiones están en contacto directo con el citosol las inclusiones de las células no tienen membranas divisorias y, por lo tanto, están en contacto directo con el citosol. El traspaso de material entre las inclusiones y el dtosol no requiere transporte a través de una membrana. Los nutrientes se almacenan co--. mo gránulos de glucógeno y gotitas de lípidos. la mayoría de las inclusiones que no tienen función de almacenamiento de energía están compuestas por proteínas o combinaciones de RNA y prO: te!nas. Estas inclusiones comprenden los ribosoroas, los proteaso-mas, las ribonudeoproteínas vaults o "barriles", y las fibras pro--

teicas.

Los ribosomas {Fig. 3-12) son pequeños gránulos _densos de fu\l"A y proteína que ensamblan proteínas bajo el control del DNA de la célula (véase capítulo 4). L.os ribosomas unidos a la cara dtosólica de los orgánuios se denominan ribosomas fijos. Los que se encuentran en suspensíón libre en el citosol se denominan ribosomas libres. Algunos ribosomas libres forman grupos de 10 a 20 conocidos como polirribosomas."Un ribosoma que en un mo-mento se encuentra fijo, puede liberarse Yconvertirse en un ribosoma libre al minuto siguiente. Los ribosomas son muy numero-sos en las células que sintetizan proteínas para exportación. Los proteasomas son proteínas cilíndricas huecas con un tapón proteico en cada extremo. Han sido descritas como ~~nano­ máquinas" porque son el sitio en el que se produce la degrada~ ción:proteica en la célula. Las partículas vaults Íl,leron descritas

Movimiento de Jos dllos, [os flagelos y los cromosomas, transporte intracelular de orgánuios, titoesqueleto

por primera vez en 1986 y están compuestas por RNA y proteínas. Al igual que los proteasomas, las partículas vauit son huecas, tienen fonna de barril, pero su función aún se desconoce. Uno de estos "barriles" ha sido asociado con la resistencia tumoral a ciertos agentes usados para el tratamiento del cáncer.

Los fibras proteicas citoplasmáticas se presentan en tres tamaños Las tres familias de fibras proteicas citoplasmáticas se clasifican de acuerdo con su diámetro y composición proteica (cuadro

3-21i'J). Todas las fibras son polímeros de proteínas más pequefias. Las más delgadas son los filamentos de actina, también denominados microfilamenros. Los filamentos intennedios son de diá-

metro mayor y tienen distinta composición proteica, por ejemplo, la miosina. en las células musculares, la queratina en las células de la piel y el cabello y los neurofilamentos en las células nerviosas. Las fibras más gruesas son los microtúbulos huecos, formados por una proteína llamada tubulina. Los fibras proteicas insolubles de la célula tienen dos propósitos generales: sostén estructural y movimiento. El sostén estructural lo realiza principalmente del dtoesqueleto. El movimiento de la célula y de sus componentes se produce con la ayuda de las fibras proteicas y un grupo de enzimas especializadas llamadas proteínas motoras. Estas funciones se analizan en detalle en las secdones siguientes.

Los microtúbulos forman centriolos, cilios y flagelos Los fibras proteicas más gruesas, los microtúbulos, forman las complejas estructuras que son los centriolos, los cilios y los flagelos, todos los cuales participan en alguna fonna de movimiento celular. El centro organizador de microtúbulos, el centrosoma, ensambla monómeros de tubulina para fonnar los microtúbulos. El centrosoma se presenta como una zona que se tiñe de color oscuro adyacente al núcleo celular. En la mayoría de las células animales, el centrosoma contiene dos centríolos, como se muestra en la Figura 3-12 de una célula típica. Cada centríolo es un haz dlíndrico de 27 microtúbulos, organizados en nueve grupos de tres microtúbulos (Fig. 3-13a 8). En la división celular, los centriolos dirigen el movimiento de las cadenas de DNA (véase Apéndice B).

~

~

G

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

62

(a) Los centrfolos dirigen el movimiento del ONA durante 1{1 división celular.

Compartimentos intracelulares

63

(e) Los cilios y los flagelos tienen 9 pares de microtcibutos qua rodean un par central.

1

Cifro

8 asistente muestra la

ubicación da este orgánulo en la gran célula de la figura 3-12. {d) 8 golpeteo de los cmos y de !os flagelos ·genera movimiento de liquido.

,,.

Movimiento de liquido

Movim!ooto dal!c¡uido

~

/\~.; ' <>;_~ ,, .,\ j\/f

!

~

~:;;;L Flagelo

Cilios

mFIGURA 3--14 El dtoesqueleto y los filamentOs proteicos citoplasmáticos · El dtoesque!eto mantiene andados a algunos orgánulos en su lugar y contribuye a dar la forma a la célula.

mFIGURA 3~13 Centríolos, álios y flagelos Las tres estructuras están formadas por mlcrotúbu!os.

Las células que han perdido la capacidad de dividirse, como las células nerviosas maduras, carecen de centriolos. Los cilios (dllium, término en latín para pestaña) son estruc~ turas cortas de tipo capilar que sobresalen de la superficie celular como las cerdas de un cepillo. La superficie de un cilio es una prolongación de la membrana celular y la zona central contiene nue· ve pares de microtúbulos alrededor de Gps nlicrotúbulos centralés (Fig. 3-13c). Los microtúbulos terminan dentro de la célula en el .cuerpo basal. Los cilios se mueven ótmicamente ~do el par de mlcrotúbulos centrales se deslizan uno sobre otro gracias a·la acción de la proteína motora dineína. El movimiento ciliar genera corrieÍJ.tes que barien los líquidos o secreciones de la _superficie cclulaL

Los flagelos _(/fagellwn, tér;nino en latín para látigo) tienen la misma organización de mlcrotúbulos que los cilios pero son considerablemente más largos. Por otra parte, las células animales fla. geladas sólo tienen uno o dos flag~os, mientras que las células ciliadas pueden tener su superficie totalmente recubierta por cilios. Los flagelos se encuentran en células aisladas que flotan libl:emente; la única célula humana dotada de flagelo es el espermatozoide (Fíg. 3-10). Los flagelos hacen desplazar la célula a través del líquido con movimientos ondulantes, como los que les permiten

a las serpientes avanzar en su medio. Los flagelos se contraen y desplazan por el mismo mecanismo básico que los cilios;

El citoesqueleto es un andamiaje modificable El dtoesqueleto es un andamiaje tridimensional, flexible y cambiante compuesto por microfilamentos de actina, filamentos intermedios y microtúbulos que se extienden por todo el citoplasma. Algunas fibras proteicas del dtoesqueleto son permanentes, pero la mayoóa se sintetizan o desensamblan de acuerdo con las necesidades de la célula. Debido a esta naturaleza modificable del dtoesqueleto, sus características de organización son complejas y no se analizarán en detalle. El dtoesqueleto tiene al menos cinco fundo~es importantes:

1. Forma de la célula. El andamiaje proteico del ~toesquele­ to proporciona resistencia mecánica a la célula y en algunas cumple un papel importante en la determinación de su forma. La figura 3-14 mmuestra de qué manera las fibras del cttoesqueleto sOstienen las microvellosidades; exten· siones semejantes a dedós de la membrana celular que aumentan la superficie de absorción de materiales. 2. Organización interna. Las fibras del citoesqueleto estabi·

lizan la posición de los orgánulos. La figura 3·14b muestra un diagrama de un célula típica con los orgánulos en su lugar gradas a la función de estabilización del dtoesqueleto. Téngase en cuenta, sin embargo, que esta figura es simpiemente una imagen estática de un momento en la vida de la célula. La composición y organización interna de la cé- lula es dinámica y varia minuto a minuto en respuesta a sus necesidades, al igual que el interior de la dudad amu: rallada, que se encuentra en continuo movimiento. Una de las desventajas de las ilustraciones estáticas de los libros es que no pueden representar con precisión el movimiento ni la naturaleza dinámica de muchos procesos fisiológicos. 3. 'fiansporte intracelular. El dtoesqueleto contribuye al transporte de materiales hada la célula y dentro del citoplasma, y cumple las función de "vías de ferrocarril" intra· celular para el desplazamiento de los orgánutos: Esta fun. dón es de particular importancia en las células del sistema nervioso, en las cuales hay qtie transportar marerial a distancias intracelulares que pueden -alcanzar a un metro. 4. Ensamble celular para formar tejidos. Las fibras proteicas del citoesqueleto se conectan con las fibras proteicas del espado extracelular para unir a las células entre si y dar sostén al material exterior. Además de proporcionar resistenda mecánica al tejido, estas uniones penniten la transfe¡ renda de información de una célula a otra.

S. Movimieilto. El dtoesqueleto contiibuye al desplazamiento de las células, desde el de los leucocitos para salir del tonente sanguíneo basta el de células nerviosas en crecimiento que generan prolongaciones a medida que se alargan. Los cilios y los flagelos de la membrana también tienen movimiento gradas a su dtoesqueleto microtubular. Tanto el movimiento como el transporte illtracelular están fadlitados por proteínas motoras especiales que utilizan energfa del ATP para deslizar. se o trasladarse sobre las fibras dtoesqueléticas.

Las proteínas motoras generan movimiento Las proteínas motoras son capaces de convertir energía alma· cenada movimiento dirigido. Hay tres tipos de proteínas motoras asociadas con el dtoe:squeleto: las mtosinas, las ctnesinas y las dineínas. Los tres grupos utilizan la energía almacenada en el ATP pata autopropulsarse sobre las fibras del dtoesqueleto. Las miosinas se unen a los filamentos de actina y se las conoce por su papel en la conl:nlcción muscular, que se describe en detalle en el capitulo 12. Las cinesinas y las dineínas están asociadas con el movimiento a lo largo de los micrÓtúbulos; las dmeínas asociadas con los haces de microtúbulos de los cilios y los flagelos contribuyen a generar un mO'fimiento semejante al de los latigazos. La mayoría de las proteínas motoras están compuestas por múltiples cadenas proteicas con dos cabezas que se unen al fila.

en

l

r 64

Compartimentus intracelulares

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

65

REVISIÓN S. Nombre los tres tamaños de fibras proteicas dtoplasmátícas. 6. ¿De qué manera afectaría la ausencia de un flagelo a un espermatozoide? 7. ¿Cuál es la diferencia entre citoplasma y dtosol? 8. ¿Cuál es la diferencia entre cilios y flagelos?

retículo

9. ¿Cuál es la fundón de !as protelnas motoras?

endop!asmático

Respuestas en la p. 87

Los orgánu/os crean compartimentos para funciones especializadas

B FIGURA 3·15 Proteína$ motaras·

las proteínas motoras tienen múltiples cadenas proteicas que forman dos cabezas, un cuello y una cola que se une a los orgá· nulos u otras cargas. Las cabezas "caminan" sobre las fibras del dtoesqueleto con la ayuda de la energla del ATP. mento del dtooqueleto, un ruello y una cola responsable de unirse a la "carga", por ejemplo un orgánulo que necesita ser transportado a través del dtoplasma (Fig. 3-15 m). Las ~se unen en forma alternada al filamento del citoesqueleto, luego se sueltan yavanzan. Nuestro modelo actual de este proceso indica que cada paso requiere la energía almacenada en una molécula de ATP.

Los orgánulos están separados del cttosol por una o más membranas fosfolipídicas similares en estructura a la membrana celular. Estas membranas crean compártimentos que le permiten a la célula aislar sustandas y separar fundones. Por ejemplo, un orgánulo podría contener sustancias dañinas pará la célula, como las enzimas digestivas. El proceso de modificación y empaquetamiento de proteínas es otro ejemplo de separación de funciones. Las proteínas se modifican en un orgánulo, se empaquetan 'én otro y, finalmente, se almacenan en, un tercero. La figura 3-12 muestra los cuatro grupos principales de orgánulos: las mitocondrias, el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi y. los lisosomas y peroxisomas.

Retículo endop!
mFIGURA 3·17 El retículo endoplasmátíco El RE rugoso tiene unidos rlbosomas y eS el principal sitio de la síntesis proteica. El RE liso carece de ribosomas y es el sito de !a síntesis Upfdlca.

Mitocondrias. Las mitocondrias son pequeños orgánulos de forma esférica a elíptica con una singular doble pared (Eg. 3-16 8). La membrana externa de la pared es la que le confiere a la mitocondria su forma. La membrana interna presenta pliegues o túbulos que redben el nombre de crestas mitocondriales. La doble mem-

"brana crea dos compartimentos separados dentro de la mitoconLa segunda característica inusual de las mitocondrias es su cadria. En el centro, en la parte interior de la membrana interna, se pacidad de replicadón aun cuando la célula a la que pertenecen encuentra el compartimento denominado matriz mitocondrlaL no se encuentre en proceso de división celular. Este proceso es La matriz contiene enzimas, ribosomas, gránulos y DNA. Entre la asistido por la presencia de DNA mitocondtial, que permite que membrana externa y la interna se encuentra el espado inter los orgánulos controlen su propia duplicación. La replicadón mimembrana, un compartimento que cumple un papel importantocondrial se produce por gemadón, y la pequeña mitocondña te en la producción de ATP por parte de la mitocondria. hija se desprende por estrangulación de su progenitora aumentaLas mitooondrias son el lugar donde se sintetiza la mayor par· da en tamaño. Células como las del músculo esquelético, sufetas te del ATP, motivo por el cual se las apoda las "centrales eléctri· a mayores demandas de energía durante un período de tiempo, cas" de la célula. El número de mitocondtias de una célula deter· pueden satisfacer la mayor demanda de ATP a través del increminada depende de los requerimientos energéticos de dicha célu- · mento del número de mitocondrias en el citoplasma. la. Las células del músculo esquelético, que consumen grandes cantidades de energía, tienen muchas roás mitocondñas que ottas Retfqdo endoplasmático. El retículo endoplasmático, o RE, es células menos activas como las células adiposas (grasas). uria red de tubos interconectados (Fig. 3-17m) que son la prolon· Las mitocondrias son orgánulos inusuales por dos mqtivos. En gadón de la membrana externa que rodea el núcleo celular. El tér. primer lugar, en ~ matriz llevan su DNA propio y único. Este mino retículo deriva del latín reüculum, que significa red, y define DNA mitocondrial, junto con el RNA de la matriz, permiten que la apariencia de red de los túbulos. Las fotomicrografias electrónilas m.ltocondrias sinteticen sus propias proteínas. ¿Por qué ocurre cas revelan que existen dos forritas de retículo endoplasmático: el esto con las mitooondrias y no con otros orgánulos? Esta pregunretículo endoplasmático rugoso (RER) y el retículo endoplasta ha sido materia de intensa investigadón. De acuerdo con la teamático liso (REL). El retículo endoplasmático rugoso es de apa· rfa eruWslmbiótica procariota, las mitoéon~as descienden de bacrienda granular, o rugosa, debido a las filas de ribosomas que taterias que invadieron células· hace millones de años. Las ~ulas pizan la superficie citoplasmática. El tetículo endoplasmático liso desarrollaron una reladón de beneficio mutuo con sus huéspedes carece de ribosomas y se presenta como tubos con membrana liy pronto se convirtieron en parte integral de las células huésped. sa. Las dos formas de retículo comparten tres funciones principaUna prueba que confirma esta teoría es el hecho de que nuestras les: síntesis, almacenamiento y transporte de biomoléculas. mitocondrias contienen DNA, RNA y enzimas similares a aquellas El retículo endoplasmático liso constituye el sito primario de presentes en las bacterias y diferentes de las que se encuentran en la síntesis de ácidos grasos,-esteroides y lípidos {~p. 29). Ade. los núcleos de nuestras células. más, -aquí se sintetizan los fosfolipidos de la membrana celular y 4

Membrana interna

La matriz es el compartimento más interno

Cara citosólica de la membrana

8 espacio intermembranoso fonna un compartimento

IN FIGURA 3-16 Mitocondrias

Las mitocondri3s tienen una estructura de doble pared con una membrana interna sumamente plegada. La doble pared crea-dos com· partimentos: la matriz mrtocondrial interna y un espado intermembrana.

~

r 66

Comp!Jrtimentos intracelulares

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

guntas que d~ncertó a los primeros inv~tigadores era por qué

estas enzimas no destruían a las células que las contenían. Los

,x

1

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{a)

li!l AGURA 3-18 El complejo de Golgi

los sacos aplanados del complejo de Golgi están rodeados por vesfculas. se transforma el colesterol en hormonas esteroides, como las hormonas sexuales estrógeno y testosterona. El retículo endoplasmático liso de las células del riñón y del hígado detoxifl.can o inacti-

van fármacos. En las células del mfucula esquelético, una forma modificada de retículo endoplasmático liso almacena iones de caldo (Ca
viejos, como las mitocondrlas, en sus moléculas constitutivas. Aquellas moléculas que pueden ser reutilizadas son· reabsorbidas en el citosol, mientras que el resto es expulsado fuera de la.célu· la. Se han identificado alrededor de 50 tipos de enzimas en J.iso.. somas de distintos tipos celulares. Debido a que los lisosomas sc;m tan poderosos, una de las pre-

Complejo de Golgi. Fl comp~jo de Golgi {F¡g. 3·18 m) fue descrito por primera vez en 1898 por Camillo Golgi. DUrante años, algunos investigadores creyeron que este orgánulo era el resultado del proceso de fijación necesario para la preparación de tejidos previa a su observadón al microscopio óptico. Sin embargo, ahora sabemos, gradas a la microscopia electrónica, que el complejo de Golgi es sin duda un orgánulo. Está compuesto por una sede de sacos curvos huecos, apilados unos sobre otros como una serie de bolsas de agua caliente y rodeados por esferas unidas a su membrana llamadas vesículas. El complejo de Golgi recibe las proteínas sintetizadas. en el retículo endoplasmático rngosó, las modifica y las empaca en las vesículas. La síntesis, modifi.éad~ .y empaquetamiento de proteínas se analizan en detalle en el capítulo 4. Vesfculas dtoplasmáticas. Existen dos tipos de vesículas citopJas... máticas unidas a la membrana: las secretoras y las de almacena. miento. Las vésículas secretoras contienen proteínas que serán exportadas a otras reglones del cuerpo. Por el contrario, el contenido de la mayoña de las vesículas de almacenamiento-, nunca deja el citoplasma Los lisosomas (lysis, disolución; sfJT7U1, cuerpo) son pequeñas vesíOJlas esféricas de almacenamiento· que aparecen en el citoplasma como gránulos·rodeados de membrana {Fig. 3--19 fil), Los lisoromas actúan como el aparato digestivo celular y utilizan potentes enzimas para descomponer las bacterias o los orgánulos·

científicos descubrieron que las enzimas lisosomales sólo se acti· van en condiciones muy ácidas, 100 veces Jliás ácidas que el ni· vel de addez nonnal del citoplasma Cuando los lisosomas son expulsados por primera vez del complejo de Goigi, el pH de su interior es muy similar al del cttosol, 7,0.7;3. Aeste nivel de pH, las enzimas están inactivas. Esta inactividad es una forma de seguro. Si el J.isoSoma se rompe o libera la enzima accidentalmente, no provocará daño a la célula. Pero cuando ellisosoma se asienta en el citoplasma acumula H+ en un proceso que con.sume energía. El pH del interior de la vesícula disminuye a 418--5,0 y las enzimas se activan. Una vez que esto ocurre, las enzimas son capaces de degradar varias biomoléculas de la luz. La membrana lisosomal no se ve afectada por las enzimas. Las enzimas digestivas de los lisosomas no siempre están ais. ladas dentro de orgánulos. En ocasiones, los lisosomas liberan sus entimas fuera de la célula para disolver el material de sostén extracelular, como el carbonato de caldo del hueso. En otros casos las .células permiten que las enzimas de los lisosomas entren en contacto con el citoplasma, lo que lleva a la autodigestión de toda o parte de la célula Cuando los músculos se atrofian (encogen) por falta de actividad, o cuando el útero disminuye su taina. ño luego del embarazo, la pérdida de masa celular es consecuen· da de la acción de los lisosomas. La liberación inadecuada de enzimas lisosomales está implica· da en ciertos estados patológicos, como la inflamación y la des-trucdón de tejido articular en la artritis reum.a.toidea. En las enier· medades hereditarias conoddas como enfennedades de almacena· ·miento lisosomal, los lisosomas son ineficaces porque carecen de enzimas específicas. Una de las enfennedades de almacenamiento lisosomal más conocidas es la enfermedad de Tay..Sachs, un trastomo hereditario grave. Los lactantes con enfermedad de Thy. Sachs tienen lisosomas defectuosos incapaces de degradar los glucolípidos. La acumulación de glucolípidos en las células nerviosas causa la disfunción del sistema nervioso, como cegueta y pérdida de coordinación. La·mayoria de los niños afectados por la~­ medad de Tay..sachs muere en los primeros afios de vida. Los peroxisomas son vesículas de almacenamiento aún más pequeñas que los lisosomas (Fig. 3--19}. Durante años se creyó que· eran un tipo de lisosomas, pero ahora se sabe que contienen un grupo diferente de enzimas. La principal functón parece ser la de· gradación de los áctdos grasos de cadena larga y de las moléculas extrañas potencialmente tóxicas. Los peroxisomas deben su nombre al hecho de que lás reacciones que se producen dentro de ellos generan peróxido de hidrógeno ~Oí), una molécula tóxica. ~tos orgánulos convierten rápida· mente el peróxido en oxígeno y agua por medio de la enzima catalasa. Los trastornos peroxisomales alteran el procesamiento normal de los lípidos y pueden afectar la función neuronal por la alteración de la estructura de las membranas de las células nerviosas. ~

.

rtslóN 10. ¿Qué drterenda a los orgánulos de las indusiones?

mFIGURA 3-19 Usosomas y peroxisomas Ambos tipos de vesfculas contienen grupos únicos de enzimas digestivas.

es la diferencia anatómica entre el retículo endop!asmático rugoso y el retfculo endop!asmátko liso? ¿Cuál es la diferencia funcional?

11. ¿Cuál

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12. ¿Cuál es la diferencia entre los lisosomas y los peroxisomas?

13. Aplique el tema fisiológico de la compartimentación a los orgánulos en general y a las mitocondrias en particular. · 14. El examen microscópico de una célula revela la presencia de muchas mitocondrias. ¿Qué implica esta observación respecto del requerimiento energético de esa

célula? 15. Al examinar el tejido de una especie de pe<es previamente desconocida descubre un tejido que contiene una gran cantidad de retlculo endop!asmático liso en las células. ¿CUál es una posible función de estas células? Respuestas en la p. 88

El núcleo es el centro de control de la célula El núcleo de la célula contiene DNA, el material genético que controla todos los procesos celulares. Una de las áreas más activas de la investigación biológica es la manera en que el núdeo rectbe infonnadón sobre la situadón en la célula o en otras reglones del organismo y responde controlando con ajustes precisos la síntesis proteica celular. La figura 3-20 tiiJ ilustra la estructura de un nÚ· deo típico. El núdeo·está rodeado por la envoltuia nuclear, una es~ctura de doble membrana que separa ai núcleo del compar· timento citoplasmático. La membrana externa de la envoltura es. tá conectada con el retículo endoplasmático, y ambas membranas de la envoltura están perforadas por orificios redondos o poros. La comunicación entre" el núcleo y el citosol se produce a través de los complejos del poro nuclear, ~des complejos proteicos contun canal central. Los iones y las moléculas pequeñas se mueven libremente a través de este canal cuando está abierto, pero las grandes moléculas, como las proteínas y el RNA, debfn ser

1

r 611

Tejidos corporales

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

69

·.;;\_.:~~~~~~·~f>·-::; -Pn~~P~Ie{~~i~~~as_·.d.~ il~heSión celular (CAM) La envoltura nuclear es una doble membrana que separa al Ílúcleo del citoplasma

1 transportadas por medio de un proceso que consume energía. Este requerimiento le permite a la célula restringir la presencia de DNA al núcleo y la de varia,s enzimas alternativamente al citoplasma o al núcleo. En las imágenes de microscopia electrónica de células que no se enru_entran en proceso de división celular, el núcleo aparece lleno de material granular disperso, o cromatina, compuesto por DNA y proteínas asociadas. Generalmente el núcleo contiene de uno a cuatro cuerpos que aparecen oscuros cuando se tiñen y están constituidos por DNA, RNA y proteínas llamados nucléolos (nucleolus, núcleo pequeño). Los nudéo_Ios contienen los genes y las proteínas para controlar la síntesis de RNA ribosómlco (véase Apéndice B).

TEJIDOS CORPORALES A pesar de la gran variedad de estructtu:as intracelulares, nin· guna célula puede por sí sola llevar a cabo todos los procesos del cuerpo humano maduro. Por el contrario, las células se ensamblan para formar unidades de mayor tamaño que llamamos tejidos. Las células de un tejido se mantienen unidas a través de conexiones especializadas denominadas uniones celulares y por medio de otras estructuras de sostén. La c~mplejidad de los tejidos varia desde tejidos simples que contienen sólo un tipo celular, romo el endotelio de los vasos sanguíneos, hasta tejidos co.q¡.plejos que contienen diversos tipos celulares y gran cantidad de mate-

NOMBRE

EJEMPLOS

cadherínas.

Uniones céfufa-céfula ~omo fas uniones adherentes y los desmosomas

lntegrinas

'Presentes fundamentalmente en fas uniones célula-matriz

NCAM (moléculas de adhesión de fa célula nerviosa)

Crecimiento de la célula nerviosa durante e! desarrollo del sistema nervioso

Selectinas

Adhesiones célula-célula tempor_arias

La composición de la matriz extracelular varía de un tejido a otro, pero siempre incluye dos componentes básicos: loS proteoglucanos y los filamentos proteicos insolubles. Los proteoglucanos son glucopwteínas, es decir proteínas unidas a cadenas de polisacáridos por enlaces covalentes (~p. 32). Las fibras protei· cas insolubles, como el colágeno, la fibronectina y la laminina, son las que confieren resistencia y el anclaje de las células a la matriz. Las uniones entre la matriz extracelular y las proteínas de membrana o el citoesqueleto son algunos de los medios de comunicación entre la célula y el ambiente externo. La cantidad de matriz extracelular de un tejido es altamente variable. El tejido muscular y nervioso tienen muy poca matriz, mientras que los tejidos conectivos, como el cartüago, el hueso y la sangre, tienen gran cantidad de matriz, que ocupa tanto volu· men como las células. La consistencia de la matriz también es variable, desde acuosa (en la sangre y la linfa) a rígida (en el hueso).

rial extracelular, como el tejido conectivo. Las células de la mayoría de los tejidos funcionan coordinadamente para alcanzar un objetivo común. El estudio de la estructura y la función de los tejidos se denomina histología (hisWs, tejido}. Los histólogos describen los tejí· dos de acuerdo con sus características físicas: 1) la forma y el tamaño celular, 2) la disposición de las células en el tejido (en capas, dispersas, etc.), 3) la conexión entre las células, y 4} la-cantidad de material extracelular presente-en el tejido. Existen cuatro tipos dE! tejidos principales en el cuerpo humano: epitelial, conectivo, muscular y neural o nervioso. Antes de examinar cada· tipo de tejido en particular, se analizará la: forma en la que se ensamblan las células para formar los tejidos.

La matriz extracefular cumple d~versa~ fundones La matriz extracelular (generalmente llamada sólo matriz) es material extracelular sintetizado y secretado por las células de un tejido. Durante años los científicos creyeron que se trataba de una sustancia inerte cuya única función era mantener unidas a las células. Sin: embargo, las pruebas experimentales muestran que la matriz extracelular desempeña un papel vital en muchos procesos fisiológicos, desde el crecimiento y el desarrollo hasta la muerte celular. Muchos estados patológicos están relacionados con la superproducción o la destrucción de la matriz extracelular, como la insuficiencia cardíaca crónica y la propagación de células cancerosas en el organismo (metástasis).

ción dtoplasmática entre las células adyacentes de manera que las señales químicas y eléctricas pasen rápidamente de una célula a la otra.{Fig. 3-21c 13). Proteínas cilíndricas denominadas ·canf.l!inas se entrelazan para formar corredores que se asemejan a remaches huecos con estrechos canales en el centro. Estos canales se abren y se cierran para regular el paso de pequefias moléculas y de iones a través de ellos. Se creía que las uniones comunicantes sólo estaban presentes en células nerviosas y musculares, pero ahora se sabe que también constituyen una comunicación intercelular importante en muchos otros tejidos, como el del hígado, el del páncreas, el de los ovarios y el de la tiroides. 2. I..alj ~ones estrechas en los seres humanos y otros vertebrados son uniones oclusivas diseñadas para restringir el movimiento de material entre las células que unen. En las uniones estrechas, las membranas de las células adyacentes se fusionan parcialmente con 1a ayuda de proteínas llamadas claudinas y ocludinas, y de esa manera forman una barrera {Fig. 3-Zla). Al igual que muchos procesos fisiológicos, las propiedades de barrera de Las uniones celulares mantienen unidas a fas células las uniones estrechas pueden ser alteradas de acuerdo con las nepara formar tejidos cesidades del organismo. Durante el crecimiento y el desarrollo, las células forman adLas uniones estreclm en el tubo digestivo y en los riñones evihesiones célula-célula que pueden ser temporarias o desarrollar tan que la mayoría de las sustancias se desplacen libremente~­ uniones celulares de carácter permanente, Las moléculas de adtre el medio interno y el externo y, por lo tanto, permiten que las hesión celular, CAM:, son pwteínas transmembrana responsacélulas regulen lo que entra y lo que sale del cuerpo. Las uniones bles de las uniones celulares yde las adhesiones celulares tempoestrechas también crean la denominada barrera hematr.Jencefálica rarias (cuadro 3-3 G). Las adhesiones intercelulares o las adhesioque evita que sustancias potencialmente dañinas del torrente nes entre las células y la matriz mediadas por las CAM son - sanguíneo lleguen al líquido extracelular del cerebro. esenciales para el crecimiento y el desarrollo normales. Por ejem3. Las uniones de anclaje unen unas células a otras (uniones plo, las células nerviosas en crecimiento se desplazan por lamade anclaje célula-célula) o a las células con la matriz extracelular triz extracelular con la ayuda de moléculas de aáhesi6n de la célula (uniones de anclaje célula-matriz). En los vertebrados, las uniones nerviosa, NCA1vf. La adhesión celular permite que los leucocitos de andaje célula-célula son creadas por CAM llamadas cadheripuedan salir de la circulación y llegar a los tejidos infeCtados, así nas, que se unen unas a otras a través del espacio intercelular. Las como permite que grupos de plaquetas se peguen a los vasos san. uniones de anclaje célula-matriz utilizan CAM llamadas integriguineos dañados. Como las adhesiones celulares no son permanas. Las integrinas son proteínas de membrana que también se nentes, la unión entre las CAM y la matriz es débil. unen a moléculas de señal presentes en el medioambiente celular Las uniones celulares pueden clasificarse en tres grupos: las y transfieren la información transportada por la señal a través de uniones en hendidura o comunicantes, las uniones estrechas y la membrana celular al citoplasma. Las uniones de anclaje han silas uniones de anclaje. Las uniones en hendidura permiten una do comparadas con botones o cierres que un"en a las células y las combinación directa entre las células. Las uniones estrechas son mantienen ubicadas en el tejido. Véase cómo las proteínas cadheuniones oclusivas que impiden el traspaso de materiales entre las rinas en la figura 3--Zlb se asemejan a los dientes de un derre de células. Las uniones de anclaje mantienen a las células unidas encremallera. tre sí o con la matriz extracelular. La unión de proteínas por medio de uniones de anclaje es 1. Las uniones en hendidura o comunicantes son las formas muy fuerte,lo que permite que las láminas de tejido que recubren más simples de unión célula<élula. Crean puentes ?e comunicalas cavidades corporales y de la piel resistan el daño producido

1

70

71

Tejidos corporales

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos (a) Unión estrecha

UNIONES CELULARES

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1 Función

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nPil: Protefnade membrana

Fibra del cítoesqueleto

Protefna de matriz

los desmosomas anclan las células entre sf.

ffi AGURA :3--22 Mapa

El músculo cardiaco tiene

intenne
uniones comunicantes. {e) Unión comunicante

los racimos de

uniones comunicantes crean puentes citoplasmátlcos entre las células adyacentes.

!ill FIGURA 3~21

Tipos de uniones célula-célula

Las uniones estre
paran, se fonna una ampolla.

Los tejidos unidos por uniones de anclaje son como una cer~

ca de estacas, en la cual lOs espades entre las estacas permiten el paso de los materiales de un lado a otro de la cerca. En contrapar· tida, los tejidos unidos por uniones estrechas son como un muro de ladrillos: muy poco material puede pasar hada el otro lado del muro entre los ladrillos.

conceptual de las uniones celulares

Las uniones de anclaje célula-célula adoptan la forma de uniones adherentes o de desmosomas. Las uniones adherentes (Fig. 3-2lb) vinculan los filamentos de actina de células adyacentes. Los desmosomas se unen a los filamentos intermedios del dtoesqueleto. Los desmosomas son las uniones célula-célula más fuertes. Las imágenes de microscopia electrónica permiten reconocerlos como cuerpos densos de glucoproteínas, o placas, que yacen en el intertor de la membrana celular en la zona en la que se conectan las dos células (Fig. 3-2lb). Los desmosomas pueden aparecer como pequefios puntos de contacto entre dos células (macula adherens) o como bandas que rodean completamente la · célula. (desmosomas en banda). Existen dos tipos de utúones de anclaje célula-matñz. Los hemidesmosomas son uniones fuertes que unen los filamentos intemledios del dtoesqueleto a las proteínas fibrosas de la matriz como la laminina. Las adhesiones focales unen los filatÚentos de actina intracelular a las distintas proteínas de la matriz como la fibronectina. La pérdida de uniones celulares normales desempeñan un papel en diversas enfermedades y en las metástasis. Los trastornos en los cuales se destruyen o no llegan a formarse las uniones celulares pueden tener síntomas desfiguranies y dolorosos, como lo es la piel ampollada. Uno de esos trastornos es el pénfigo, una enfermedad en la cual el organismo ataca algunas de sus proteínas en las uniones celulates (www.penphigus.arg). La desaparición de las uniones de anclaje posiblemente con* tribuya a la aparictón de metástasis de las células cancerosas en todo ~ cuerpo. Las células cancerosas pierden sus U?~ones de an·

claje porque tienen menos moléculas de cadherina y las uniones con las células vecinas no son tan firmes. Una vez que la célula cancerosa se ha librado de su anclaje secreta enzimas conocidas como proteasas, que digieren proteínas. Estas enzímas, particularmente las memloprateinasas de la matriz (MMP), disuelVen lamatriz extracelular, por lo que las células cancerosas Ubetad~ pueden invadir los tejidos adyacentes o ingresar al torrente sanguineo. Los científicos están investigando maneras de bloquear las MMP en un intento de prevenir la metástasis. La figura 3-22 liil presenta un resumen de las uniones celulares. Comprendida la manera en la que las células están unidas para formar tejidos, se analizarán los cuatro tipos direrentes de tejido del cuerpo humano: 1) epitelial, 2) conectivo, 3) muscular y 4) nervioso. ISIÓN 16. Nombre las tres categorfas funcionales de uniones

celulares. 17. ¿Qué tipo de unión celUlar: a) restringe el movimiento de materiales entre las cé!u· . fas? b) permite el traspaso directo de sUstancias del citoplasma de una célula al citoplasma de la célula adyacente? e) crea las uniones célula-<:élula más fuertes?

d) une los filamentos de actlna de la célula a !a matriz

extracelular? Respuestas en !a p. 88

r72

Capitulo 3 Compartimentación; células y tejidos

Tejidos corporales

Los epitelios ofrecen protecáón y regulan

73

9 FIGURA 3-24 Distribudón de Jos epitelios en el cuerpo

el intercambio Los tejidos epiteliales, o epitelios, protegen el medio interno del organismo y regulan el intercambio de materiales entre los medios interno y externo. Estos tejidos cubren las superficies expuestas, como la piel, y recubren las vías internas, como el aparato digestivo. Toda sustanda que entra al medio interno del organismo o salga de él debe cruzar un epitelio.

Algunos epitelios, como la piel y la mucosa de la boca, actúan como barrera para mantener el agua dentro del cuerpo y los invasores como las bacterias afuera. Otros epitelios, como el del riñón

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y el del tubo digestivo, controlan el movimiento de materiales

entre el medio externo y el líquido extracelular del cuerpo. Los nutrientes, los gases y los desechos frecuentemente deben atravesar varios epitelios diferentes en su paso entre las células y el mundo exterior. Otro tipo de epitelio se especializa en la producción y secreción de productos químicos en la sangre o en el-medio externo. La transpiración y la saliva_ son ejemplos de sustancias secretadas en el medio externo; las hormonas se secretan en la sangre. Estructura de Jos epitelios. Los epitelios generalmente están com· puestos por una o más capas de células conectadas entre sí, con una delgada capa de matriz extracelular-entre las células epiteliales y los tejidos subyacentes (Fig. 3-23 0). Esta capa de .Qlatriz, denominada lámina basal o membrana basal, está compuesta por una red de colágeno y de filamentos de Jaminina incrustados en proteoglucanos. Los filamentos proteicos unen las células epiteliales a las capas celulares subyacentes, al igual que las uniones celulares unen cada una de las células entre sí o al epitelio. Las uniones celulares en los epitelios son variadas. Los fisiólogos clasifican los epitelios como "permeables" o "impermeables", según la facilidad con la que las sustancias pueden atravesar la capa epitelial. En el epitelio permeable, las uniones de anclaje per· miten que raS moléculas atraviesen el epitelio al pasar por la <:omunicación entre dos <:élulas epiteliales adyacentes. Un ejemplo típico de epitelio permeable son las paredes de los capilares (los vasos sanguíneos más pequeños), donde todas las moléculas disueltas -a excepción de las grandes proteínas- pueden pasar de la sangre al líquido interstiCial a través de las comunicaciones entre las <:élulas epiteliales adya<:entes. En un epitelio impermeable, como el del riñón, las c:élulas adyacentes están unidas por uniones estrechas y membranas invaginadas que generan una barrera, que evita que las sustancias traspasen las células adyacentes. Para franquear un epitelio impermeable, la mayoría de las sustancias. debe ingresar a las <:élulas epiteliales y atravesarlas. La imperineabilidad de un epitelio es proporQonal a su selectividad respecto de las sustancias que pueden atravesado. Algunos epitelios, como el intestinal, tienen la capacidad de modifi<:ar su permeabilidad de acuerdo <:an las necesidades del organismo. Tipos de epitelios. Desde el punto de vista estructural, los tejidos epiteliales pueden clasificarse en dos grupos generales: 1) láminas de tejido que recubren la superficie del cuerpo y tapizan el interior de los conductos y de los órganos huecos y 2) epitelios secretores que sintetizan y secretan sustancias al espado extra<:elulai

h~

•

PREGUNTAS

m FIGURA 3-23 Microfotografía óptica de tejido epfte#af las células del epitelio ciliado en esta imag-en están unidas a una capa acé!u!ar denominada lámina basal.

• ¿Qué sistemas o aparatos tienen epltei!o de transporte? ¿Epitelio de intercambio? ¿Epitelio ciliada? ¿Epitelio

protector? o ¿Dónde se liberan !as secreciones de !as glándulas endocrinas? • ¿Dónde se liberan las se<:reciones de las glándulas exocrinas?

Los histólogos clasifican los epitelios de acuerdo con el número de <:apas celulares del tejido y la foima de las células en la capa más superficial. Este esquema de clasificadón reconoce dos tipos de epitelios: epitelio simple (una sola capa de células) y epitelio estratifi<:ado (varias capas celulares), y tres tipos de células: planas, cúbicas y cilíndricas. Los fisiólogos, por su parte, se ocupan de las funciones de estos epitelios; por lo tanto, en lugar de utilizar las descripdones histológicas, los epitelios se clasificarán de acuerdo <:an sus funciones. Existen cinco tipos funcionales de epitelios: de intercambio, de transporte, ciliado, protector y secretor. Los epitelios de intercambio permiten el rápido intercambio de materiales, especialmente de gases. Los epitelios de transporte son selectivos respecto de las sustancias que los atraviesan y se encuentran fundamentalmente en tracto intestinal y en los riñones. Los epitelios dliados están ubicados en las vías aéreas del aparato respiratorio y en el aparato reproductor femenino. Los epitelios protectares se encuentran en la superficie del cuerpo y en las aberturas de las cavidades corporales. Los epitelios secretares sintetizan y secretan productos al medio externo o a la sangre. La figura 3-24 e muestra la distribución de estos epitelios en los aparatos del cuerpo humano. Véase que la mayoría de los epi· telios enfrentan con una de sus caras efmedio externo y con la otra el liquido extracelular. La única excepción son las glándulas endocrinas. El cuadro 3-4 @ presenta un resumen de los tipos de epitelios.

REFERENCIAS

.:;;:::!:: intercambio

e~ secreción ffo::. epitelio

~ secretor

{Fig. 3-2Sa ffi). Los histólogos clasifican este tipo de epitelio <:amo

epitelio plano simple porque tiene una úni<:a capa de c:élulas plan.as delgadas. El epitelio plano simple que recubre el <:orazón y los vasos sanguíneos también se denomina endotelio. Epitelios de transporte. Los epitelios de transporte regulail de manera activa y selectiva el intercambio de sustancias no ga-_ seosas, como iones y nutrientes, entre los medios interno y externo. Estos epitelios tapizan el interior de los <:onductos huecOs del aparato digestivo y el riñón, en los cuales la luz se abre al medio externo ( ~P- 51). Los epitelios de transporte reúnen varias características (Fig. 325b)' l. Forma <:elular. Las <:élulas del epitelio de transporte son mucho más gruesas que las células de los epitelios de intercambio y actúan al mismo ti_empo <:omo barrera y <:amo puerta de entrada. La capa celular tiene el espesor de una célula (epitelio simple), y éstas son cibicas o cillndricas. 2. ModificaciOnes de la membrana. La membrana apical, la superficie de la célula epitelial que mira hada la luz, tiene microvellosidades que !lumentan la superficie disponible para el transporte. La célula con microvellosidades tiene una superficie aproximadamente 20 veces mayor que la célula que carece de ellas. Además, la membrana basolate-

Epitelios de intercambio. Los epitelios de intercambio están compuestos por delgadas células planas que permiten el rápido traspaso de gases (COz y OiJ a través del epitelio. Este tipo de epitelio tapiza los vasos sanguíneos y los pulmones, los dos princi· pales sitios de inten:ambid de gases del organismo. En los capilares, las ~omunicaciones o poros del epitelio también penniten que las moléculas más pequeñas que las proteínas pasen entre dos c:élulas adyacentes, lo que lo convierte en un epitelio permeable ¡-¡·

epitelio de intercambio ~

epitelio protector epitelio cillado epitel!o de transporte

tal, la porción de la célula epitelial que enfrenta el líquido extracelular, también puede tener pliegues que aumentan la superficie de transporte de la <:élula. 3. Uniones celulares. Las células de los epitelios de transporte están unidas a las c:élulas adyacentes por uniones moderadamente fuertes a muy fuertes, lo que implica que para atravesar el epitelio el material debe ingresar primero a la célula epitelial a un lado del tejido y salir de la céluia al otro lado del tejido. 4. Orgánulos celulares. La mayoría de las ~<:élulas que transportan materiales tiene gran cantidad de mitocondrias que proporcionan la energía para los procesos de transporte (que se tratan eq detalle en el <:apítulo 5). Las propiedades de los epitelios de transporte vaóan de aruerdo <:an la zona del cuerpo en -la cual se encuentran. Por ejemplo, la glucosa puede atravesar el epitelio que recubre la luz del intestino delgado e ingresar al líquido extracelular, pero no puede atravesar el epitelio del intestino grueso. Es más, las propiedades de transporte de un epitelio pueden regularse y modifi<:arse en respuesta a varios estímulos. Las hoimonas, por ejemplo, afectan el transporte de iones en el epitelio renal. Se aprenderá más acerca de los epitelios de transporte al !!Stlldiar los riñones y el sistema digestivo. Epitelios ciliados. Los epitelios ciliadas son tejidos que no realizan transporte de sustancias y que se encuentran recubrien-

Capítulo 3 Compartimentación: células y tendos

74

Tejidos corporales {a) El epitelio cll!ado recubre las vfas aéreas

NÚMERO DE FORMA CELULAR CAPAS CElUlARES

CARACTE.RISTlCAS ESPEOAlES

DÓNDE SE ENCUENTRAN

Pulmones, recubrimiento de los-vasos_ sangUíneos

De Intercambio Una

Planas

Los poros entre. las células penniten el fá<.it paso de las moléculas

De tr.msp<>rte

""'

Cilíndricas o cúbicas

Las uniones estrechas evitan· el movi· miento entre fas células; superficie aumentada por el p[egar'niento de la merr;. brana celular en vellosidades o dedos

Ciliada

""'

Cóbicas a cilíndricas

Protector

Muchas

Planas en las capas super- Células estrechamente conectadas por ficiates, poligonales en muchos desmosomas las capas más profundas

1

Uno de los lados cubierto con d~os para mover líquidos sobre la superfide

75

{b) Fotomicrogmña electrónica que muestra

células clliadas entremezcladas con células recubiertas con microvel!osldades más

""""'·

Intestino, riMn, algunas glándulas

eXocrinas

••

$$'

1

Nariz, tráquea yv!as aérf:as superiores; aparato reproductorfemenino -· Piel y recubrimiento de aMdadés (comofa boca) que se abren al medio

mFIGURA 3-26 Epitelio ciliado Algunos tejidos tienen varios tipos de células epiteliales. Estas células tienen microvellosidades intercaladas con las células ciliadas.

Secretor

' Ciffndrkas a poligonales Células secretoras de ·protefnas llenas con Glándulas exocrinas, induido el pángránulos secreto(!!S unidos a la membra- creas, las glándulas sudoríparas y las na y extenso RER; las células secretoras glándulas salivales; glándulas end~i­ nas, como la tiroides y las gónadas. de esteroides contienen gotitas de !ípl· dos y extenso REL

Una a muchas

(a) El epitelio de Intercambio penneable permite el movimiento a través de comunicaciones entre las células.

luz del intestino o del riñóñ • Membrana

apical

Unión

estrecha "

•

"

'

" Célula del epitelio de transporte

11 ))\i \\\1 \ 1 (b) Las uniones estrechas del epitelio de transporte evitan el

movimiento entre células adyacentes. Las sustancias deben atravesar la célula epitelial y cruzar dos membranas celulares fosfolip{dlcas.

13 FIGURA 3-25 Movimiento de sustandas a través de Jos epitelios impermeables y permeables

do el aparato respiratorio y algunas partes del aparato reproductor femenino. La superficie del tejido que mira hada la luz está cubierta por cilios que se mueven de manera coordinada y rítmica,. lo que les permite mover líquido y partículas sobre la superficie del tejido. Las lesiones causadas a los cilios o a las células epiteliales que los poseen pueden impedir el movimiento ciliar. La parálisis de epitelio ciliado que recubre el tracto respiratorio es una de las consecuencias del tabaquismo. Se considera que contribuye a una mayor inddenda de infecciones respiratorias en los fumadores debido a que los cilios no pueden barrer de los puhnones el moco que attapa a las bacterias. La figura 3-26 milustra el epitelio cilíndrico ciliado de la tráquea. Epitelios protectores. Los epitcliOs protectores evitan el intercambio entre el medio interno y externo y protegen las zonas sujetas a estrés químico o mecánico. Son tejidos estratificados, compuestos por muchas capas de células superpuestas. Los epitelios protectores adquieren rigidez por la secreción de queratina, la misma proteína insoluble presente en el cabello y las uftas. La epidermis y el recubrimiento de la boca, la faringe, el esófago, la uretra y la vagina son todos epitelios protectores. Las células de los epitelios protectores tienen vida corta po.t: que están expuestas a químicos irritantes, bacterias y otras fuerzas destructivas. Las capas más profundas generan permanentemente nuevas células que desplazan a las viejas bada la superfide. Al lavarse la cara, se eliminan las células muertas de la capa superficial. A medida que envejece la piel, disminuye la tasa de producdón de nuevas células. La ttetinoína (Retin-A®), un agente derivado de la vitamina A, acelera la división celular y la descamadón de las células superfidales, por lo tanto Ia piel tratada adquiere una aparienda más joven.

Epitelios secretores. Los epitelios secretores están compuestos por células que producen una sustancia en su interior que luego es secretada al espado extracelular. Las células secretoras pueden aparecer dispersas entre otras células epiteliales o agruparse para formar una glándula multicelular. Existen dos tipos de glándulas secretoras: las exocrinas y las endocrinas. Las glándulas exocrinas liberan las secreciones en el medio . externo del cuerpo. Estas secreciones pueden depositarse sobre la superficie de la piel o sobre un epitelio que recubre el interior de una de las vías internas, como las vías aéreas del pulmón o la luz intestinal. Así, la secreción exocrina sale del cuerpo,lo que expli-

ca por qué algunas secreciones exocrinas, como los jugos gástricos, pueden tener un pH incompatible con la vida {~ Fig. 2-15). La mayoría de las glándulas exocrinas liberan sus productos a tia· vés de tubos abiertos que se denominan conductos. Las glándulas sudoríparas, las glándulas mamarias, las glándulas salivales, el hígado y el páncreas son todas glándulas exocrinas. Las células de las glándulas exocrinas producen dos tipos de secreciones. Las secreciones serosas sori soluciones acuosas, muchas de las cuales contienen enzimas. Las lágrimas, la transpiración y las soluciones enzimáticas digestivas son todas secreciones exocrinas seros<;IS. Las secreciones mucosas (también denominadas moco) son soluciones pegajosas que contienen glucoproteínas Yproteoglucanos. Las células caliciformes, que se muestran en la fip J..27ml, ron células exocrinas individuales que producen moco. El moco actúa como lubricante para poder tragar los alimentos, como "trampa" para las partículas y microorganismos extraños que se inhalan o ingieren y como barrera protectora entre el epitelio y el ambiente. Algunas glándulas exocrinas contienen más de un tipo de células secretoras y producen tanto secreciones mucosas como serosas. Por ejemplo, las glándulas salivales liberan secredones mixtas. A diferencia de las glándulas exocrinas, las glándulas endocrinas no tienen conductos y liberan sus secreciones, llamadas hormonas, en el compartimento extracelular del cuerpo. Las hormonas Ingresan al torrente sanguíneo para su transporte a otras partes del cuerpo donde regulan o cootdinan las actividades de varios tejidos, órganos y sistemas de órganos. Algunas de las glándulas endocrinas más conocidas son el páncreas, la tiroides, las gónadas y la hipófisis. Durante años se creyó que las hormonas eran producidas por células agrupadas en glándulas endocrinas. Ahora sabemos que existen células endocrinas aisladas dispersas en el recubrimiento epitelial del aparato digestivo, en los túbulos renales y en las paredes del corazón. La figura 3-2881 muestra el origen de las glándulas endocrinas y exocrinas. Durante el desarrollo, las células epiteliales crecen hada el tejido de sostén. Las glándulas endocrinas conservan el

76

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

Tejidos corporales r Durante el desarrollo, !a región

,

eUnterior del !ef!do conectivo

1

epitelio destinada a convertirse Idelen tejido glandular se OlVide hacia

subyacente.

Ep''"' -lf[•i"/.•1• 1+1•1•1•/.•1 Tejido~-----.:.__· __

conectivo

1

0 FIGURA 3-27 Células caUa'formes

- -·

--- '--""

~,

Las grandes gotas claras son moco.

:,:u:v1 s 1ó N

'-··'-·:>·'ta. Enumere los cinco tipos funcionaleS de epitelio. 19. Defina secreción. 20. Nombre dos propiedades que diferencien a las glándu· ras endocrinas de las exocrinas. 21. La lámina basal del epitelio contiene la fibra proteica laminina. ¿Las células que !as w;ubren están unidas por adhesiones focales o por hemidesmosomas?

22. Al mirar un tejido en el microscopio obse!Va un epitelio plano simple, ¿Puede ser una muestra de la superfide de la pie11 Explfquelo. 23. Una célula del epitelio intestinal secreta una sustancia

al líquido extrace!ular, donde es recogida por !a sangre y transportada al páncreas. ¿La célula del epitelio intestinal es una célula endocrina o exocrina? Respuestas en !a p. S8

Los tejidos conectivos actúan como sostén y barrera Los tejidos conectivos, el segundo tipo pñncipal de tejidos, actúan como sostén estructural y en ocasiones como una barrera física que, junto con células especializadas, contribuyen a defender al organismo de invasores externos como las bacterias. La característica distintiva de los tejidos conectivos es la presencia de gran cantidad de matriz extracelular con células sumamente dispersas que secrétan y modifican la matriz. Los tejidos conectivos incluyen la sangre, los tejidos de sostén para la piel y los órganos internos, además de los cartílagos y los huesos. Estructura del tejido conectivo. La matriz extracelular del tejido conectivo es una sustancia fundamental de proteoglucanos y agua en la cual se disponen fibras proteicas insolubles, como si fueran trozos de fruta suspendidos en gelatina. La ·consistencia de la sustancia fundamental es altamente variable y \f.epende del ti- ·

pode tejido conectivo. En un extremo de este espectro se encuentra la matriz acuosa de la sangre, y en el otro la matriz rígida del hueso. Entre ambas hay soluciones de proteoglucanos de consistencia variable, desde viscosa a gelatinosa. La expresión sustdncia fundamental a veces se utiliza como sinónimo de matriz. Las células del tejido conectivo están incluidas en la matriz ex~ tracelulaL Estas células se describen cqmo fijas si permanecen en un solo lugar o móviles si pueden desplazarse de un luiar a otro. Las células fijas son responsables del mantenimiento local, de la reparación tisular y del almacenamiento de energía. Las células móviles son responsables fundamentalmente de la defensa. La distinción entre células fijas y móviles no es absoluta ya que al menos un _mismo tipo celular se encuentra presente tanto en forma fija como móvil. Si bien la matriz extracelular está formada por material no viviente, las células de tejido conectivo la modifican constantemente agregando, eliminando o reacomodando sus moléculas. El sufijo -blasto (-blastos, brote) en el nombre de una célula de teji· do conectivo se refiere a una célula que está en crecimiento o que secreta activamente matriz extracelular. Los :fibrobiastQS, por ejemplo, son células de tejido coriectivo que secretan matriz rica en colágeno. Las células que degradan la matriz activamente se identifican con el sufijo
Tipos de tejido conectivo. El cuadro 3.5 rn describe los dife-. rentes tipos_de tejido conectivo. Los más comunes son el tejido conectivo laxo y denso, el tejido adiposo, la sangre, el cartílago y el hueso. Los tejidos conectivos laxos (Fig. 3-29 @)son los tejidos elásticos que se encuentran por debajo de la piel y que sirven de sostén para las glándulas pequeñas. Los tejidos conectivos densos otor· gan resistencia o elastiddad. Ejemplos de este tipo de tejidos son los tendones, los ligamentos y las vainas que rodean los músculos y los nervios. En estos tejidos densos, las fibras de colágeno son el tipo dominante. Los tendones (Fig. 3-30m) unen el músculo es-quelético al hueso. Los ligamentos conectan los huesos entre sí. Los ligamentos, además de las fibras de colágeno, contienen fibras elásticas, lo que les proporciona una capacidad de estiramiento limitada, mientras que los tendones no pueden estirarse. El tejido adiposo está compuesto por adipocitos, ó células grasas. Un adipocito de grasa blanca típicamente contiene una única gran vacuola lipídica que ocupa la mayor parte del volumen celular (Fig. 3·31 13). Éste es el tipo de tejido adiposo más común en los adultos. La grasa parda está compuesta por células adiposas que contienen múltiples gotas de lípidos y no una única gran vacuola. Este tipo de grasa está prácticamente ausente en los adultos, pero desempeña un papel fundamental en la reguladón de la temperatura en los lactantes. La sangre es un tejido conectivo inusual caracterizado por su matriz extracelular acuosa, compuesta por una soludón de iones diluidos y moléculas orgánicas disueltas. La matriz carece de fibras proteicas insolubles pero contiene gran variedad de proteínas solubles. Este tema se analiza en d cápítulo 16. El cartílago y el hueso son considerados en conjunto tejidos conectivos de sostén. Estos tejidos tienen una sustancia funda· mental densa con alta concentración de fibras. El cartílago está presente en estructuras como la nariz, las orejas, la rodilla y la tráquea. Fs sólido, flexible y está caracterizado por la ausencia de irrigadón sanguínea. Sin irrigadón sanguínea, el oxígeno y los nu-

1

Las células caflciformes moco en !a luz de ó¡ganos huecos como el intéSlino.

vínculo con el epitelio madre en forma de conducto que trans· porta la secreción hada su destinQ (el medio exterior). Las glán· dulas endocrinas pierden las células de conexión y secretan las hormonas al torrente sanguíneo.

77

Exocri~~~'

!i

En las 91ándu!as exocrinas se forma un centro hueco, o luz, y genera un conducto que proporciona un pasaje para que las secreciones lleguen a la superficie del epitelio.

:y~~docrlna

-~

las glándulas endocrinas

pie!den el puente de conexión que une a ras células con el tejido madre. las se<:reciones son liberadas directamente en e! torrente sangufneo.

mFIGURA 3-28 Desarrollo de las glándulas exocrinas yendo·. erinas a partir del epitelio

i1

ll. E::

no, flexibles pero no el&sticas, cuya resistenda por unidad de peso es mayor que la del acero. La cantidad y disposición de las fibras de colágeno díferencian a una variedad de tejido conectivo ·de otra. ·Las otras tres proteínas fibrosas del tejido conectivo son la elastina, la fibrilina y la fibronectina. La elastina es una proteína espiralada y ondulada que vuelve a su longitud original después de haberse estirado. Esta propiedad se denomina elastanda. La elastina se combina con fibras rectaS y muy delgadas de fibrilina para fonnar filamentos y hojas de fibras ·elásticas. Estas dos fibras son sumamente importantes en los tejidos elásticos como los pulmones, los vasos sanguíneos y la piel. Como se mencionó previamente, la :fibronectina conecta las células a la matriz extracelular en las adhesiones focales. La fibronectina además desempeña un papel importante en Jos proceso de cicatrización de heridas y de coagp.Iación de la sangre.

78

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

Tejidos corpcrales

79

TiPOs de-·tejidó-C:Ón~ONOMBRE DEl TEJIDO

SUSTANCIA FUNDAMENTAL

Tejido conectivo laxo

Gel más sustancia funda- Colágeno, elástica, retirular, Flbroblastos mental que fibras y células al azar

Tejido conectivo denso Más fibras que sustancia fundamental irregular

1

PRINOPALES TIPOS DE CÉLULAS

TIPO DE FIBRA Y DlSPOSIOÓN

En !a piel, alrededor de los vasos sa~r guineos y de los órganos, bajo los epi-. telios

Fundamentalmente co!ágeno, al azar

Fibroblastos

En el músculo y las vainas nerviosas

Más fibras que sustancia fundamentll

Colágeno, paralela

Fibroblastos

En los tendones y los ligamentos

denso regular Adiposo

Mcypoco

Ninguna

Grasa parda y blanca

O~pende de

Sangre

Aru"'

Ninguna

Células sangulneas

En los vasos sangufneos y linfáticos

Firme pero fleXible; ácido

Colágeno

Con.droblastos

En las superficies artlculares, en la coJumna, la oreja, la nariz, la laringe

Colágeno

Osteoblastos y orteodastos

E~ los huesos.

Tejido conectivo

cam1ago

hialurónico Hueso

Rfgida debido a las sales de caldo

trientes llegan al caitílago por difusión. Éste es un proceso lento, por lo cual la reparación del cartílago dañado también es lenta. La matriz extracelular fibrosa del hueso está calcificada; se la denomina de esta forma por el contenido de depósitos minerales, principalmente de sales de calcio, como el fosfato de calcio. Estos

(o}

DÓNDE SE ENCUENTRAN

1

la edad y del sexo

minerales le otorgan al hueso resistencia y rigidez. Se estudiará la estruttuta y la formación del hueso junto con el metabolismo del caldo en el capítulo 23. · La figura 3--32 m presenta un mapa conceptual con todos los componentes de los tejidos conectivos.

(e) las fibras de cOlágeno del tendón están densamente agrupadas en haces paralelos. !1ll FIGURA 3-30 Tendones y ligamentos

La escasa irrigación sangulnea de los ligamentos y los tendonéS hace que las lesiones de estos tejidos sanen muy lentamente.

TEJIDO ADIPOSO BLANCO

Fotomlcrograffa óptica del tejido conectivo laxo

Tei!do conectivo laxo

mFIGURA 3-29 Células y fibras del tejido conectivo laxo

mFIGURA 3·31 Tejido adiposo

Los macrófagos y los mastodtos son células que defienden contra los invasores externos, como las bacterias.

En ~l tejido adiposo blanco que se muestra en esta figura,. una única _gota de lfpido llena casi completamente cada célula.

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fiiBtiOTEOA

DE OIENGIAS OUIMIGAS 1

r Remode!ación tisular

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

80

Q

1

componentes del tejicf.o conectivo Este mapa conceptual muestra la rela~

asf¡i compuesto por

ción entre !as células y los componentes

TEJIDO CONECTIVO

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Cfllulas

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de la matriz del tejido conectivo.

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¡• Tejido conectivo laxo

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REMOOELACIÓN TISULAR

Fibras protetc3s

$$:$$ 11 1 o!

¿Ha mejorado o empeorado la displasia de Jaila? ¿Con qu?

en grasa

Sustancia fundamental

~

Pregunta 4:

Almacenan energfa

ros iíwasores

P~ma

'

Conecta las Fwma filamentos células a fa matriz. y láminas

Se estira y contrae

Duro pero flexible

sanguíneo

• Tejido adiposo

REVISIÓN

24. ¿Cuál es la caracterlstica distintiva de los tejidos conecti-

v"? 25. Nombre cuatro tipos de fibr-as proteicas presentes en la matriz del tejido conectivo_ y-mencione las características de cada una de ellas. 26. Nombre seis tipos de tejido conectivo.

27. la sangre es un tejido-cOnectiVo con dos componentes: e! plasma y !as células. ¿Cuál de estos componentes es la matriz en este tejido conectivo1 28. ¿Por qué el cartílago roto .sana más lentamente que un

corte. en !a piel?

E! día después de la consulta de Jana, el dtólogoíiñe !a muestra con colorante y la colO
Respuestas en la p. SS

Los tejidos muscular y netiliQso son exdtables El tercero y cuarto de los Cl:!atro tipOs de tejidos corporales -el te· jido roUSOJlar y el nervioso- son denomihados en general tejidos ex. dfilbles debido a su capaddad de generar y propagar señales eléctri· cas denominadas potenciales de acci6n. Ambos tejidos tienen una cantidad ínfima de matriz extracelular, generalmente Iin!itada a-

El crecimiento es un proceso que la mayoría de las personas asada con el peñodo que se extiende desde el nacimiento hasta la adultez. Sin embargo, las células nacen, se desarrollan y mue. ren permanentemente durante la vida de una persona. Los tejidos corporales constantemente cambian sus células a medida que mueren y son reemplazadas.

La apoptosis es una

una capa de sostén llamada Mmina externa. Algunos tipos de células nervio.sas y musculares también se caracterizan por su tipo de U!Úones comunicantes, que desempeñan un papel importante en la rápida conducción de señales eléctricas entre las células. El tejido muscular tiene la capaddad de contraerse y qe produ· dr fuerza y movimiento. Existen tres tipos de tejido musrular en el ruerpo: el músculo cardíaco en el corazón, el músculo liso que conforma la mayor parte de los órganos internOs y el músculo esquelético. La mayoría de los músculos esqueléticos están -U!Údos a los huesos y son responsables de la movilidad general del cuerpo. Ana· lizaremos el tejido muscular en detalle en el capítulo 12. El tejido nervioso tiene dos tipos de célul~. Las neuronas, o células nerviosas, transmiten información en forma de señales químicas y eléctricas desde una región del ruerpo a otra. Están concentradas en el encéfalo y la médula espinal, pero también incluyen una red de células que se extiende virtualmente a todas partes del organismo. Las células de la glía, o neuroglia, consti· tuyen el sostén de las neuronas. Revisaremos la anatomía del tejido nervioso en el capítulo 8. El cuadro 3.6 B presenta un resumen de las características de lo~ cuatro tipos de tejidos.

forma ordenada de muerte celular

La muerte celular se produce de dos maneras, una desordena. da y otra ordenada. En la necrosis, las células mueren como conseruenda de traumatismo físico, toxinas o falta de oxigeno por interrupción de la irrigación sanguínea. Las células necróticas se hinchan, los orgánulos se deterioran y finalmente la célula, se rompe. Los contenidos que se liberan incluyen enzimas- diges-

tivas que dañan las células adyacentes y deSencadenan una res· puesta inflamatoria. Por ejemplo se puede o~servar necrosis en el área enrojecida alrededor de una costra en la pieL Por el contrario, las células que experimentan la muerte ce/u/(!r programada, o apoptosis, no alteran a las células vecinas cuando mueren. La apoptosis, también llamada suiddio celular, es un proceso complejo regulado por múltiples señales químicas. Algunas señales Impiden que se produzca la apoptosis, mientras que otras le indican a la célula que se destruya. Cuando prevalecen las señales de suiddio, la cromatina del núcleo se condensa, la célula ~e aleja de sus vecinas, se encoje, y finalmente se rompe dentro de orde. nadas burbujas rodeadas por membrana que son engullidas por las células adyacentes o por células errantes del sistema inmunitario. La apoptosis es un acontecimiento normal en la vida de un or. ganismo. Durante el desarrollo fetal, la apoptosis elimina las células innecesarias, como la mitad de las células del cerebro en desarrollo, y la membrana interdigital entre los dedos de las manos y de los pies. En los adultos, las células sujetas al deterioro por exposición al medio externo viven sólo uno o dos días ll!ltes de inidar al proceso de apoptosis. Por ejemplo, se ha estimado que el epitelio intestinal se renueva completamente cada dos a ctnco días. REVISIÓN · 29. ¿Cuáles son !as características de la apoptosis que la distinguen de la muerte celular como consecuencia de ' lesfones? Respuesta en !a p. 88

Las células troncales pueden crear nuevas células especializadas Si las células del adulto mueren constantemente, ¿de dónde sur. gen sus reemplazos? Ésta es una pregunta para la cual se continúan buscando las respuestas y constituye uno de los campos de investigadón biológica más importante de la actualidad. Los pánafos siguientes describen lo que conocemos del tema en la actualidad Todas las células del ruerpo derivan de una única célula formada en el momento de la concepción. Dichas células y las siguientes se reproducen por un proceSo de división éelular llama-

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(a} Examen de Papanlco!aou patológico de Jana.

81

1M ..

(b} Segundo examen da Papanicolaou. ¿Estas célu!as son nonnales o anómalas?

El FIGURA 3·33 Citologfa de células cervicales

(a) Examen de Papanko!aou patológico. (b) Segundo examen de Papanico!aou. ¿Estas células son normales o anormales?

82

Capitulo 3 Compartimentación: células y tejidos

Remode!adón tisular

Cantidad de matriz

Mínima

Gran cantidad

nPo de matriz

lámina basal

Variada, filamentos protei· lámina externa cos en la sustancia fundamenta! que varia de lfquida a gelatinosa, a firme y a caldficada

1

Mfnima

El cartilago no tiene irriga-·

Mfnima lámina externa

dón sangufnea

Caracteristlcas: de.la superflde de: las células

Microvellosidades, dlios

NA

NA

Ubicaciones

Cubre la superficie corpo. Sirve de sostén a la piel y a ra!, recubre !as cavldades y otros órganos, a! cartílago, órganos huecos y tubos, al hueso y a !a sangre en las glándulas sooetoras

Disposldón y forma de las células

Nilmero variable de capas, de una a varias, células aplanadas, cúbicas o dlln· drkas

do mitosis (véase Apéndice B). Las primeras células de un ser humano son denominadas totipotenciales y tienen la capacidad de diferenciarse en todo tipo de células especializadas. Toda célula totipotencial puede convertirse en un organismo funcional. Aproximadamente a los 4 días de desarrollo, las células totipotenciales del embrión comienzan a especializarse o di{erenciar.;e. A medida que se diferencian, restringen su potencial y se convierten en células plÚripotenciales. Las células pluripotendales pueden desanollarse en varios pero no en todos los tipos de células. Una célula pluñpotencial aislada no puede convertilse en un organismo. A medida que avanza la diferenciación, las células pluripoten· ciales se desarrollan en distintos tipos de tejidos del cuerpo. Con la especialización y la maduración, muchas células pierden la ca· pactdad de reproducirse. Otras, denominadas células troncales o células madre, conservan la capacidad de dividirse. En los adultos, dichas células troncales sólo pueden diferenciarse en un tipo celular en particular, como una célula sanguínea. las células imfi· ferendadas de un tejido qile pueden desarrollarse a células espe· cializadas de dicho tejido son denominadas multipotenciales. Algunas de las células troncales multipptendales del adulto más estudiadas están presentes en la médula ósea y dan origen a las células sanguíneas. Los biólogos creían que las células nerviosas y musculares, altamente especializadas en sus formas maduras, no podian ser reemplazadas cuando morían. En la actualidad las nuevas inves. tigadones indican que existen células troncales de estos tejidos en el cuerpo. Sin embargo, el número de células troncales nerviosas y musculares es muy pequeño, son células difíciles de aislar y no sobreviven en el laboratorio. Las células troncales nerviosas y musculares que existen naturalmente en el organismo no pue-

(a) Las capas de la piel

Los folículos pilosos

secretan !a que~na no viva del vello.

:y

capaz de generar señales el k- capaz de generar señales tricas, fuerza y movimiento eléctricas

NA

Conforma el músculo .~uelé- En todo.el cueipo; caneen· tico, los órganos huecos y tos trado en el cerebro y !a métubos dula espinal

Las células no aparecen en Las ·células están unidas en lá· capas, usualmente están minas o haces alargados, la dispersas en la matriz, la . forma de las: células es alarga· forma de las Células es de da, como cilindros delgados, irregular a redonda las células del músculo cardfa· co pueden estar ramificadas

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1

Sin irrigación sangufnea directa

CaracterfstlC
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Células aisladas o formando una red; apéndices celulares. altamente ramificados y/o alargados

den reemplazar grandes cantidades de tejido muerto Q que está muriendo a causa de enfermedades o ataques cardiacos. En consecuencia, uno de los objetivos de la investigación con células troncales es hallar la fuente de células pluri· o multipotenciales que puedan reproducirse en laboratorio e implantarse para tratar enfermedades degenerativas, aquellas en las que las células se de· generan y mueren. Un ejemplo de una enfermedad degenerativa es el mal de Parkinson, en el cual algunos tipos de células nerviosas del cerebro mueren. Los embriones y el tejido fetal es rico en céluias troncales, pero el uso de ambos tejidos es controvertido y está ród~ado de muchos temas éticos y legales. Algunos investigadores espeian que las células troncales adultas muestren plasticidad, es decir la capacidad de especializarse a células de un tipo ~ente al cual estaban destinadas. Existen muchos desafíos por delante antes de que el trata. miento con células troncales sea una realidad. Uno de ellos es ha· llar una buena fuente de células troncales. Ott:o gran reto es reconocer las señales químicas que les indican a las células troncales cuándo y a qué tipo de células düerendarSe. Aun cuando se puedan superar estos desafíos y se implanten células troncales de donantes, el cuerpo puede reconocer estas células como tejido extraño y rechazarlo. La investigación con células troncales es un ejemplo excelente de la dinámica y de la naturaleza a veces controvertida de la tienda. Para estar informado acerca de los últimos hallazgos, así como de la legislación pendi~te para reglamentar la investiga~ dón y la aplicación de las células troncales, debe consultar sitios web autorizados, como los patrocinados por los Nationallnstitu· tes o{Health de los Estados Unidos (http://stemcells.nih.gov/).

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Los receptoressensoriales monitorizan las condk:iones externas.

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1 múseulos

NeMo sensorial

las glándulas aprocrfnas de los genitales, el ano, las axilas y ros párpados liberan sooreciones serosas o viscosas en respuesta al m!edo o a la excitación sexual.

los hemldesmosoritas unen !as célulasepiteliales a las fibras de la lámina basal.

basal es una capa acelular entre la eptdermls y la dermis.

{b) EpJdennis. La superlicle de la piel es una capa de fiblas de queratin? unidas que se desprenden cuando las viejas células epltel!ales mueren.

84

Capítulo 3 Compartimentación: células y tepdos

lOS ÓRGANOS Los grupos de tejidos que llevan a cabo fun~ones reladonadas pueden formar estructuras denominadas órganos. Los órganos del cuerpo incluyen Jos cuatro tipos de tejidos en varias combinadones. La piel es un ejemplo excelente de un órgano que incorpora los cuatro tipos de tejido en un todo integrado. Se sue. le pensar en la piel como una delgada capa que recubre las superficies externas del cuerpo, pero en realidad es el órgano más pesa.do del cuerpo, de aproximadamente el16% del peso corporal total de un adulto. Si lo desplegáramos, podrla cubrirse una superficte de entre 1,2 y 2,3 metros cuadrados, aproximadamente la superfide de un par de mesas de naipes. ·Por su peso y dimensiones, la piel es uno de los órganos más importantes del cuerpo. Definir las funciones de la piel no se encuadra en un único capítulo dé este libro, al igual que ocurre con los de otros órganos.

1

Resumen del capítulo A lo largo del libro se hará hincapié acerca de varios de estos órganos en recuadros específicos. Estos cuadros analizarán la estructura y las funciones de estos órganos versátiles de modo tal que se pueda comprender con claridad la manera en la que se combinan los diferentes tejidos con un propósito en común. El primero de estos recuadros, La piel, se presenta en la página 83. A medida que tratemos los diferentes aparatos del cuerpo en los capítulos sucesivos, se verá cómo las distintas células, teji· dos y órganos llevan a cabo los procesos del cuerpo humano. Si bien todas las células tienen diferentes estructuras y funciones, comparten una necesidad: el suministro continuo de energía. Sin energía, las células no pueden sobrevivir, y mucho menos llevar adelante los otros procesos de la vida diaria. El próximo capítulo trata el metabolismo celular: la manera en la cual las células capturan y utilizan la energía liberada por las reacciones químicas.

PREGUNTA

HECHOS

85

INTEGRACIÓN YANÁLISIS -,---~~.·-~~-·~~-·-· ~--~--~~

3b

¿Cuál de sus dos tipos de epitelio El-cuello uteñno está formado por un epitiene más probabHidades de ver· · te!io secretor con glándulas secretoras de se afectado por traumas? móco que recubren ·el interior y un epiteJio protector que recubre el exterior,

El epitelio protector está compuesto por múltiples capas de células y está diseñado para proteger zonas sujetas a estrés químico y mecánico ( &l p. 72). Por lo tanto, el epitelio secretor, con una única capa de células, es más propenso a sufrir daños.

--------·----~~~~--~----~ 4 ¿ Ha mejorado o empeorado la las imágenes del primer examen de Papa- la desapañdón de las células patológicas indica que displasia de Jana? ¿Con qué da. tos cuenta para avalar Su respuesta?

nkolaou de Jana muestran células patológicas con grandes núcleos y poco citoplasma. Estas células anómalas no apare<:en en !as imágenes_ de! segundo examen.

la disp!asia de Jan a se ha curado. En seis meses se repetirá el examen de Papanicolaoo. Sí nO presenta displasia, las células cervicales habrán vuelto a la normalidad,

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li:ESUMEN Ola. C.1!,1'ÍTULO

P~~a-~Íi:~!~~~ ~-

recom~nb~Ci~n~d~fS~n\a~e~h~~~--2~~::~--

La biología celular y la histología ilustran de uno de los plindpales temas de la fisiología: Ja campartimentnd6n. En este capítulo se ba aprendido acerca de la subdivisión de la célula en dos compartimentos prindpa!es, el núcleo ·y el citoplasma. El citoplasma, a su vez, se diVide en tres com· ponentes: ei dtosol, Jos orgánulos y las inciusiones. También se ha apren· dido la manera en la que las celulas forman tejidos que crean comparti· mentos mayores dentro del cuerpo. E! segundo tema de este capítulo son las propiedades mecánicas de las células y de los tejidos que se dertvan de las fibras proteicas del citoesqueleto, de las uniones celulares y de las mo-léculas que conforman la matriz extracelular, parte del "pegamento~ que mantiene unidos a los tejidos.

En esta sección se ha apteridid1i(¡ue erex.y_ bu~que _."HPV.n _El_~itlÓ . : zar Jos datos_ sobre los qUe se basan las re<:omendadones_para in_fortambién contiene información' acé_r~ del_ cá~c~r fervical. Para~~ mar el examen de_ Paparikolaou.las recomendaciones deallf surgítejar su comprensiónacerca de ios temaS ~e :estOS rec_uadro_s, romdas dieron lugar_ a, _U_n. nuevo_ sistema_ ~e nom~n9
PREGUNTA

HECHOS'

Compartimentos funáonales del cuerpo Líquidos y electrolltos: introducción a los líquidos corporales 1. La célula es la unidad funcional de la mayoría de los organiSmos Vivientes. (p. 51) 2. Las tres cavidades prindpales del cuerpo humano son la cavidad cra·· neal (cráneo), la cavidad torádca (tórax) y la cavidad abdominopel· Viana. (p. 51; Fig. 3-1) 3. La luz de algunos los órganos huecos forma parte del medio externo del cuerpo. (p. 51) 4. Los compartimentos liquidos del cuerpo son el liquido extracelular que se encuentra fuera de las células y el liquido lntracclulat dentro de las céluias. Asu vez, el liquido Intracelular puede subdividirse en el liquido inteiStldal que baña las célu!as y en el plasma, la porción liquida de la sangre. (p. 52; Fig. 3·2)

!NTEGRAaóN YANÁüsís

¿¡;'Qr qüé·e_¡ tratami~~tó con_tra el las células caili::erósas se dividen de mane- -s¡ no sOn e!lmin'adaS, !.i!S Célu!as'GincerOsciS despla:. ~ncer se concentra en matar las·· ra descOntrolada 'y ~o coordinan· Con !aS. zán á iaS'nófinaJ~,_ 10\1u~ ¡)UeCÚ! caUsar 1a ii~c~

2

3•

células_ ~ncerosas?

células normales. Adeinás, las células can· ~rosas no se..diferendan a células espe-_ . cializadas.

¿Qué Propiedad d~ lé!S.Células _ ccincerosas- exp~ica !a p_r~encia. de' grandes núcleos rodeados por _ una canti"daci relativamente Pe-· queña de citoplasma?.' .

las Cé!ülas ca:~cerosas_se dividen de mane- las células en_·proceso de re"próducdón a~ivo_ tie--_ ra d~contrcil_a~a_;ias células que se dlvi~. · nen n1ayór cantidad de DNA en.e_l_ núdeo .~uando _Se .. den -~eben _duplicar ~-Ú_· D~_A antes de _la di· preparan·para la división; y_ por !o tánto _l_os __núdeos visk1n c_elulai, Yhi d~pticación del DNA tie-- tienden a _ser de mayortam~fio_.En cada d~is_lón·_ ¡¡e lugar_en el núcleo, !o'_qUe ih~va a tm celular e! citóp!asllla _se d_Wlde -~n_ ~oúé_l~l.aS~hija_s. ,nlayor tarn~i'io de qicho_ orgánu!o Si la división s_e p_roduce rápidarriérlté,-es po_sible .< ~ Ápéndlée é) . que las célu!_as hij_as car~~~ll ~~ tielllpo para_ sinte. -tizar n?evÓ citopl_a_sma; Y__pt)r_ ~pde la cantidad d"e citoplasma es· menor que en una :~lul3. norii:lal.

¿A qué tipo de daño o trauma-- - Ei céivix tismos están expuestas normal-- . mente !as células epiteliales de · we!lo uterino?

es él wéHo '~eririO.

ción de los tejidos normales. Además;_debido a que !as_cé!Ulas."cilhcerOsas ilo se·especializan, no ¡)ti~den désarrollar laS mismas furidones que las células es-pecializadas cjue des'plazañ•.

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Membranas biológicas 5. El término membrana se utiliza para referirse tanto a las membranas celulares como a los tejidos epiteliales que recubten una cavidad o que separan dos compartimentos. (p. 53; Fig. 3·3) 6. La membrana celular actúa como barrera entre los liquidas Intracelular y extracclular, proporciona sostén estructural y regula el inter· cambio y la comunicadón entre la célula y su medio. (p. 53) 7. El modelo del mosaico fluido de la membrana biológica muestra a la membrana como una bicapa fosfolipídica con moléculas de proteínas insertas en eUa. (p. 55; Fig. 3-4) 8. Los lípidos de la membrana incluyen los fosfolipidos, los esfingolípidos y el colesterol. (p. 55)

E! cé_rvix está _ex¡JúeSto átrau(¡¡irtismo_ o d~ño -du· rante las ieladones.s_exua!e~ y-durahte el parto,

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9. Las proteínas integrales, que atraviesan todo el espesor de la mem-

brana, están unidas de forma estrecha a la bicapa fosfolipídica. Las periféricas y las proteínas ancladas a lípidos forman uniones menos estrechas a ambos lados de la membrana. (pp. 5S.57; Fig. 3-6) 10. Los hidratos de carbono se unen a la superficie extracelular de las membranas cclulares. (p. 58) prot~as

Compartimentos intracelulares 11. El citoplasma está formado por el dtosol, una sustancia sernige!atino· sa con nutrientes disueltos, iones y productos de desecho. Suspendidos en el dtosol se encuentran los otros dos componentes del dto-plasma: las inclusiones insolubles, que no están rodeadas por membrana, y los orgánulos, cuerpos rodeados por membrana que cumplen funciones específicas. (p. 61; Fig. 3·11) 12. Las inclusiones Importantes comprenden los ribosomas, que partid· pan en la síntesiS proteica los proteasomas para la degradadón de proteínas, y las fibras proteicas Insolubles, que se presentan en tres tamaños: las fibras de actina (también denominadas microfilamentos), !os filamentos intermedios y los m!crotúbulos, (p. 61, Cuadro 3-2) 13. Los centrosomas son el centro organizador de los microtúbulos en la célula. (p. 61) 14. En la célul(l se pueden identificar tres tipos de microtúbulos. los centríolos, que colaboran en el movimiento de Jos cromosomas durante la división celular, los cilios, que movilizan Jos liquidos y secreciones por la superficie celular, y los flagelos, que Impulsan á los espermatozoides a través de los liquidas corporales. (pp. 61-62; Fig. 3·13) 15. El citoesqueieto proporciona resistenda, sostén y organizadón inter· na, colabora en el transporte de materiales dentro de la célula; mantiene unidas a las células y pem:tite la motilldad de dertas células. (pp, 62-63; Fig. 3-14) 16. Las proteínas motoras como la miosina, la ctnectna y la dineína se asodan con las fibras del dtoesqueieto para generar movimiento. (p. 63; Flg. 3-15) 17. Las membranas que rodean Jos orgánu!os dividen el dtosol en com· part:lmentos cuyas fundones pueden estar separadas. (p. 64) 18. las milocondrlas genean la mayor parte delA1P pm la célula. (p. 64) 19. El reticulo endoplasmático liso constituye el Sito primario de la síntesiS de lípidos, El retkulo endoplasmático rugoso es el sitio primario de la sin tesis proteica. (pp. 65·66; Fig. 3-17)

86

Capítulo 3 Compartimentación: células y tepdos Preguntas

20. El complejo de Golgl empaqueta las proteínas en vesfculas. Las vesículas secretorns liberan sus contenidos en el líquido extracelular. (p. 66; Flg. 3-18) . 21. Los üsosomas y los perox!Somas son vesículas de almacenamiento que contienen enzimas digestivas. (pp. 66-67; Fig. 3-19) 22. El núcleo contiene DNA, el material genético que controla todos los procesos celulares, en forma de cromatina. La envoltura nuclear de doble membrana que rodea al núcleo contiene complejos del poro nuclear, que permiten la comunicadón química controlada entre el núcleo y el dtosol. Los nucléolos son las áreas nucleares que controlan la síntesiS de RNA ribosórnico. (pp. 67-68; Fig. 3-20)

Tejidos corporales Muscular: Revisión de anatomía - Tejido muscular esquelético 23. Exlsten cuatro tipos de tejidos principales en el cuetpO humano: el tejido epltelial, el tejido conectivo, el tejido muscular y el tejido ner~ viOSQ. (p. 68) 24. la matriz extracelular secretada por las células proporciona sost&l y es un medio de comunicación entre las células. Está compuesta por proteoglucanos y proteínas insolubles. (pp. 68-69) 25. Las uniones celulares pueden clasificarse en tres grupos. Las uniones en hendidura o comunlcantes permiten que las sefiales quúnlcas y elécttlcas pasen directamente de upa célula a la otra. Las uniones es.. trechas impiden el paso de materiales entre las células. Las uniones de anclaje mantienen a las células unidas entre si o con la matriz extracelular. (p. 69; Flg. 3-21) 26. Las proteinas de membrana denominadas mol&ulas de adhesión celular (CAM) son fundamentales en las adqes!ones celulares y en las uniones de anclaje. (p. 69; Cuadro 3·3) 27.los desmosomas y las uniones adherentes forman uniones de anda· je entre las células. Las adhesiones focales y los hemidesm.osomas forman uniones de anclaje entre las células y la matriz. (p. 71;-Flg. 322) 28. Los tejidos epiteliales protegen el medio interno, regulan el inter· cambio de materiales o producen y w:retan productos químtcos. Existen cinco tipos funcionales de epitelios: de intercambio, de transporte, dllado, protector y secretor. (p. 72)

29. Los epitelios de intercambio permiten el rápido intercambio de ma· teriales, especialmente de gases. Los epitelios de transporte regulan aCtivamente el intercambio selectivo de materiales no gaseosos entre el medio interno y externo. Los epitelios ctllados movillzart'lfqufdos

y partículas por la superficie de los tejidos. Los epiteliQS protectores

previenen el intercambio entre el medio interno y externo. Los epitelios secretores liberan productos de secreción- al medio ~emo o la sangre (pp. 72--74; Fig. 3·24). · 30. las glándulas exocrinas h'beran sus secreciones en el medio externo del cuerpo a través de conductos. Las glándulas endocrinas carecen de conductos y liberan sus secreciones, llamadas hormonas, dire;cta· mente en el líquido extracelular. {p. 75; Fig. 3-28) 31. Los tejidos conectivos contienen gran cantidad de matriZ extracelular, que proporciona sostén estructural y forma una barrera física. (p.

76) 32. Los tejidos conectivos laxos son los tejidos elásticos que se encuentran por debajo de la piel. Los tejidos conectivos densos, que fnclu· yen a los tendones y a los ligamentos, otorgan tesistenda.o elastid· dad debido a que están compuestos poi colágeno. El tejido adiposo almacena grua. El tejido conectivo denominado sangre se caracterl· za por tener una matriz _acuosa. El cartílago es sólido y flexible y no recibe lrrigadón sanguínea. La matriz fibrosa del hueso está mlneta· lizada por depósitos de sales de caldo. (pp. 77-79) 33. El tejido muscular y el nervioso son denominados en general ~Idos excitables d~b!do a su capacidad de generar y propagar señales eléc· trlcas llamadas porenciales de acdón. El tejido muscular tiene la ca. pacidad de contraerse y de producir fuerza y movimiento. Existen tres tipos.de tejido muscular: el músculo cardíaco, el músculo liso y el músculo esquelético. {p; 80)

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""· NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEI'TOS

Remodelación tisular

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Los órganos

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PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el Apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Enumere las cuatro funciones gen!!tales de la membrana celular. 2. En 197Z, Singer y Nicolson propusieron un modelo de membrana celular conocido como modelo De acuerdo con este modelo, la membrana está compuesta por una b!capa de y una variedad de _ _ _ incrustadas, con -:en la superficie extracelular. 3. ¿Cuáles son los dos tipos principales de blomoléatlas presentes en la membrana celular? 4. Defina y distinga entre inclusiones y orgánulos. Dé un ejemplo de ca· da uno de ellos. 5. Defina dtoesqueleto. Enumere las dnco funciones del dtoesqueleto. 6. Relacione cada término con la definición que mejor le oonesponda: a) cilios 1. en !as células humanas, se presenta como una única cola larga como un látigo. b) centriolo 2. estructuras rortas y similares a cabellos que golpean para producir corrientes en los liquidas.

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e). flagelo 3. haz de miaotúbulos que colabora en la mltos!s d) centrosoma 4. centro organizador de mlcrotúbulos 7. Relacione cada orgárrulo ron su fundón: a) retículo l. central el&:trica de la célula donde se produce la mayoría del ATP endqplasm&tico b) complejo 2. degrada los ácidos grnsós de cadena larga y de las deGolgi mol&ulas extrañas-tóJdcas e) lisosoma 3. red de túmulos membranosos que sintetizan blomo!éculas. d) mitocondrias 4. sistema digestivo de la célula, que degrada o recicla componen~. . e) peroxisoma 5. modifica y empaqueta proteinas en ves!culas 8. ¿Qué proceso activa las enzimas dentro de los Usosomas? 9. Las gl{¡ndulas endocrinas producen secreciones acuosas (como las lágrimas o el su~ru~)d~m;o-~·~""'~;:~:: o soluctones m~ es.. pesas llamadas 10. Las glándulas liberan hormonas, que entran al torrente sanguínro.y regulan las actividades de los órganos o sistemas. 11. Enumere los cuatro tipos principales de tejidos. Dé un ejemplo y la ubicación de cada uno de ellos.

i) odudlna

14.¿Qué tipo de glándulas están presentes en la piel? Nombre la secrectón de cada una de ellas. 15. El término matriz puede utilizarse para referirse a un orgánulo o a los tejidos. Compare los significados del término en ambos contex·

35. La muerte celular se produce por necrosls, que afecta de manera neo gativa a las células adyacentes, y poi apoptosis, una forma de muerte celular programada que no altera el tejido. (p. 81) 36. Las células troncales son células con capacidad de reprodudxse y de diferendalSe a células espectallzadas. Las células troncales son más abundantes en los embriones pero tambiffi están presentes en el cuer· po del adulto. (pp. 81-82)

37. Los órganos están formados por grupos de tejidos que llevan a cabo funciones relacionadas. Los órganos del cuerpo lnctuyen cuatro tipos de tejidos en varias combinaciones. (p. 82)

12. El órgano. más grande y pesado del cuerpQ humano . 13. Reladone cada proteina con su función. Las funciones de la lista pueden utilizarse más de una vez. a) cadherina l. proteína de membrana utilizada para formar uniones celulares b) CAM 2. glucoproteína de la matriZ utilizada para andar células e) colágeno 3. proteína presente en las uniones en hendidura o comunicantes d) ronexina 4. proteína de la matriZ presente en el tejido coneCtivo e) elastina f) fibrilina g) fibronectlna h) integrtna

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16. Mapa conceptual: organizar los términos de la lista para crear un mapa conceptual sobre la estructura de la célula. Agregar las fun.ciones donde corresponda. actina mlcrotúbulo membrana celular centro organizador d!!: mlcrotúbulos tentriolo mltocondrla centrosoma mloslna cilios orgánulo no membranoso citoplasma núcleo dtoesqueleto peroxisoma dtosol proteasoma matriz extracelular RER flagelos ribosoma complejo de Golgl vesícula secretota filamento inteunedio REL queratina vesícula de almacenamiento Usosoma filamento grueso otgánulo tubullna microfilamento partículas vault o "barriles" 17. Enumere, compare y contraste los tres tipos de' uniones celulares y sus subtipos. Dé un ~emplo de sus ubicaciones en el cuerpo y d~ba lá fundón en cada ubicación. 18. ¿Cuáles de las siguientes células contendrán mayor número de retícu_. lo endoplasmá.tlco rugoso: las células pancreáticas que producen la

87 ·

hormona insulina, o las células de la corteza suprarrenal que ptodU· cen la hormona esteroide cortisol? 19. Varios orgánulos pueden ser considerados vesículas. Defina vesfcula y describa al menos tres ejemplos. 20. Explique por qué un epitelio estratificado ofrece mayor protetctón que un epltel!o simple. 21. Dibuje una corta sede de células epiteliales cillndrlcas. Indique los bordes basales y basolaterales de las células. Explique brevemente los diferentes tipos de uniones presentes en estas células. 22. Organice los siguientes compartimentos en el orden en el cual los encon!Iará una molécula de glucosa que ingresa al cuerpo en el intesti· no: liquldo fnteiSticial, plasma, líquido Intracelular. ¿Qué líqlJldo(s) es/son considerados líquidos extracelu!ares? 23. Explique de qué manera la inserción de colesterol en la blcapa fosfolipídica de la membrana celular dlsmlnuye la permeabilidad. de la membrana. · 24. Compare y contraste la estructura, las ubicadones y las functones del hueso y del cartflago. 25. Diferencie los términos de cada grupo: a) luz/pared; b) dtoplasma/citosol; e) mlosina/queratina 26. Cuando el renacuajo se convierte en rana, la cola se encoge y se reab· sorbe, ¿~toes un ejemplo de necrosis o de apoptosis? Justifique su respuesta. · 27. Relacione' las estructutaS del capítulo con los temas fisiológicos bási· cos en la columna de la derecha y dé un ejemplo o expllcactón de cada uno. Cada estructura puede corresponder a más de un tema. a) uniones celulares 1. comunicación b) membrana celular 2. interacdones moleculares e) dtoesqueleto 3. compartimentadón d) orgánulos 4. propiedades mecánicas e) dllos S. consumo de energía biológica 28. En algunos casos la matriz extracelular es bastante rígida. ¿De qué ma· nera hacen frente a una matru; rígida tos tejidos en desarrollo y expansión para hacerse espacio?

NIVEL 3: RESOLUQÓN DE PROBLEMAS 29. Una de las consecuencias del tabaquismo es la parálisis de los cilios que rerubren las vías aéreas respiratorias. ¿Cuál es la functón de estos cilios? Sobre la base de lo leído en este capítulo, ¿por qué causa daiio que los cilios no puedan moveiSe? ¿Qué problemas de salud espera que surjan? ¿De qué manera explica esta situación la tos entrecortada .que caracteriza a los fumadores? 30. El cáncer es una forma de división celular anómala y descontrolada. ¿Qué propiedad de los tejidos epiteliales puede (y de hecho Jo hace) convertirlos en más propensos a desarrollar cáncer? 31. ¿Qué sucedería a la función fisiológica normal si las metaloprotelnasas de la matriZ son inhibidas por drogas?

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RESPUESTAS

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Página 58 l. Los tres tipos de lípldos presentes en las membranas celulares son los fosfolfpldos, los esfingolíptdos y el colesterol. 2. Las proteínas iñtegrales están unidas de manera estrécha a la mem· brana. Las proteínas perlférlcas y las proteinas ancladas a lípidos están unidas de manera laxa a los componentes de la meinbrana. 3. Las colas de los fosfolípidos son hidrófobas, y una sola capa las pon· drla en contacto directo con los líquidos corporales acuosos. 4. Una sustancia que eruta la membrana mucosa atraviesa dos blcapas ~osfolipídlcas.

Página64 5. Las fibras proteicas dtoplasmáticas son los filamentos de actina (o mi· crofilamentos}, los filamentos Intermedios y los mlcrotúbulos, 6. Sin el flagelo, el espermatozoide no podrá nadar para enoonttar él ovodto que debe fertilizar, 7. El dtoplasma es todo lo que se encuentra en el interior de la membra· na celular, excepto el núcleo. El dtosol es la sustancia semlgelatinosa en la cual están suspendidos los orgánulos y las inclusiones. 8. los dllos son cortos, generalmente son muy numerosos en una célula, y mueven líquidos o sustancias por la superficie celular. l.cs flagelos son más largos, generalmente únicos en los espermatozoides hu· manos, y sirven para propulsar la célula a través de un líquido.

l. · ·

88

Capítulo 3 Compartimentación: células y tejidos

9. l..a.'J proteínas motoras utilizan la energía para generar moVimiento. Página 67

23. La célula es una célula exocrina porque secreta su producto en el espado extracelular para ser distribuido en la sangre.

10. Adiferencia de las inclusiones, los orgánulos están separados del cito. sol por una membrana. 11. El RE rugoso tiene ribosomas unidos en el lado dtoplasmático de la membrana, mientras que e! RE Uso carece de ribosomas. El RE rugoso sintetiza proteínas y el RE liso sintetiza üpidos. 12. Los lisosomas contienen enzimas que degradan bacterias y orgánulos Viejos. Los peroxisOmas contienen enZimas que degradan ácidos gra-

Página 80

sos y moléculas extrañas.

13. Las membranas de los orgánulos crean compartimt:ntos que aíslan físicamente su interior del citoso!. La doble membrana de las mitocondriás crea dos compartimentos diferentes en el interior del orgánulo. 14. La presencia de un gran número de mitocondrias sugiere que la célula tiene alto requerimiento energético ya que las mitocondrias son el sitio de mayor producción de energía de la célula. . 15. La presencia de gran cantidad de retículo endoplasmático liso sugiere que el tejido sintetiza grandes cantidades de lípidos, ácidos grasos o esteroides, o que destoxifica moléculas extrañas. Página 71 16. Las uniones celulares son las uniones en hendidura o comunicantes, las uniones estrechas y las uniones de anclaje. 17. a) &trecha, b) comunicante, e) de anclaje (espedficamente, desmosoma), d) de anclaje (específicamente~ adhesión focal).

1

Página 76 18. Los cinco tipos funcionales de epitelio son el epitelio protector, el epi· tello secretor, el epitelio de transporte, el epitelio ctllado y el epitelio

de intercambio. 19. La secreción es el proceso por el cual una célula libera una sustancia

en el medio. 20. Las glándulas eodocrinas no tienen conductos y liberan sos-secreciones en la sangre. Las glándulas exocrinas tienen conductos y liberan sus secreciones en el medio externo. 21. Los hemidesmosomas se unen a la laminina (véase Flg. 3-22). 22. No, la piel tiene múltiples capas celulares para proteger el medio Intemo. Un epitelio plano simple (del espesor de una célula y células planas) no seria epitelio protector.

24. Los tejidos conectivos tienen gran cantidad de matriz. 25. El colágeno proporciona resistencia y flexibilidad; la elastina y la fibri· lina proporcionan elastancta; la fibronectina contribuye al anclaje de las células a la matriz. 26. Los tejidos conectivos incluyen el hueso, e! cartílago, la sangre, los tejidos conectivos_densos (los ligamentos y los tendones), el tejido co· nectivo laxo y el tejido adiposo. 27. El plasma, o la porción líquida de la sangre, puede ser considerado-la matriZ extracelular. 28. El cartílago carece de irrigación sanguínea, por lo tanto el oxígeno y los nutrientes necesarios para la reparación llegan a las células por di· fusión, un proceso lento.

Energía y metabolismo celular

Página 81 29. La apoptosis es una forma ordenada de muerte celular que elimina células sin alterar a sus vecinas. Por el contrario, la necrosis libera enzl. mas digesuvas que dañan a las células adyacmtes.

La energía en los sist-emas biofógkos

106 El metabolismo anaerobio convierte al piruvato en

91 92

Respuestas a las preguntas de las figuras

92

Página 73

93

lactato 107 El piruvato ingresa al ciclo del ácido cítrico en el metabolismo aerobio 108 El sistema transportador de electrones transfiere energía al ATP desde NADH y FADH2 109 la síntesis de ATP está acoplada al movimiento de iones de hidrógeno 110 El rendimiento de energía máximo de una molécula de glucosa es de 30-32 ATP 110 las biomoléculas grandes pueden utilizarse para producir ATP

Flg:. 3-24: i. tos epitelios de transporte (púrpura) están presentes funda· meotalmente en e! tubo digestivo y en el riñón, donde regulan e! tras-

paso de sustancia hada el interior y el exterior del líquido extracélular. Los pulmones y los vasos sanguíneos están recubiertos por epitelio de intercambio (rojo). Los epitelios ciliadas (azul) están presmtes en las vías aéreas del aparato respiratorio y en parte del aparato reproductor femenino. La superficie externa del cuerpo y las aQerturas de las· cavidades corporales están tapiZadas con epitelio protector (ma· rrón). 2. Las glándulas mdocrinas (sin conductos) secretan sus hormonas en la sangre. 3. Las glándulas exocrinas, con conductos, secretan sus productos fuera del cuerpo, en la superficie de la piel o en la luz de un órgano que se abre al medio exterior del cuerpo (véase Flg. 1-2, p. 3).

La energía se utiliza para realizar trabajo la energía se presenta en dos formas: cinética y potencial la energía puede convertirse de una forma en otra la termodinámica es el estudio del uso de la energía

Reacdones químkéls 93 94 94

95

La energía se transfiere entre las moléculas durante las reacciones La energía de activación pone en marcha las reacciones la energía se almacena o se libera durañte las reacciones El cambio neto de energía libre determina la reversibilidad de la reacción

Vías de síntesis 112 El glucógeno puede fabricarse a partir de la glucosa 112 La glucosa puede producirse a partir de glicerol o de 113

Enzimas 96 97 98 98 99 99

Las enzimas participan en las interacciones típicas entre proteínas las enzimas pueden ser activadas, ínactívadas o moduladas las enzimas disminuyen la energía de activación de las reacciones las velocidades de reacción son variables las reacciones reversibles obedecen la ley de acción de masas Las reacciones enzimáticas pueden ser clastfica_das

113 115 115

118 118

119

Metabolismo

120

101 las células regulan sus vías metabólicas 103 El ATP transfiere energfa entre reacciones.

122

Producción de I~TP

aminoácidos El acetil CoA es un precursor clave para la síntesis de lípidos las proteínas son la clave para la función celular la traducción del DNA a proteínas es un proceso complejo Durante la transcripción, el DNA dirige la síntesis de una molécula de mRNA complementaria El corte y empalme alternativo crea múltiples proteínas a partir de una secuencia de DNA la traducción del mRNA produce una cadena de aminoácidos La distribución proteica conduce las proteínas a su destino la estructura final de las proteínas está determinada por modificación postraducdonal Las proteínas producidas en el retículo endoplasmático ingresan en la vía secretora

104 La glucólisls convierte a la glucosa y al glucógeno en

piruvato

INFORMACIÓN BÁSICA

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-. ~--t~I!ti~! .ae ~~e,.rQf~: r.tr~~ciJ~::(~P~!1-9i_Cf~): ._B,jj ;_P.w~:xN~A"' (apé~:d¡~·c):'~1;-: ~r0p¡e_da9é~ emeig'entes:_--~·-· PUe.nte~. de- hi4rf ' ~-·.·¡

-: >~:· .:~~,~~1~-ó.~!dos:.:~~;g~lj(): 2~; Enla~:s-_.co'vatfrites:__~3;;A,TP.::3~; grg_á_o·~-~-~;_,~~1.;.-Eie#n?n,~~-: -~~; _EstrUctüra: p_r9úii_c_a:_ 30;_ .rti~r.ito$_ de cárbo_n_o}!! ~ráfi~C?$.:_;~;:qpi_O_t:s:.~_7_:,._._._:,.>,\. ~>.:,_,;~--;:~_·:_,_:._:./.:,~:._,~'.:, ·:-·-,: ;., ·.-__ _, ___,-¡:?:,-- ~ · ,,- -·_ ::-·,.,_,, .. :·.,,,- ,., -> ..-'·_.:. - .·::,:' -~-""

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90

Capítulo~

la energía e~ los sistemas biológicos

Energfa y metabolismo celular

91

REFERENCIAS=~-"'-~--'--.

/>'::::vL Transferencia de energía

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v

v

radiante o energía tbmica

Transferencia d8 energfa

ne un regi~o col'!fidenda] enfermedad de Tay-Sachs, ·un afecta a uno de cada 3 600 norteamericanos descendientes de judfos · de Europa del este. los bebés que nacen con "eitt erlfen'néda:d rara-mente viven más de ·4 años, y ~o ~ste_·cu~ para ei!a. _li_aSad~ E!il los árboles genealógiCos que construye, el rabinO puede ·evitarel casa.·:

mientodedosindividuos_queportanélgen~ortal·_. __ _- ___ ·_· Sarah y David, que se conocierOn cuándotratiajab
)>.

La doctora Cqristine Schmidt y sus alumnos ~e posgrado siembran células endotellales aisladas en una matriz diseñada pa· ra ello y observan su credmtento. Saben que si su trabajo es exitoso, el tejido resultante podría contribuir algún dia a reemplazar un vaso sanguíneo del organismo. Del mismo modo que un niñ.o construye una casa con bloques de juguete, la bioingeniera y sus estudiantes fabrican tejidos a partir de célulaS. En ambos ejemplos alguien familiarizado cOn los componentes, bloques o células, puede predecir cuál será el producto final: los bloques forman edificios, las células fonnan tejidos. ¿Por qué, entonces, no pueden explicar los biólogos cómo las combinaciones de áddos nudeicos, proteínas, lípidos e hidratos de carbono adquieren los extraordinarios atributos de una célula viva, aun conociendo sus características? ¿Cómo pueden llevar a cabo las células vivas procesos que ex-ceden enormemente lo que podríamos predecir a partir del conocimiento de sus componentes individuales? La respuesta está en las propiedades emergentes ( ~ p. 6), aquellos rasgos distintivos que no pueden predecirse a partir de la simple suma de las partes constitutivas. Por ejemplo, si se encuentra un conjunto de piezas y tornillos metálicos provenientes de un motor de automóvil desarmado, ¿podría predecirse (sin conocimiento previo) que, dada una fuente de energía, dicho conjunto de piezas, dispuesto apropiadamente, podrá originar la potencia necesaria para mover miles de kilogramos? Las propiedades emergentes de los sistemas biológicos son de enonne interés para los científicos que tratan de explicar de qué modo un simple compartimento, como un liposoma de fosfolípidos ( ~ p. 55), podría haber evolucionado para dar origen a la primera célula viva. Deténgase por un momento y vea si puede enumerar las propiedades de la vida que caracterizan a todas las criaturas vivientes. Si usted fuera un científico que observa foto--

de enlaces qufmicos

1. Tienen una estructura coinP!eja, muy organizada 2. Adquieren, transforman, almacenan y utilizan !a energfa 3. Detectan y responden a Jos medios 1ntemo y externo 4. Mantienen· la homeostasis a través de sistemas internos de control
¡r·--····-···-"''" Energía para ¡

o,+ grafías y muestras enviadas desde Marte, ¿qué buscaña para determinar si hay vida en otras partes del universo? Compare ahora su lista con la del cuadro 4-1 OO. Los organis· mos vivos son entidades muy organizadas y complejas. Incluso una bacteria unicelular, a pesar de parecer simple bajo el microscopio, tiene una complejidad increi'ble al nivel químico de organización. Emplea reacciones bioquímicas -que están interconectadas de manera intrincada- para obtener, transformar, almacenar y usar energía e irúonnación. Detecta los cambios en los ·medios interno y externo y responde a ellos de manera tal de mantener la homeostasis. Se reproduce, se desarrolla, crece y muere, y su especie evoluciona a lo largo del tiempó. La energía es esencial para estos procesos que asociamos con tos seres vivos. Sin energía para el crecimiento, la reparación y el mantenimiento del medio interno, una célula es como un pueblo fantasma colmado de edificios que lentamente se desmoronan en ruinas. Las células necesitan energía para importar sustancias aún no procesadas, fabricar nuevas mOléculas y reparar o reciclar las partes que envejecen. La capacidad de las células de extraer energía a partir del medio externo y utilizarla para mantenerse a sí mismas como unidades organizadas en funcionamiento es una de sus características más notables. En este capítulo, se estudian los procesos c;elulares a ·través de los cuales el cuerpo humano obtiene energía y mantiene-sus siste· mas y aparatos organizados. ·

LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS El movimiento áclico de la energía entre el ambiente y los organismos vivos es uno de los conceptos fundamentales de labiología Todas las células utilizan la energía de su entorno para crecer, fabricar nuevas partes y reprodudise. Las plantas captan la energía radiante del sol y la almacenan como .energía de enlace químico mediante el proceso de fotosíntesis (Fig. 4-1 11). Extraen carbono y oxígeno del dióxido de carbcino, nitrógenO del suelo e hidrógeno y oxígeno del agua para producir biomoléculas como glucosa y aminoácidos. Por otra parte, los animales no pueden captar la energía del sol ni usar carbono y nitrógerio del aire y del suelo para sintetizar biomoléculas. Deben importar energía de enlaces químicos mediante la ingestión de las biomoléculas de plantas o de otros animales. Sin embargo, en última instancia, la energía del sol que fue

:::¡~\ (Eñ~~=~·sa¡ ,

~en biomolé<:ulas)

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-.:··~:g~>o l se almacena ;

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lill FIGURA 4-1 Transferencia de energía en el entamo ·Las plantas atrapan la energfa ~?diante del sol y la utilizan para almacenar energra en los enla(.es qulmicos de las biomo!écu!as. los

animales ingieren las plantas y consumen la energla o la almacena~.

atrapada por medio de la fotosíntesis es la fuente de energía para todos los animales, incluso para los seres humanos. Los animales ext;raen la energía de las biomoléculas por m~o del proceso de respiración, que consume oxígeno y produce dióxi~ do de carbono y agua Si los animales ingieren más energía de la que necesitan para consumo inmediato, el exceso de energía se almacena en enlaces químicos, al igual que en las plantas. Las moléculas de glucógeno (un polimero de glucosa) y de lípidos constituyen la principal reserva de energía de los animales ( ~ p. 27). Estas moléculas de almacenamiento están disponibles para su uso en los momentos en que los requerimientos de energía de un animal exceden su consumo de alimentos. ;c1R -~)if·'l S 1Ó N

t~r'?~:-·t. ¿Qué b1omo!éwlas
«{f

composidónqulmica?

Respuesta en fa p. 126

La energía se utiliza para realizar trabajo Todos los organismos vivos obtienen, almacenan y usan ener~ gía como combustible para sus actividades. La energía puede de~~como la capacidad de realizar trabajo, pero ¿qué es el tra·

bajo? Esta palabra se utiliza en la vida diaria para referilse a varias cosas, desde clavar un clavo con un martillo hasta estar sentado en el esattorio en la redacción de un artículo. Sin embargo, en los sistemas biológicos, el término representa una de tres posibles al· temativas: trabajo químico, trabajo de transporte o trabajo mecánico. El trabajo químico, la formación y ruptura de enlaces.químicos, Permite a células y organismos crecer, mantener un medio interÍto adecWdo y almacenar la información necesaria para la reproducción y otras actividades. La generación de los enlaces químicos de una proteína que el organismo empleará para la reparación de heridas es un ejemplo de trabajo químico. El trabajo de transporte permite a las células mover iones, moléculas y partículas más grandes a través de la membrana celular y de las membranas de los orgánulos dentro de la célula El trabajo de transporte: es particularmente .útil para crear gradientes de concentración, distribuciones de mol~as en las cuales la concentración es mayor de un lado de la membrana que del otro. Por ejemplo, determinados tipos de retículo endoplasmático ( ~ p. 66) utilizan energía para importar iones de caldo des· de el dtosol. Este transporte de iones crea una concentración de caldo elevada dentro del orgánulo y una concentración baja en

1

92

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

Reacciones químicas

el cttosol. Si entonces se libera el caldo nuevamente hacia el citosol, crea una ''señal de calcio" que hace que la célula realice alguna acción, como la contracción muSOllar. EÍllos animales, el trabajo mecánico se utiliza para producir movimiento. A nivel celular, comprende el movimiento de los orgánulos que se desplazan dentro de una célula, los cambios de forma de las células que cambian su forma y el movimiento de cilios y flagelos ( !§ p. 63). A nivel macroscópico en los animales, el movimiento involucra frecuentemente a la contracción muscular. La mayor parte del trabajo mecánico está mediada por proteínas motoras construidas por determinadas fibras intracelulares y filamentos del cttoesqueleto ( 1@ p. 62).

1

La energía se presenta en dos formas: cinética y potencial La energía puede clasificarse de varias maneras. En general cuando se piensa en la energía se evocan los términos que trata· mos habitualmente: energía térmica, energía eléctrica, energía mecánica. En este caso nos referimps a la energía almacenada en enlaces químicos. Cada tipo de energía tiene sus propias características. Sin embargo, todas las dases de energía comparten la capacidad de presentarse en dos formas: como energía cinética o como energía potenciaL La energía cinética es la energía del movimien~o (kinetikos, movimiento). Una pelota que rueda hada abajo por una colina, las moléculas de perfume que se esparcen en el aire, la carga el.éc· trica que fluye a tiavés de las líneas de electricidad, el calor que calienta una sartén y las moléculas que se desplazan a través de las membranas biológicas son todos ejemplos de cuerpos queposeen energía cinética. La energía potencial es energía almacenada. Una pelota depositada en la cima de una colina tiene energía potencial porque tiene el P9tendal para empézar su movimiento hada abajo por ella. Una molécula ubicada en el lado de mayor concentración de un gradiente de concentración almacena energía potencial porque tiene el potencial para ~overse a favor del gradiente. En los l•l

enlaces químicos, la energía potencial se almacena en-la posición de los electrones que fonnan el enlace ( ~ p. 23). Para aprender más acerca de la energía cinética y potencial, véase el apéndice A. Una característica dave de todos los tipos de energía es la capacidad de la energía potencial de transformarse en energía cinética, y viceversa.

La energía puede convertirse de una forma en otra Recuérdes~ que la definición general de energía es ·la capad· dad de realizar trabajo. El trabajo incluye siempre movimiento y, por consiguiente, está asociado con la energía cinética. La energía potencial también puede utilizarse para realizar trabajo, pero de· be convertirse primero en energía cinética. La conversión de ener~ gía potencial en energía cinética nunca es 100% eficiente, y una cierta cantidad de energía se pierde hada el entorno, general men· te como caloL La cantidad de energía que se pierde en la transfonnadón de· pende de la efidenda del proceso. Muchos pJt?Ce50S fisiológicos del cuerpo humano no son muy eficientes. Por ejemplo, el 70% de la energía utilizada durante el ejercido físico se pierde como calor en lugar de transformarse en trabajo de contracción muscular. La figura 4--2 0 resume la relación entre energía cinética y energía potencial: 1. La energía cinética de la pelota_en movimiento se transfor·

ma en energía potencial a medida que se realiza trabajo para empujarla hacia arriba sobre la rampa (Fig. ~Za). 2. La energía potencial está almacenada en la pelota en repo· so en la parte superior de la rampa (Fig. 4--2b). No se reaiiza trabajo, pero la capacidad de realizarlo está almacenada en la posición de la pelota. 3. La energía potencial de la pelota se vuelve energía cinéti· ca cuando la pelota rueda hacia abajo por la rampa (Fig. 4-2c). Cierta energía cinética se pierde hada el ambiente como calor debido al rozamiento entre la pelota, el aire y la rampa. .

{b)

{o)

En los sistemas biológicos, la energía potencial se almacena en gradientes de concentración y en enlaces químicos. Se transforma en energía cinética cuando se necesita para re:alizar trabajo químico, de transporte o mecánico.

La termodínámíca es el e$tudio del uso de la energía Dos reglas básicas dirigen la transferencia de energía en los sistemas biológicos y en el universo en su conjunto. La prim.~ ley de la termodinámica, conocida también como ley ae conservación de la energía, establece que la cantidad total de en~a presente en el uni· verso es constante. El universo se considera un sistema cemulo; nada ingresa ni egresa. La energía puede convertirse de un tipo en otro, pero la cantidad total de energía en un sistema cerrado nunca cambia. Pero el cuerpo humano no es un sistema cerrado. Como sistema abierto, intercambia materia y energía con su entorno. P¡.¡esto que el organismo no puede crear energía, la importa desde el exterior bajo la fonna de alimentos. Del mismo modo, el organismo pierde energía, especialmente bajo la forma de calor, hada el ambiente. la energía que permanece dentro del organismo puede conv~ de un tipo a otro o ut:ilizaise para realizar trabajo. l.a segunda ley de la termodinámica establece que los procesos naturales espontáneos migran de un estado de orden (no aleatorio) a una condición de aleatoriedad o desorden conocida también co.. mo entropía. La creación y el mantenimiento del orden en un sistema abiertO como el cuerpo requieren tm aporte de energía. El desorden existe cuando los sistemas abiertos pierden energía hada su · entorno sin recuperarla. Cuando esto ocurre, se dice que la entropía del sistema abierto ha aumentado. l.a analogía con un pueblo fantasma mencionada anterionnente ilustra la segunda ley. Cuando las personas invierten toda su energía en actividades que se realizan fuera del pueblo, éste cae lenta· mente en mal estado y se vuelve menos orgarti+ado (su entropía au~ menta). De manera similar, sin el continuo aporte de energía, uri.a célula es incapaz de mantener su ambiente interno ordenado. A medida que la célula pierde organización, desaparece su capacidad de llevar a cabo las funciones normales y la célula muere. En lo que queda de este capítulo, se estudiará cómo las células· obtienen energía a P?dir de los enlaces químicos de las biomolécu· las y la almacenan en ellos. Mediante el uso de reacciones químicas, las células transfonnan la energía potencial de los enlaces químicos en energía cinética para el crecimiento, el mantenimiento, la reproducdón y el movimiento. ·

3. ¿Cuál es !a diferencia entre energfa potencial y elier· g!a cinética? pelota hacia arriba sobre una rampa la energra cinética del movimiento ascendente por !a rampa se·almacena como !a energía potencial de !a posición delapa!ota.

La pelota detenida en la parte superior de !a rampa tiene ene¡gía potencial, e! potencial de realizar trabajo.

ID FIGURA 4-2 Reladón entre energia cinética y energia poteÍJcial

la pelota que rueda hacia abajo sobre la rampa transforma la energía potencial en energra cinética Sin embargo, !a conversión no es totalmente eficiente, y parte de !a energía se pierde como calor debido al rozamiento entre fa pelota, la rampa y el aire.

REACTANTES

PRODUCTOS

(SUSTRATOS)

.-.,R EJ(¡ S 1 Ó N f~_\,j~i2. Mencione dos vías por las que los animales almacenan f:;J~;:.:· energía en sus cuerpos.

Sa realiza trabajo para empujar una

TIPO DE REACCIÓN

93

4. ¿Qué es 'a

entropía? Respuestas en la p. 126

REACCIONES QUÍMICAS Los organismos vivos se caracterizan por su capacidad de extraer ~nergía del ambiente y utilizarla para man~ner los procesos

Combinación

A+S

->C

Descomposición

e

-)A+B

Desplazamiento simpfe*

L+MX

-)lX+M

Desplazamiento doble*

lX+MY

~x

-,n-er-g¡-. ,~ -t -, ves-.

-)LY+MX

e Yrepresentan átom05, iones o grupos químicos

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_d_e_l-os_s_"_te_m_a_•

biológicos se conoce como bíoenergética (bios, vida; en·, en; ergon, trabajo). En un sistema biológico, las reacciones químicas representan un medio crítico para la transferencia de energía desde una parte del sistema a otra.

La energía se transfiere entre las moléculas durante las reaccíones En una reacción química, una sustanda se vuelve una sustanda diferente, generalmente mediante la ruptura y/o la generación de enlaces covalentes. Una reacdón comienza con una o más moléculas denominadas reactantes y finaliza con una o más moléculas que reciben el nombre de productos (cuadro 4--2 liil). En esta exposición, se considerará una reacción que empieza con dos reactantes y termina con dos productos: A+B-:>C+D

La velocidad a la cual tiene lugar una reacción, o tasa de reacción, es la veloddad de desaparición de los reactantes (A y B) o· la velocidad de aparición de los productos (C y D). La tasa de reacdón se mide como un cambio de la concentración durante un de· tenninado periodo de tiempo, y se expresa frecuentemente como molaridad por segundo (M/s). El propósito de las reacciones químicas en las células es el de transferir energía de una molécula a otra o de emplear la energía almacenada en las moléculas de reactantes para realizar un trabajo. La energía· potencial almacenada en los enlaces químicos de tma molécula se conoce como energía libre de la molécula. Ge· neralmente, las moléculas complejas tienen más enlaces químicos y, por consiguiente, energías libres mayores. Por ejemplo, una gran molécula de glucógeno tiene más energía libre que una única molécula de glucosa, que a su vez tiene más energía libre que el dióxido de carbono y el agua a partir de los cuales fue sinteti~ zada. La energía libre elevada de las moléculas complejas como el glucógenO constituye la razón del empleo de estas moléculas para almacenar energía en las células. Para entender cómo las reacciones químicas transfieren energía entre moléculas, se deben responder dos preguntas. En primer lugar, ¿cómo se inician las reacciones? La energía necesaria para iniciar una reacción se conoce como energfa de actívad6n de la ·reacción. En segun?o lugar, ¿qué le sucede a la energía libre de los

1

94

Reacciones químicas

Capítulo 4 Energía y metaboflsmo celular

que pueda rodar por sí misma cuesta abajo por la pendiente opuesta Una reacción con baja energía de activadón se producirá espontáneamente cuando se junten los readantes. Puede demostrarse una reacción espontánea agregando un poco de vinagre sobre bicarbonato de sodio y observando cómo reaccionan ambos para producir dióxido de carbono. Las reacciones con af. tas energías de activación no ocurrirán espontáneamente, o lo harán demasiado lento como para resultar útiles. Por ejemplo, si se vierte vinagre sobre una pequeña porción de mantequilla no teD.drá lugar ninguna reacción visible.

1

:;:---¡¡ ~~,;_) · (Energía ténni~ 1~.,----,~, R&acción !'lX9IQón ca

¡! @ -~~~~ ólf® + ¡_ubm~! '

mFIGURA 4-3 La energfa de activadón es la que debe aportarse a Jos reactantes para que una reacción pueda ocurrir productos y de tos reactantes durante una reaccióil? la diferencia de energía libre entre los reactantes y los productos recibe e~ noni.bi:e de cambio neto de energía libre de la reacd6n.

La energía de activación pone en marcha las

reacciones La energía de activación es el aporte inicial de energía que se requiere para ubicar a los reactantes en una posición que les permita reaccionar unos con otros. Este "empujón" necesario para comenzar la reacción se muestra en la figura 4-3 mcomo la pequeña elevación por la que debe empujarse a la pelota antes de

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(b) las reacciones andergónlcas retienen cierta

energla de activación en ros productos, que tienen entonces más energ!a libre que los reactantes.

que los reactantes.

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a FIGURA 4-4 Reacdones exergónicas y endergónicas

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Reacciónendergón!ca

!E AGURA 4-S Transferenda y almacenamiento de enetgfa en fas reaCciones biológicas La energía liberada por las reacciones exergónkas puede retenerse en los: electrones de alta energfa de NADH, FADH2 o NADPH. La energla que no es retenida se libera como calor.

f.

{a) Las reacciones exergónicas liberan enel{lfa puesto que Jos productos tienen menos en¡¡¡gfa

r:.'l_ altaenerg¡a j

ENERGfA RETENIDA

:_;;y ;. '{ .

_¡:

ATP +lizO_, ADP + P1 + H+ +energía

--~~jEfectrones_?e¡

'-------~~ _..J

La energía se almacena o se libera durante las reacciones Una propiedad caracteristica de toda reacción química es el cambio de energía libre que tiene lugar a medida que procede la. reacción. Los productos de una reacción tendrán menor energía libre que los reactantes o mayor energía libre que éstos. Un cambio en el nivel de energía libre indica que la reacción ha liberado o retenido -energía. Si la energía hbre de los productos es menor que la energía mue de los reactantes, como en la figtua 4-4a m, la reacción libera energía y se denomina reacción exergónica (ex-, afuera; ergcn, trabajo). _ La energía liberada por una reacción exergónica, o productcra de energfa, puede ser utilizada por otras moléculas pata realizar trabajo o puede ser hberada en fonna de caloL En unos pocos casos; la energía liberada en una reacdón exetgónica se almacena como energía potencial en un gradiente de concentración. Un ejemplo biológico importante de reacción exergónica es la combinación de ATP y agua para originar ADP, fosfato inorgání· co (P~ y H+. Se libera energía durante esta reacción cuando se escinde el enlace fosfato de alta energía de la molécula de ATP:

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95

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V

l

Compárese ahora la reacción exergónica de la figura 44a con la reacción representada en la figura 4-4b. En esta última, parte de la energía de activación que se agrega a los reactantes se retiene en los productos, haciendo que la energía libre de éstos sea mayor que la de los reactantes. Estas reacciones, que requieren un aporte neto de energía, reciben el nombre de reacciones endergónicas (endJJ, dentro de; ergoo, trabajo), o que utilizan energfa. Parte de la energía aportada a una reacción endergónica permanece atrapada en los enlaces qtúmicos de los productos. Así, las reacciones que utilizan energía son frecuentemente reacciones de síntesis, en las cuales se fabrican moléculas complejas a partir de moléculas más pequeiías. Por ejemplo, una reacción endergónica une a muchas moléculas de glucosa para generar el polímero de glucosa llamado glucógeno. La compleja molécula de glucó.geno tiene más energía libre que las moléculas de glucosa individuales empleadas para fabricarla. Si una reacción retiene energía a medida que procede en una dirección (A + B_, C + D), liberará energía al proceder en la dirección inversa (e+ D -i A+ B). Por ejemplo, la energía almacenada en los enlaces del glucógeno durante su síntesis será li~­ da cuando el glucógeno se degrade nuevamente en glucosa. Acoplamiento de las reacciones endergónicas y exergónicas· ¿De dónde provi.ene la energía de activación para las reacciones meta- . bólicas? La manera más simple para que una célula adquiera ener. gía de activación es el acoplamiento de una reacción exerg6nica con una reacción endergónica. Algunas de las reacd.ones acopladas más conocidas son las que usan la energía liberada por la ruptura del enlace de alta energía del ATP para impulsar una reacd.ón endergónica:

ATI E+F

G+H

En este tipo de reacción acoplada1 las dos reacciones ocurren simultáneamente y en la misma ubicació.n, de manera tal que la

energía del ATP puede utilizarse inmediatamente pata impulsar la reacción endergónica entre los reactantes Ey F. Sin embargo, este sistema de acoplamiento directo de reacciones no siempre resulta práctico. En consecuencia, las células vivas han desarrollado mecanismos para almacenar la energía h'berada por las reacciones exergónicas y utilizarla posteriormente. El método -Q1ás común es el de almacenar energía bajo la forma de elec-

trones de alta energía transportados en nucleótidos (~ p. 22). Las moléculas de los nucleÓtidos NADH, FADHz y NADPH capturan energía en los electrones de sus átomos de hidrógeno (Fig. 45 liil). NADH y FADHz transfieren generalmente la mayor parte de su energía al ATP, que luego puede utilizarse para impulsar las reacciones endergónicas.

El cambio neto de energía libre determina la reversibilidad de la reacción El cambio neto de energía libre de una reacdón desempeña un papel importante en la determinación de si una reacción pue-de ser revertida, puesto que el cambio neto de energía libre de la reacción directa contribuye a la energía de activación de la reacción inversa. Una reacción química que puede proceder en ambas direcciones se denomina reacción reversible. En una reacción reversible, la reacción directa A+ B ~ e+ D y su reacción inversa e+ D ~A+ B tienen igual probabilidad de ocurrir: Si una reacción procede en una dirección pero no en la otra, se trata de una reacción irreversible. Por ejemplo, obsérvese la energía de activación de la reacción e + D ~ A+ Ben la figura 4.6 m. Esta reacción es la inversa de Ia: reacción que se muestra en la figura 4-4a. Puesto que se produjo gran liberación de energía en la reacción A+ B -7 e+ D, la reacción inversa (Fíg. 4--6) tiene gran energía de activación. Como se recordará, cuanto mayor es la energía de activación, menos probable. es que la reacción se produzca espontáneamenté. En teoría, todas las reacciones pueden revertirse con un aporte suficiente de energía, pero algunas reacciones son tan extremadamente exergónicas que resultan esencialmente irreversibles. En el estudio de la fisiología, usted encontrará algunas reacciones irreversibles. Sin embargo, la mayoría de las reacciones biológicas son reversibles: si la reacción A+ B ~ C +Des posible, también lo es la reacción C + D -7 A+ B. Las reacciones re* versibles se representan con flechas que apuntan hada ambos sentidos: A+ B ~e+ D. Una de las·prtndpales razones de que muchas reacciones biológicas sean reversibles es que están facilitadas por las proteínas especializadas denominadas enzi. mas.

• La. denomlnadón de las reacciones directa e Inversa es arbitraria.

1

r Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

96

Enzimas Efecto de la modificación del pH

REFERENCIAS

sobre la actividad enzimática

~o.=.=~•·=""·=~•·:,.:";¡,.;----J ==~de Jareacelón

'1

-Avance de !a rwcción .Productos

L-.-

i.

·como

Cambio neto deoo~ra

fibra

1

h

C.D ---Tiempo-

PR-EGUNTA ¿Es ésta una reacd6n • er.de!gónlca o exergón1ca7

rn FIGURA 4-6 Algunas reacciones tienen energía de activación elevada

. j>

Wifa 11

6, Si se mezcla bicarbonato de sodio y vinagre en un redpiente, la mezcla reacciona y se produce espuma, liberánd~ dióxido de carbono gaseoso. Asigne los n_onr bres de reactante{s) y producto(s) en esta reacción.

7. ¿Cree usted que la reacción de la pregunta 6 es endergónica o exergónica? ¿Cree que es reversible? Funda-

mente sus respuestaS: Respuestas en la p•.126

ENZIMAS Como se indicó en el capítulo 2, las enzimas son proteínas que aceleran la veloctdad de las reacciones químicas. Durante dichas reacdones, las moléculas enzimáticas no se modifican de manera alguna, lo que significa que ·son catalizadores biológicos. Sin las enzimas, la mayoría de las reii.cctones químicas de una célula serian tan lentas que la célula no podría vivir. Puesto que una enzima no se modifica de manera permanente ni se cim5Uple durante la reacción que cataliza, Se la puede incluir en la ecuación de reacción de esta manera: ~

A+ B+ enzima ~ C +. D +enzima

Esta forma de escribir una reacción muestra que la enzima participa con los reactantes Ay Bpero se mantiene inalterada al final de la reacdón. Una forma abreviada más común para las reacciones enzimáticas muestra el·nombre de la enzima por sobre la flecha de reacdón, como se indicia continuación:

A+B

Cán~er de

Fosfatasa alcalina

Enfermedades de hueso o hígado

Amilasa

Enfermedad pancreática

Creatinci.nasa (CK)

Infarto de miocardio, enfermedad muscular

Lactato deshídrogenasa· (LDH)

ENFERMEDADES RELAOONADAS

próstata .

~

•

u

~

'

5

~~~ ~iiUfwH!t~¡

Infarto de miocardio, hepatopa_tfa, excesiva degradación de glóbulos rojos

La actividad de las enzimas, al igual que la de otras proteínas solubles, puede verse alterada por varios factores. Algunas enzimas se sintetizan como moléculas inactivas (proenzimas o dm6genos) y se activan de acuerdo con la demanda por activación proteolítica ( ~ p. 40). Otras requieren la unión de cofactores inorgánicos, como CaZ+ o Mgt., antes de volverse activas. Los cofactores orgánicos de las enzimas se denominan coenzimas. Las coenzimas no alteran el sitio de unión de las enzimas como lo hacen los cofactores iriorgánicos. En lugar de ello, las coenzimas actúan como receptores y transportadores de átomos

La mayoría de las enzimas son proteínas grandes· con formas tridimensionales complejas. Al igual que otras proteínas que se unen a sustratos, las enzimas presentan espedfiddad, competenda y saturación ( ~ p. 39). Algunas enzimas existen en varias formas relacionadas (isoformas) y se conocen como isoenzimas (isa-, igual). Las izoenzimas son enzimas que catalizan la misma reacdón pero bajo diferentes condiciones o en diferentes tejidos. Las estructuras de las isoenzimas reladonadas son levemente diferentes entre si, lo que causa la variabilidad en su actividad. Muchas isoenzimas tienen estructuras complejas con múltiples ~denas proteicas. Por ejemplo, la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) tiene dos tipos de subunidades, denominadas Hy M, que se ensamblan en tetrámeros (grupos de cuatro). Las isoenzimas LDH son H"' If1Jz y M4• Las distintas isoenzimas LDH son específicas de tejido; por ejemplo, una se halla prindpalmente en el corazón, y otra se encuentra en el músculo esquelético y el hígado. Las isoenzimas tienen un papel imporfante en el diagnóstico de determinados trastornos médicos. Por ejemplo, dentro de las primeras horas luego de un infarto, las células dañadas del músculo cardíaco liberan enzimas hada el tof!:ente sanguíneo. Una manera de determinar si el dolor de pecho de un individuo se debe en efecto a un infarto es evaluar la presencta de niveles elevados de isoenzimas cardíacas en la sangre. El cuadro 4-3 m enumera algunas isoenzimas de importanda diagnóstica y las enfermedades relacionadas.

8

En los seres humanoo, la mayoría de las enzimas tiene actividad óptima cercana al pH interno del organismo, de 7,4.

PREGUNTA ¿Qué !e sucede a la actividad de la enzima si el pH desciende de8a7,4?

Las enzimas pueden ser activadas, ínadívadas o moduladas

Las enzimas participan en las ínteracdones típicas entre proteínas

6

pH

~Una prueba más redente p.;ra una mo!éCu!a denominada ant!geno prostatic.o eo;¡Íecffico (prostate spty;}fir: ;;mtigen, PSA)_f¡¡¡ rewplazado a !a prueba de fa fosfatasa ádd~ en C! dlag!ÍóStico del cán_cer de' próstata.

mFIGURA 4-7 Efecto del pH sobre la actividad enzímática

o grupos funcionales removidos de los sustratos durante la reacdón. A pesar de que las coenzimas son necesarias para que algunas reacciones metabólicas se lleven a cabo, no se requieren en grandes cantidades. Muchas de las sustandas llamadas vitaminas son los precur· seres de las coenzi.mas. Las vitaminas hidrosolubles, como las vitaminas del grupo B, la vitamina C, el áddo fólico, la biotina y él ád4o pantoténico, se transforman en coenzimas necesarias para variás reacciones metabólicas. Por ejemplo, la vitamina C es necesaria para la adecuada síntesis de colágeno. Las enzimas pueden ser inactivadas por inhibidores o por desnaturalizadón. I.a actividad enzimática puede .alterarse por moduladores químicos o por modificaciones de la temperatura o del pH. La figura 4-7 mmuestra cómo puede variar la actividad enzi· mática para uri amplio conjunto de valores de pH. Mediante la activación o la inhibidón de las reacciones Oel aumento o la disminución de la veloddad a la cual éstas ocurren, una célula puede regular el flujo de biomoléculas a través de vías de síntesis y de producdón de energía. _<\RE}il S 1Ó N

(üh10'8. ¿Cuál es fa ventaja biológica de tener distintas isoenzi<;_j}"

mas para una reacción dada en lUgar de sólo una- for· ma de la enzima?

9. ¿De qué nivel de la estructura proteica son ejemplo fas

~-C+D

En las reacdones catalizadas por enzimas, los reactantes redben el nombre de sustratos.

ENZIMA Fosfatasa ácida~

Glutamato deshidrogenasa (GDH) Hep
Pregunta 1: La hexosaminidasa A se necesita también para la temcdón de los gangliósidos_ de las células _de_l oj~ sen~!bles a la__luz~ Sobre la base de ésta lnfo~adán, ¿~ué otro _Sfn_toina :de.la enfermedad de Tay-SachS hay. además de la_pérélida .det_éoñ- :-_ trof muscular y de la fundón ceÍ'ebral? ·

1S 1Ó N

¿Cuál es la diferencia entre las reacciones endergónicas y exergónicas? ·

t \ 1 1 I/ \ ~ / \i

la enfennedad de Tay-Sachs es un trastorno devastador. Nónná!-

mente, los lisosomas de fas células contienen enzimas (¡ue digieren partes viejas y dáerioradas de la célula. En la enfermedad de TaySadls está ausente la hexósaminidasa A, unúnzima que digiere a los glucolípidos de"nominados gangtiósidos. resultado, los gangliósidosseacumu!an en las células ileiviosaS-del cérebro, ló que hace qué se hinchen yfundonen de manera ai1o~al_._los niños oon erifermedad de Tay-sachs pierden lentamente el contiol • muscular y la 'fundón cer~bra!.'Muerén generalmente anteS de lóS · 4años,

A•B

97

cuatro cadenas proteicas de una isoenzima de LDH? a) primaria, b) secundarla, e) terciaria, d) cuaternaria. Respuestas en la p. 126

' Recientemente, los investigadores descubrieron que el RNA puede actuar aveces como <:atalizador.

Ji

1

98

Enzimas

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular Eneryía de activacló

ley de acción de masas:

__en ausencia de enzi~

~

-;;---,, '

cau~do

por un defecto en el gen _q~e dl_rige la'~fn!¡;s_is_ ~;~ ~~-h~ ·

xosaminidasa A. El téfmino r~cesivO S_i9_nm~ qÚe,;¡?a~-(¡u~:~-~:- · bebé nazca con !a enfermedad _de :a·y*~chs;~ébe_.heieda_(dos_ genes def~uosos, u~_o de (;lda; pr_o_g~nAitor--_lo~-~~dividu'c}S_ C~n. ·. un gen de Tay·Sachs·y u~ gen riOfnla! Sé: d~nó_n_1I~al\ POrtado~~-

de la enfermedad. los portaélores ñO dcisinToUaráhláe~ferfne-_ ·, dad,

\

Mon" ""•'' . '

de activación en presencia de enzima

:e-¡ 1 ~\-~/ ~ n:;:a-V'- - cL.Y__-_-_:- E

·

.

cuando una reaCción ~ en equilibrio, !a relación entre

-

•

loS productos y loS sustrntos pem1anecerá constante.

(a) Reacción en equilibrio r1

A+B

C+D

FFfi~FFfl

....DjiL

-..Df1-

r2

_A___

~

~

ICJIDJ IAJ [BJ " K,

Velocidad de reacción en _ Velocidad de reaCción en !acf!l'eCCióndirecta (r1) - ladlrecciónlnversa {r2l

!

(b) Equllibrio alterado

C.D ---Tiempo---~>

REFeRENCIAS

-Sustratos Activación de ta reacción -Avance de la reacció.n Productos ·~

rn FIGURA 4-8 Las enzimas disminuyen la energía de activa-

Adición de A + B al sfstema

fiBtp'l, ''. · . '•\ ~,;.,

~-··

.'~

JC)JDJ JAIJBJ
{e) la velocidad de reacción r1aumenta para transformar parte del A + B agregado en los productos e + D. ·

dón de las reacdones

Las enzimas diSminuyen la energía de activación

de las reacciones ¿Cómo aumenta una enzima la velocidad de una reacción? En términos termodinámicos, disminuye la energía de activación, haciendo más probable que la reacción comience (Flg. 4-8 SI). Las enzimas consiguen esto uniéndose a sus sustrátos y ubicándolos en la mejor posición para que reaccionen unOs con otros. Sin las enzimas, la reacción dependería de las colisiones al azar entre las moléculas de sustrato para lograr alinearlas. La veloctd'ád de una reacción catalizada por una enzima es mucho mayor que la velocidad que tendría la misma reacción si ocurriera en ausencia de la enzima. Por ejemplo, considérese la enzima anhidrasa carb6nica, que convierte C02 y agua en ácido carbónico. Una única molécula de _anhidrasa carbónica tarda un segundo en catalizar la conversión de 1 millón de moléculas de C02 y agua en ácido carbónico: En ausencia-de la enzima, se necesitan casi 100 segundos par~ que una sola molécula de C02 y agua se conviertan en ácido carbótÍi.co. Sin las enzimas en Ias cé· lulas, las reacciones biológicas avanzariari tan lentamente que la célula sería incapaz de obtener energía suficiente para vivir.

Las veloddades de reacción son variables La velocidad de una reacción enzimática se mide evaluando cuán rápido se sintetizan los productos o cuán rápido se consumen los sustratos. La velocidad de rea¡:ctón puede ser alterada por un conjunto de factores, por ejemplo, ~bios en la temperatu· ra, cantidad de enzima presente y concentraciones de los sustra· tos (m p. 42). En los mamfferos, se considera que la temperatura es esencialmente constante. La cantidad y la concentración de.

En ausencia de enzima, la reacción (línea a trazos curvá) tendrfa una energ~a de activación mucho mayor.

Atp•:,,~ C•D ' .

sustrato son entonces las dos variables principales que afectan la velocidad de reacción. Una estrategia que utilizan las células para controlar la velocidad de reacción es regular la cantidad de enzima en la célula. En ausencia de la enzima apropiada, muchas reacciones biológicas avanzan muy lentamente o no se producen. Si la enzima está presente, la velocidad de la reacción será proporcional a la .cantidad de enzima y a la cantidad de sustrato, a menos que exista tanto sustzato que todos Jos sitios de unión de la enzima estén saturados y traQ_~do a capacidad nláxima (¡¡¡¡;¡: p. 43}.

Las reacciones reversibles obedecen la ley de acción de masas En el análisis de las interacciones entre proteínas en el capítu· lo 2 se estudió que, si la cantidad de enzima eS constante, la velocidad de reacción es proporcional a la concentración de sustrato(~ p. 43). Esto parece simple, hasti que se analiza una reacción reversible que puede proceder en ambas direcciones. En ese caso, ¿qué determina la dirección en la que avanzará la reacción? La respuesta, como se indica en el capítulo 2, es que las reacciones ieVefs1bl"ks proceden hasta un estado de equilibrio, donde la velocidad de la reacción en una dirección (A+ B-t C + D) es igual a la velOcidad de la teacción inversa (C + D -t A+ B), como se muestra· en la figur\t -4-9a l!li,En el equilibrio, no existe cambio netoen la cantidad de sustrato o producto. Tan pronto como Ay B se transforman en e y D ocun:e la reacción inversa, de manera tal que e y D se convierten nuevamente en Ay B. En el equilibrio, la

.

¿Qué sucede si algún factor altera este equilibrio mediañte el incremento de la cantidad de A o B en el sistema (Fig. -4-9b)? Cuando aumenta la concentración de A o B, la velocidad de la reacción directa se incrementa para convertir parte del sustrato agregado en los productos C y D (Fig. 4·9c), manteniendo así el cociente productos:reactantes de equilibrio original, que en este ejemplo resulta ser 1:1. Amedida que el cociente se acerca nuevamente a este valor de equilibrio, la veloddad de la reacdón directa disminuye hasta que finalmente el sistema alcanza nuevamente el equilibrio (Fig. 4-9d). La situación que se acaba de describir es un ejemplo de reac-~ ción reversible que obedece la ley de acción de masas, una rela- . dón simple que se mantiene para las reacciones quúnicas, independientemente de si se producen en un tubo de ensayo o en una célula. Esta ley se estudia a veces en química con el nombre de principio de LeChiiMier. En ténninos muy generales, la ley· de acción de masas enuncia que, cuando una reacción está en equili· brio, la relación entre productos y sustratos es siempre la mlsma { &$ p. 39). Esta ley es importante en fisiología, porque el agregado o la remoción de los participantes de una reacción química tienen un efecto de reacción en cadena que modifica las concentradones de los otros participantes de la reacción. RE.VISIÓN

::z; ,~;jO: Considérese la reacción de la anhidrasa carbónica, desi(?ff;crita previamente, que es reversible: C02 + H20 ~ '"· HlC0 3• Si aumenta· la concentración de dióxido de car· bono en el organismo, ¿qué le sucede a la concentración dé áddo carbónico {H1C03)? .

Respuesta en !a p. 126

' (d} Equfnbrlo restablecido cuando

~~ :

A+B

=~<eq nuevamente. C+D

~ . .

la relación entre productos y sustratos es siempre la misma en el equilibrio.

mFIGURA 4-9 Ley de acáón de masas Esta figura muestra una reacción en la cual la relación entre productos y sustratos es 1:1, !o que hace que la cantidad A+ Bsea igual a !a cantidad C + O en e! equilibrio. La verdadera relación entre productos y sustratos depende de la reacción. Por ejemplo, la. relación podrra ser 10:1 o 1:4.

relación entre los sustratos y los productos es siempre 1a misma y es igual a la omstante de equilibrio de la reacción, Keq { ~ p. 39). Para la reacción indicada arriba, K

=00

• !AJ[BJ

Las reacciones enzimáticas pueden ser dasificadas La mayoría de las reacciones catallzadas por enzimas pueden clasificarse en cuatro categorías: reacciones de oxidoneducdón, hidróUsi.Hteshidratación, intercambio-adición.eliminadón y ligadura. El cuadro 4-4 mresume estas categorías e indica los nombres de enzi. mas comunes para los diferentes tipos de reacciones. El nombre de uria enzima puede aportar pistas importantes respecto del tipo de reacdón que aquélla cataliza. La mayoría de las enzimas se reconocen al instante por el sufijo -asa. La prime· ra parte del nombre de la enzima (todo lo que precede al sufijo) se refiere generalmente al tipo de reacción, al sustrato sobre el cual actúa la eñzirna, o a ambos. Por ejemplo, Iaglucodnasa tiene a la glucosa como sustrato, y como dnasa le agregará un grupo fosfato ( ~ p. 27). La adición de un grupo fosfato se denomina fosforilactón. Algunas pocas enzimas tienen dos nombres. Estas enzimas se descubñeron antes de 1972, año en el que se adoptaron por primera vez los estándares actuales para la nomenclatura de enzimas. Como resultadp, tienen un nombre nuevo y 1m nombre más antiguo, que se emplea comúnmente. Pepsina y tripsina, dos enzimas digestivas, son ejemplos de nombres de enzimas antiguos.

Reacciones de oxidorreducdón Las reacciones de oxidorreducdón son las más importantes para la extracción y transferenda de eriergía en las células. Estas reacciones transfieren electrones o protones (H+) de una molécula a otra. Se dice que una molécula

r 100

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

Metabollsmo

TIPO DE REACOÓN

QU~ SUCEDE

ENZIMAS REPRESENTATIVAS

t. Oxidorreducdón

Adición o eliminación de electrones o W Transferencia de electrones desde un dador al ox[geno Remoción _de electrones e H+ Ganancia de -electrones

Oxidasa Deshidrogenasa Reductasa

(a) OK!dadón

(b) R~ucdón 2. Hidrólisis.-deshidratación

(a) Hidrólisis (b) Deshidratación

1

3. Transferencia de grupos químicos

(a) Reacción de intercambio

{b) Adkión

(c}Eliminadón

4.ligadura

Adición o eliminación de una molécula de agua Ruptura de grandes moléculas por el agregado de agua Remoclón de agua; empleada para producir grandes moléculas a partir de muchas moléculas más pequeñas AdidórÍ, eliminación o intercambio de grupos entre moléculas Fosfato Grupo amino Fosfato Grupoamino Fosfato Grupoamino ·Unión de dos sustratos con gasto de energía defATP

gen de:

__ normales. D~íd._~ Sara"~ Se someiei-Aii ~ nueva PrtJebi genética:

Hidrolasa Proteasa, lipasa

a

Pre!iurita_.3:' - · _ . . _ ·>' · _ _', ,_ _ Clnasa

-

¿P_Jtqué es r_nás &a~-~ nue_va.prú_e.~a pa~-ef gim de_ Tai·~achs q_~e _el Viejo. e_nsáyo, que detecta éantidades dis-

.

minuidas de hexÓsaminldasa A? -

Fosforilasa Aminasa Fosfatasa

·. ,p

Oesamin~

ifiJW~J¡ ;~iUI. 1(!,¡ :l~:

Sintetasa

R,E.VIS IÓN Nombre el s~ato para las enzimas lactasa, peptida. · -sa, lipasa y sacarasa.

:;_¡~i:;;i11.

que gana electrones o pierde H+ se reduce; Una manera de interpretar esto e_s recordar que el agregado de electrones cargados negativamente reduce la carga eléctrica sobre la molécula. Asimismo, la pérdida de un protón con carga posítiva deja un electrón con una carga negativa, lo que nuevamente reduce la carga total sobre la moléa:tla. Por el contrario, se dice que las moléculas que pierden electrones o ganan H+ se oxidan. Reacciones de hidrólisis-deshidratación Las reacciones de hidróli· sis y deshidratación son iniportantes en la degradación y síntesis de las biomoléculas grandes. En las reacciones de deshidratación (de-, fuera; hydr-, agua), una molécula de agua es uno de los productos. En muchas reacciones de deshidratación, dos moléculas se combinan para dar una sola, con la pérdida de agua en el proceso. Por ejemplo, los monosacáridos glucosa y fructosa se unen para formar una molécula de sacarosa ( ~ p. 27). En dicho proceso, una molécula de sustrato pierde un grupo hidroxilo (-OH) y la otra molécula de sustrato pierde un hidrógeno para ge-nerar agua, Hp. Cuando el resultado de una reacción de deshidratación es la síntesis de una nueva molécula, el proceso recibe el nombre de síntesis por deshidratación. En una reacción de hidrólisis (hy4ro, agua; lysis, aflojar o disolver), un sustrato se transforma en uno o más productos mediante el agregado de agua. En estas reacciones se escinden los enlaces covalentes. de la molécula de agua (se "lisan''), de manera tal que el agua reacciona como un grupo hidroxilo (-OH) y un hidfó.. geno (-H). Por ejemplo, puede eliminarse un aminoácido del extremo de un péptido mediante una reacción de hidrólisis (véase la Fig. 4-19a, p. 111). Cuando el nombre de una enzima está formado por el nombre de un sustrato más el sufijo -asa, la enzima produce una reacdón de hidrólisis. Un ejemplo es la lipasa, una enzima que degra-da lípidos grandes en lípidos más pequeños mediante hidrólisis..

Una peptidasa es una enzima que elimina un aminoácido a partir de un péptido.

12. Relacione el tipo de reacción o enzima de la columna

de la izquierda con el grupo o partlrula involucrada Reacciones de adición-eliminación-intercambio Una reacción de adición agrega un grupo funcional a uno o más de los sustratos. Una reacción de eliminación remueve un grupo funcional de uno o más de los sustratos. Los grupos funcionales se intercambian entre los sustratos dtuante las reacciones de intercambio. Por ejemplo, pueden transferirse grupos fosfato desde una molécula a otra durante las reacciones de adición, eliminación o intercambio. La transferencia de grupos fosfato es un medio importante de modulación covalente ( íílll: p. 41), que hace que las reacciones se activen o se detengan o que. aumente o disminuya su velOCidad. Muchos tipos de enzimas catalizan reacciones que transfieren grupos fusfato. Las dnasis transfielen un grupo fosfa.. to desde un sustrato a una molécula de ADP para generar ATP, o desde una molécula de ATP a un sustrato. Por ejemplo, la creatin· dnasa transfiere un grupo fosfato desde creatín fosfato a ADP, para formar ATP y dejar creatina libre. La adición, eliminación e intercainbio de grupos amino (m p. 31) son también importantes en la ·uti.llzi¡,ctón de aminoácidos del organismo. La remoción de un grupo ámino de un aminoácido o péptido es una reacdón de desaminación, que se ilustra en la figura 4-19b, p. 111. I.a adición de un grupo amino es una aminación, y la transferencia de un grupo amino desde una molécula a otra recibe el nombre de transaminación. Reacciones de ligadura Las reacciones de ligadura unen dos moléatlas usando enzimas conocidas como sintetasas y de la energía del ATP. Un ejemplo de reacción de ligadura es la síntesis de acetil ccenzimaA (acetil CoA) a·partir de ácidos grasos y de coenzima A El acetil CoA es una molécula importante en el 01ganiSm0¡ como se estudiará en la próxima sección.

Gran parte de la energía liberada durante el catabolismo se-almacena en Jos enlaces fosfato de alta energía del ATP o en los electrones de alta energía de NADH, FADHz o NADPH. Posteriormente, las reacciones anabólicas transfieren energía desde estos transportadores temporarios a los enlices covalentes de las biomoléculas. El metabolismo es una red de reacciones químicas altamente coordinadas en la cual las actividades que ocurren en una célula en un inomento dado coinciden con las necesidades de la célula. Cada paso en una vía metabólica es una reacción enzimática diferente, y las reacctones de la vía proceden secuendalmente: El sustrato Ase transforma en el producto B, que luego se constituye en el sustrato para la próxima reacclón de la vía, en la cual B se transforma en e, y así sucesivamente:

.· ;¡_>.

Trall5aminaSa

a) Cinasa b) Oxidación

2. Electrones

1. Grupo amino

e) Hidrólisis

3. Grupo fosfato

d) Transaminasa

4.Agua Respuestas en la p. 126

METABOLISMO

;~

~

$r

El término metabolismo hace referencia a todas las reacciones químicas que ocurren en un organismo. Estas reacciones 1) extraen energía de las biomoléculas de los nutrientes (como proteínas, hidratos de carbono y Upidos) y 2) sintetizan o degradan moléculas. Amenudo, el metabolismo se divide en catabolisino, reacciones que producen energía a través de la degradación de biomoléculas grandes, y anabolismo, reacciones que utilizan energía y producen la síntesis de biomoléculas grandes. Las reacciones anabólicas y catabólicas ocurren simultáneamente en célu· las de todo el organismo, de manera tal que, en cualquier momento dado, algunas biomoléculas están sierido sintetizadas mi!!Utras que otras están siendo degradadas. I.a energía liberada de los enlaces químicos de las biomoléculas o almacenada en ellos durante el rru:tabolismo se mide comúnmente en kilocalorias (kcal). Una kilocaloría es la cantidad de energía necesan'á para elevar la temperatura de llitro de agua en 1 grado Celsius. Una ldlocaloria es lo mismo que una Caloría, con C mayúscula, utilizada para cuantificar el contenido de energía de los alimentos. Una kilocaloria es también equivalente a 1 000 calorías (con e minúscula).

101

A.....¡.B.....¡.C-+-D Las moléculas de la vía reciben el nombte de intermediarios, puesto que los productos de una reacción se vuelven los sustratos de la próxima. El lector escuchará a veces nombrar a las vías me.. tabólicas como metabolis111!) intermedio. Ciertos intermediarios, denominados intermediarios clave, partlcipan en más de una vía y actúan como puntos de ramificación para la canalización de un sustrato hacia una dirección u otra. Por ejemplo, la glucosa es un intermediario clave en varias vías metabólicas. En muchas formas los grupos de vías metabólicas son bastante similares a un mapa de rutas detallado (Fig. 4-10 lB). Del mis-mo modo que el mapa muestra una red de caminos que conectan varias ciudades y pueblos, puede imaginarse el metabolismo como una red de reaCciones químicas que conectan varios productos intermedios. Cada ciudad o pueblo es un intermediario químico diferente. Los caminos de un sentido de drculadón corresponden a reacciones irreversibles, y las grandes ciudades con caminos que se dirigen hada varios destinos son los intermediarios clave. De la misma forma que puede haber más de una alternativa para ir desde un lugar a otro, pueden existir varias vías entre cualquier par de intermediarios químicos dado.

Las células regulan sus vías metabólicas ¿Cómo regulan las células el flujo de moléculas a través de sus vías metabólicas? Lo hacen de cinco maneras básicas: 1. 'Mediante el control de la concentractón de las enzimas 2. Mediante la producción de moduladores alostérlcos y covalentes 3. Mediante la utilización de dos enzimas diferentes para catalizar las reacciones reversibles 4. Mediante el aislamiento de enzimas dentro de los orgánulos intracelulares 5. Mediante el mantenimiento de una relación óptima entre

ATPyADP En el capítulo 2 ( ~ p. 43) se examinó la, modificación de la concentración de las enzimas. Las secciones siguientes analizan

los cuatro ítems restantes de la lista. Modulación de enzimas Los moduladores, que alteran la activi· dad de una proteína, se presentaron también en el capítulo 2 ( ~

Producción

102

de ATP

103

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular G.! FIGURA 4-12 Reacdones metabólicas reversibles e irreversibles

lbl

~G

Ghm•,?

Fructosa Fructos:a Hosfato 0

1

....(il,

·~""""· 5-fosfato

Glicerol~ DHAP.

VIas metabólicas representadas como un mapa de rutas

mFIGURA 4-10 Un conjunto de vlas metabólicas se asemeja a un mapa de rutas Las ciudades dibujadas en ef mapa son equivalentes a los intermediarios metabólicos. En el metabolismo, puede existir más de una vfa para ir desde un intermediario a otro, del·rrtismo modo que en- el mápa existen varias alternativas para llegar desde una dudad a otra. p. 40). La modulación enzimática está controlada frecuentemente por hormonas y otras señales provenientes del exterior de la cé· lula. Este tipo d_e regulación externa es un elemento clave del control integral del metabolismo c01porai luego de la ingestión de alimentos o durante períodos de ayuno prolongados. Además, algunas vías metabólicas tienen su propia forma de modulación incorporada, denominada inhibición por retroalí· mentación. En esta fonna de modulación, el producto final de la vía, que se muestra como Z en la figuta 4-11 a actúa como un modulador inhibitoño de la vía. A medida que la vía procede y se acumula Z, la enzima que cataliza la conversión de A a Bse fnhi· be. La inhibición de la enzima enlentece la producción de Z has-ta que la célula pueda consumirla. Una vez que caen los niveles de Z, desaparece la inhibición por retroalimentación sobre la enzima 1 y la vía empieza a tuncionar_nuevamente. Puesto que Z es el producto final de la vía, este tipo de inhibición por retÍoalimentación se denomina a veces· inhibicián par producto final. Emimas y reacciones reversibles Las células pueden emplear reacciones reversibles para regular la vel~dad y la dirección del me·

~""""~""""' '•"1"""'' l""'"l L.: . .;:ri¡--.-~-1'-i~~SN-:i1~~

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4

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.............................................................~•

8 FIGURA 4--11

.

. Inhibición por reti'oallmentaclón

Inhibición por retroalimentación

La acumulación del producto fina! Z inhibe el primer paso de !a vía. A medida que la célula consume Zen otra reacción metabó-. lica, se elimina la inhibición y la vfa se reanuda.

lbl CO, ' H,O

tabolismo. Si una única enzima puede catallzar la reacción en cualquier dirección (Fig. 4-12a m), la reacdón avanzará hasta un estado de equilibrio, según lo determina la ley de acdón de masas. Por consiguiente, tal reacdón sólo puede ser estrechamente regulada por moduladores y por el control de la cantidad de enzima. Pero si una reacción reversible requiere dos enzimas dife· rentes, una para la reacción directa y otra para la reacción inversa, la célula puede regular la reacción más estrechamente {Fig. 412b).Si en la célula no existe enzima para la reacdón inversa, la reacción es irreversible (Fig. 4-12c). Compartimentación de enzimas_ en la célula Muchas enzimas del metabolismo están aisladas en compartimentos subcelulares específicos. Algunas, como las enzimas del metabolismo de los hidratos de carbono, están disueltas en el dtosol mientras que otras están aisladas dentro de orgánulos específicos. Las mitocondrias, el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi y los üsosomas contienen enzimas que no se encuentran en el citosoL Esta sepa· radón de enzimas indica que las vías coritroladas por ellas tam· bién están separadas, lo que permite a la célula controlar el meta· bolismo mediante la regulación del movimiento del sustrato desde un compartimento celular a otro. El ais~ento de enzimas dentro de los orgánulos es un ejemplo de compartimentadón estructurnl y functonill (i!ll p. 9). Relación entre ATP y ADP El estado energético de la célula es un mecanismo final que puede influir sobre las vías metabólicas. A través de una regulación compleja, la relación entre ATP y ADP en la célula determina silas vías que resultan en la síntesis de ATP se activan o se inhiben. Cuando los niveles de ATP son elevados, cae la producción de ATP. CUando los niveles de ATP son bajos, lacé-

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(;G¡~;J+il04

(~ilicbSa/J+ c__PO~-

~'"-lt ,¿. 1.. catbónlea

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!Acido'carbóni§

! :Gt~-~-~f~fatO]

r;~¡;¡_~,~~f~fa!~{~J

Reacción reversible que

Reacclón Irreversible que carece de la enzima para la dlrea:ión inversa

earból'llea

V

Reacción rev~"ble que utiliza una enzima para ambas direcciones

lula envía sustratos a través de las vías que culminan en más síntesis de ATP. En la próxima sección, se analiza con mayor profundidad el papel del ATP en el metabolismo celular.

<-.o

requiere dos enzimas

h~oo~l

próxima secdón se considerará cómo se metabollzan ·las biomoléculas para transferir energía al ATP. S IÓN

Glucosa s-fOsfato

DHAP"' d¡hldroxíacetona fosfato Parte da un mapa de rutas

{a) Algunas reacciones reversibles que ocurren en el organismo utilizan una enzima para ambas direcciones. (b) Se logra mayor control sobre las reacciones reversibles cuando las reacciones directa e inversa requieren enzimas diferentes. (e) la mayoría de las células del organismo carecen de la enzima glucosa 6-fosfatasa, y en dichas células la reacción que se muestra en (b) se toma irreversible.

!•l

El ATP transfiere energía entre reacciones La utilidad de las vías metabólicas como proveedores de energía se mide freCÚentemente en ténnínos de la cantidad neta de ATP que puede proporcionar la vía. Recuérdese del capítulo 2 que el ATP es un nucleótido que contiene tres grupos fosfato ( Eil p. 33). Uno de los tres grupos fosfato se une al ADP por un enlace covalente en una reacción que requiere energfa. La energía se almacena en este enlace fosfato de alta energía y luego se libera cuando se rompe el enlace durante la remoción del grupo fosfato. Esta reladón se índica mediante la siguiente reacción:

ADP + P1 +energía

:;::::;::!

ADP-P (= ATP)

El símbolo - representa un enlace de alta energía, y P1 es la abreviatura para un grupo fosfato inorgánico. Las estimaciones acerca de la cantidad de energía libre que se libera cuando se escinde un enlace fosfato de alta energía rondan entre 7 y 12 kcal por mol de ATP. El ATP es más importante como transportador de _energía que como molécula almacenadora de energía. Entre otras cosas, las células pueden contener sólo una- cantidad limitada de ATP. Un ser humano adulto en reposo necesitaóa almacenar 40 kg (88libras) de ATP para proveer la energía necesaria para mantener un · día de actividad metabólica, mucho más-que lo que nuestraS células pueden almacenar. En su lugar, el organismo adquiere lamayor parte de sus requerimientos diarios de energía a partir de la energía de enlace quimico almacenada en las biomoléculas complejas. Las reacciones metabólicas transfieren dicha energía a los enlaces de aita energía-del ATP, o en unos pocos casos, a los enlaces de alta energía del nucleótldo reladonado guanasfn trifos{ato, GTP. Las vías metabólicas que aportan la mayoría de las moléculas de ATP son aquellas que requieren oÍ
Nombre cinco maneras en las cuales las células regu· Jan el movimiento de sustratos a través de las vfas metabólicas. 14. ¿En qué parte de una molécula de ATP se retiene y al-

macena la energla? ¿En qué parte de una molécula de NADH se almacena la energla?

15. ¿Cuál es la diferencia entre las vías aerobias y anaero-

bias?

Respuertas en la p. 126

PRODUCCIÓN DE ATP Las vías catabólicas que extraen energía de las biomoléculas y la transfieren al ATP se resumen en la figura 4-13 ffil La producción aerobia de ATP a_partir de glucosa sigue comúnmente dos vías: la glucólísis (glyco-, dulce; lysis, disolver) y el ciclo de áct.do cltrico (también conocido como ciclo de los ácidos tricarboxilicos). Cada una de~ vías produce pequeñas cantidades de ATP directa· mente, pero sus aportes más importantes a la síntesis de ATP están constituidos por los electrones de alta energía transportados por NADH y FADHz al sistema transportador de electrones en las mitocondrias. A su vez, el sistema transportador de electrones transfiere energfa desde los electrories al enlace fosfato de alta energía del ATP. En varios puntos, el proceso produce dióxido de carbono y agua. El agua puede ser utilizada por la célula, pero el dióxido de carbono es un producto de desecho y debe eliminarse del organismo. Los hidratos de carbono ingresan en la glucólisis bajo la forma de glucosa: Los lípidos se degradan en glicerol y ácidos grasos ( ii p. 27), que posteriormente ingresan a la vía en diferentes puntos: el glicerol alimenta la glucólisis y los ácidos grasos se metabolizan en acetil CoA. Las proteínas se degradan en aminoácidos, que también ingresan en diferentes puntos. Puesto que la glucosa es la única molécula que sigue ambas vías en su totalidad, se analizará en primer lugar el catabolismo de la glucosa. Luego se estudiará cómo difiere el catabolismo de proteínas y lipidos del catabolismo de la glucosa. Las diversas secciones de la vía aerobia de producción de ATP son uñ buen ejemplo de compartimentación. Las enzimas de la

1

Producción de ATP

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

104

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tosa 1,6-b.isfosf. . "'

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Este icono representa los diferentes pasos de la figura de resumen metabóUco. Búsquelo en !as figuras subsiguientes para facilitar el recorrido a través del metabolismo.

1

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105

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REFERENCIAS &

=Carbono

o =Oxígeno

®"'Grupo fosfato (no se muestren !os grupos laterales)

El FIGURA 4-13 Perspectiva de las vias aerobias de produc· dón deATP

El organismo utiliza la energfa de enlace químico.alm_acenada en las bíomoléculas para producir ATP. La- glucosa y el glicerol in· gresan en la vía de la g!ucólisis, Jos aminoáddos entran ¡;liver· sos puntos a lo [argo de toda ra vfa ylos ácidos grasos ingresan a la altura del acetit CoA.

mFIGURA 4--14 G/ucólisis

en

2~

glucólisis están localizadas en el dtosol, mientras que las del ddo del ácido cítrico se ubican en las mitocondrias. RE-V 1 S 1-Ó-N

--·;16. Relacione cada componente de la columna de la iz· quierda con la(s) molécula(s) de la(s) que forma parte: a) Aminoácidos b) Áddos grasos e) Glicerol d) GlucOsa

1. Hidratos de carbono

2. Upidos 3. Polisacáridos 4. Protefnas 5. Triglicéridos Respuesta en !a p.126

La glucólisis convierte la glucos~ y el glucógeno en

piruvato Durante la glucólisis, una molécula de glucqsa se convierte en dos moléculas de piruvato• mediante una serie de reacciones ca· talizadas por enzimas, lo que produce una liberación neta de energía. Así, se considera que la glucólisis es una vía exergónica 'En condlctones e
'lJ i~

¡;

aun cuando algunos pasos de la vía requieran aporte de energía. ~na parte de la energía liberada durante la glucóllsis se emplea para la fosforiladón de moléculas de ADP, con retención de ener~ gía en el ATP. Los sucesos de la glucÓ!isis pueden resumirse de la siguiente fozma: Glucosa+ 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P1~ 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 lizO

-i

,;¡

1'

Nótese que la glucólisis no requiere oxigeno. Por consiguien· te, constituye una vía común del catabolismo aerobio y anaerobio d,e la glucosa.

la via de la glucólisis convierte a la glucosa, un azúcar de seis carbonos, en dos moléculas-de piruvato, de tres car· bonos. El piruvato es el punto de ramificación del meta· bolismo aerobio y anaerobio de la glucosa. La glucólisis aerobia tiene un rendimiento neto de energía de dos ATP y dos NADH.

la figura 4-14 mmuestra los pasos de la glucólisis. En el pri· mer paso, la glucosa es fosforilada con la adición de ATP que resulta en glucosa &fosfato: la glucosa 6-fosfato es un intermedia. rio dave para la glucólisis y para otras vías que no serán consideradas aquí. Véase que cuando la molécula de glucosa de seis áto. mos de carbono alcanza el final de la glucólisis, ha sido fragmen· tada en dos moléculas de piruvato, cada una con tres átomos de carbono. 'FJ. ~6" en ~glucosa 6-fosfato"lndicaque el grupo fosfato está unido a! carbono 6 de la- molécula de glucosa.

m ~~ Q1

106

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

-/tiJADRó:~-~~:::;:;__ 'i~kt:.:>-·

Producción de ATP

Resumen del rendimiento de" energfa de lcis vi~ ·caiabóÍ-i_~~

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'

107 .

'-'·

''

Metabolismo aerobio

viA

EMPLEA

Glucó/isis

Glucosa

-?-

2ATP

2 piruvato

PRODUCE

RENDIMIENTO NETO DE ENERG!A •

4ATP

+2ATP +2NADH•

2NAOH

Metabolismo aerobio -?- 2 aceti! CoA

2 piruvato

1

2 acetil CoA a través del ciclo del ácido cítrico

·2 NADH 2C02

+2NADH

2ATP

+lATP +6NAOH +2 FADH1

6NAOH 2 FAOH 2

Rendimiento total de t molécula de glucosa a través de! metabolismo aerobio: Rendimiento máximo de ATP luego de fa fosforiladón oxidativa mito(Ondrlal:

4ATP

1

<4ATP +2 NAOH dtoplasmático* +8 NADH mltocondrial +2 FADH2

4ATP

2 NAOH citop!asmático x 1,5-2,5 ATP/NADH

3-5 ATP

8 NAOH mitocondriales x 2,5 ATPINAOH

20ATP

2 FAOH 2 x 1,5 ATPIFADH 2

3ATP

=30-32ATP Metabolismo anerQblo

REFERENCIAS

VfA Glucosa

2 lactato

EMPLEA

PRODUCE

RENDIMIENTO NETO DE ENERGIA

2ATP

4ATP

2NADH

2NADH

+2ATP O_NADH

•=Ca!bono O=Oxfgeno

~= A :No se muestran H y -OH

"""'"m'

•tas mo!é<\llas de NADH dtoplasmático no pu&len ingr(:Sqr a las mitorondrias. El rendimiento de ATP de !as mismas depende de si sus electrones se dirigen a NADH o FAOH2 en las mitocondrias.

El RGURA 4-15 Metabolismo del piruvato

El metabolismo anaerobio del piruvato genera lactato {ácido láctico}. En condiciones aerobias, el piruvato se transporta hacia el interior de las mitocondriasy se convierte en acetil CoA. la unidad aa1o del acetil CoA alimenta luego el del o del ácido cítrico. Dos pasos de la glucólisis son endergónicos y requieren el aporte de energía de dos moléculas de ATP. Otros pasos son exer· gónicos y producen cuatro A1P y dos NADH por cada glucosa que ingresa a la vía. Por consiguiente, el rendimiento neto de energía de cada molécula de glucosa es de dos A1P y dos NADH. El cuadro 4-S @proporciona un resumen del_ rendimiento de energía de varias vías catabólicas.

des y de la condición de la célula, el piruvato puede destinarse a una de dos vías posibles {Flg. ~15 ili), Si la célula contiene la cantidad de oxígeno adecuada, el piruvato prosigue hada el ciclo del ácido dtrico. Si la célula au:ece de oxigeno suficiente para las vías aerobias (condición que puede estar causada por muchos factores, como por ejemplo el ejercido agotador), el piruvato se transforma en lactato con la intervención de la enzima lactato deshidtogenasa, mencionada anteriormente:

RE-VISIÓN ~·:~~-/ b. ¿Las reacciones endergónicas liberan o retienen ener-~,,~gla en !os productos? 18. En su conjunto, ¿es !a glucólisis una vía endergónica o

exer!:)ónka?

Respuestas en la p. t26

El metabolismo anaerobio convierte al píruvato en lactato El piruvato es el punto de ramificación, al igual que las dudades principales en un mapa de rutas. En función de las necesida-.

NADH

Piruvato

NAO+

Lactato deshidrogenasa

Lactato

La conversión de piruvato en lactato transfmma un NADH nuevamente en NW, cuando un átomo de hidrógeno y un electrón se transfieren a. la molécula de lactato. Como resultado, el rendimiento neto de energia del metabolismo anaerobio para una molécula de glucosa son dos moléculas de A1P y ninguna de NADH (cuadro 4-5).

•''<'

~.E;: 1 S 1 Ó N

*~'::.iJY19. Utilice la figura 4--14 para identificar los pasos de la '-''j':"

glucólisis que son:

obviamente exergónicos b) obviamente endergónicos e) catalizados por cinasas d) catalizados por deshidrogenasas {Sugerenda: véase el cuadro 4-4,) e} reacciones de deshidratación a)

20. la enzima lactato deshidrogenasa actóa sObre ellac· tato por- {¿adición o remoción?) de un/una- y

unluna - . Este proceso se denomina- (¿oxidación o reducción?).

Respuestas en la p. 126

El piruvato ingresa al ciclo del áddo cítrico en el metabolismo aerobio Si la célula tiene una adecuada cantidad de oxígeno para el metabolismo aerobio,las moléculas de piruvato formadas a partir de la glucosa -durante la glucólisls son transportadas hacta las mitocondrtas {Fig. 4-15). Una vez en la matriz mitocondrial, el piruvato se convierte en ell,ntermediario clave acetil CoA. Como lo sugiere su nOmbre, esta mol&ula posee dos partes: una unidad aaW de dos carbonos, derivada del piruvato, y una coenzima. La coenzima A se fabrica a pá.rtii de la vitamina ácido pantoténico. Al igual que las enzimas, la coenzlma Ano se consume du· rante las reacctones metabólicas, y puede ser reutilizada. La síntesis de acetil CoA a partir del piruvato i de la coenzima A es una reacción exergónica que produce una molécula de NADH. Durante la reacción, uno de los tres átomos de carbono del piruvato se combina con oxígeno y se libera bajo la forma de dióxido de carbono (COz), con la producctón de acetil CoA con sólo dos carbo-

nos.

108

Producción de ATP

capítulo 4 Energía y metabolismo celular

109

Mafrii initocondrial

2H,O ;~

~'

1

1

f'

REFERENCIAS

•=Ca!bonO

o =Oxfgeno

~=eo.,;maA·

t

· No sa riruastran !os grupos laterales

1 m FIGURA 4--16 El dcfo del áddo átrico Una unidad acilo de dos carbonos del acetil CoA se combina con una molécula de oxalacetato, de cuatro carbonos, para producir citrato. Cada ronda completa d~l ciclo libera dos Carbonos bajo la forma de dióxido de carbono y produce un ATP, tres NADH y un FADH2•

Í'

!: E

El acetil CoA libeta su unidad acilo de dos átomos de carbono en la vía del ciclo del ácido cítrico (Fig. 4-16 1!1). Esta vía fue descrita por primera vez por Hans A. Krebs, y por lo tanto también recibe el nombre de Ciclo de Krebs. Puesto que I
de cuatro carbonos remanente, está preparada para iniciar nue. vamente el ciclo. En el siguiente paso del metaboliSmo aetobio, NADH y FADHz transfieren sus electrones de alta energía· al sistema t:Iansportador de electrones y regresan al ciclo del ácido dtrico como NAD?y FAD+.

!i

1

@} la energía fiberada ®lLa energfa de los electro- @ AJ final del slst::-durante el metabollsmo es capturada por parte de !os electrones de alta energia transportadosporNADH

YFAOH¡,.

nes de alta energía que se transportador de electrones, despl~ a lo f
@énLa energfa potencial almacenada el gradiente de concentración de H+ -se convierte en energfa cinética cuando !os H+ pasan a través de !a ATP sintasa. d 1 • · •• Parte. e aenerg1ac¡netica sa retiene como ATP.

~ AGURA 4--17 Sistema transportador de electrones y sin tesis de ATP a través de la fosforiladón oxidatíva

1 El sistema transportador de electrones transfiere energía al ATP desde NADH y FADH2 El paso final de la producción aerobia de ATP es la transferencia de enb:gía desde los electrones de alta energía de NADH y FADHzal ATP (Fig. 4-17 m). Esta transferencia de energía es posible gradas a un grupo de proteínas mitocondriales denominado sistema transportador de electrones, localizado en la membrana mitocondrial interna ( ~ p. 64). Los- complejos pÍ:oteicos del sistema transportador de electrones incluyen enzimas y proteínas que contienen hierro denominadas citocromos. El movimiento de los electrones a través del sistema transportador de electrones puede déscribirse mediante un modelo denominado teoría quimiosmótica. De acuerdo con este modelo, a medida que los pares de electrones de alta energía pasan de un complejo a otro a lo lmgo del sistema transportador, parte de la

l

t

l 1

energía liberada por dichas reacciones se utiliza para bombear W desde la matriz mitocondrial hada el espado intennembrana (paso 2 de la Fig. 4-17). Este movimiento de H+ hacia el espado in· tennembrana genera un gradiente de concentración de H+. Luego, a medida que los H+ se desplaZan nuevamente hacia la matriz mitocondrtal (a favor de su gradiente de concentración, paso 4), 1~ energía potencial almacenada en el gradiente de concentración se transfiere al enlace de alta energía del A1P. La síntesis de ATP mediante el empleo del sistema transportador de electrones se denomina fosforilación oxidativa, puesto que el sistema transportador de electrones requiere oxígeno para actuar como aceptar fi. nal de electrones y H+. Al final de la cadena transportadora de electrones, los electrones de alta energía han entregado la pordón aprovechable de la energía almacenada en ellos. En ese punto, cada par de electrones que pasa a través del sistema transportador se combina con dos

H+ del conjunto de-iones W de la matriz. Los átomos de hidrógeno resultantes reaccionan luego con un átomo de oxígeno,lo que produc~:f;na molécula de agua, lizO.

;;j:R·ÉV 1s 1 ó N

~::~~ ~' 21. ¿Qué es la fosforiladón? 22. ¿Es endergónico o ex:erg6nico el movimiento de electrones a través de! sistema transportador de electrones?

Respuestas én la p. 126

La síntesis de ATP está acoplada al movimiento de iones de hidrógeno Como se ha visto, la energía liberada por los electrones que se desplazan a través del sistema transportador de electrones se almacena como energía potencial. en Jos H+ concentrados en el espado intermemb~a. Esta energía almacenada se convierte en

110

capítulo 4 Energfa y metabolismo celular que puedan ingresar en la vfa glucolíti~, estas moléculas de glucosa deben ser fosforiladas a glucosa 6-fosfato con la ayuda de una molécula de ATP. La mayoría de las molérulas de glucógerio que sufren glucogenólisls se convierte directamente en glucosa (}.fosfato, en una reacción que escinde una molécula de glucosa del polímero con la ayuda de un fosfato inorgánico del citosol. Puesto que la fosfo. rilación directa de glucógeno a glucosa 6-fosfato ahorra uri ATP, esta vía tiene un rendimiento neto de una molécula de ATP.adicional por cada molécula de glUcosa {máximo de 31-33 ATP para el metabolismo aerobio). ·

nuevamente hada la matrizmitocondriala través de un poro en la enzima, la sintasa transfiere la energía dnética de éstos al enlace fos. fato de alta energía del ATP. Puesto que las conversiones de energía nunca son completamente eficientes, una parte de la energía se Ji. bera como calor. Se produce un máximo de una molécula de A1P por cada tres H+ que pasan por la enzima.

El rendimientQ de energía máximo de una molécula

1

{a) Catabolismo de protefnas Las proteínas se degradan en amiooácldos por hidrólisis de sus enlaces peptídicos.

e

R~)ÍISIÓN

}~,,,~-23. Describa dos diferencias entre el metabolismo aerobio y

~~]7

anaerobio de la glucosa.

24. ¿Cuál es el papel del oxigeno en la fosforilaclón oxidatlva?

25. ¿De qué manera resulta esencial para la teorla quimios· mótica de la sfntesis de ATP la separación de las mitocondrias en dos
Respue;tas en la p, 127

Las biomoléculas grandes pueden utilizarse para produdrATP Se ha estudiado cómo se utiliza la glucosa para la producción de ATP, pero ¿cómo se emplean las biomoléculas grandes como el ·

glucógeno, las proteínas y los Iípidos para fabricar ATP? La ~es­ puesta es una serie de vías que convierten dichas biomolétulas en intermediarios que luego participan en la glueólisls y en el ciclo del áddo cítrico (véase una perspectiva· en la Fig. 4-13, p. 104). El glucógeno se convierte en glucosa El glucógeno, un polímero de glucosa, es la principal molécula de $ztacenamiento de hidratos de carbono en los animales. Cuando el aporte de glucosa desde el exterior del cuerpo es menor que lo que las células del organismo necesitan para sintetiw ATP, las células cuentan en primer lugar con la energía almacenada en los enlaces químicos del glucógeno. la degradadón de glucógeno, o glucogenólisis, está bajo el control de varias hormonas, como se estudiará en el capítulo 22. En la glucogenólisis, el glucógeno se degrada en intermediarios de la glucólisis. Sólo alrededor del lO% del glucógeno almacenado se hidroliza a moléculas de glucosa (Fig. 4-181!1).-Antes de

t

1 P,

~/': ~"%':¡

Glucosa ,..:_···,;_.

· ~ATP> --:~·t-"" .'

ADP

Glucosas-fosfato

~

La conversión directa da glucógeno en grucosa S-fosfato ahom! un ATP

por molécula de glucosa. ffi FIGURA 4-18 Gfucogenólisis,

u !j 1

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1 , [

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Protefna o pép;ido

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40

···C-N-C-C

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11

+ Aminoácido H, ~ #O

'oH

N-C-e

./

N

' ' OH

~

{b) Desam!naclón la remoción del grupo amino de un aminoácido genera amonfaco y un ác!do orgánico;

H 1\¡p

/N-c-e, H

~

OH

NAO + H20 NADH + H+

\.~ _.- ·=- ·_-.- <'

o~

#o

Ntfa + c-e

~~minación~

Amonraco

J,.. 'oH

~ Ácicb o¡gánico ¡

Aminoácido

lllt~:~~%~~1 (el a-amon!aco eS tóXico y ~be ·conVertirse e~ U~

H' NHa

Amoniaco

NH 4+ -

Amonio

Urea

sa

~ \

Los grupos amino de los aminoácidos se eliminan como amoníaco (NHJ. Luego, captan rápidamente iones hidrógeno (fl+) transformándose en iones amonio (NH/), como1o indica la figura 4-19c. Puesto que tanto el amoníaco como los iones amonio son tóxicos, las células hepáticas Jos transforman rápidamente en urea {CH 4Nz0). La ruea es el principal desecho nitrogenado del organismo y se excreta por los riñones.

!

11

LoS !ípidos rinden más energía por unidad de peso que la glucoo fas protefnas Los lípidos constituyen la prin<;ipát moléculi

Glucógeno

H,o,/

Las proteínas pueden catabolizarse para producir ATP El primer paso en el catabolismo de proteínas es la digestión de una proteína en polipéptidos más pequefios por parte de enzimas denominadas proteasas. Una vez que se· ha realizado esto, las enzimas conocidas como peptidasas esdnden los enlaces peptídicos de los extremos del polipéptido, lo que produce la liberación de los aminoácidos individuales (Flg. 4-19a !SI). La mayoóa de los aminoácidos utilizados para la síntesis de ATP no proviene de la degradación de proteínas en las células, sino del exceso de aquéllos en la dieta. Los aminoácidos pueden convertirse en intermediarios .de la glucólisis o del ciclo del áddo cítrico. El primer paso de esta conversión es la desaminación, que genera una molécula de amoniaco y un ácido orgánico (Fig. 4-19b). Entre los ácidos orgánicos que se producen por desaminación se encuentran piruvato, acetil CoA y varios intermediarios del dclo del áddo cítrico. De esta forma, los aminoácidos ingresan a las vías del metabolismo aerobio y se vuelven parte del proceso de producción de ATP descrito previamente.

o

H OH H(ÓH'\H '"'-C-C-N-el.;_G-N C-e

de glucosa es de 30--32 ATP

Si se calcula el rendimiento potencial máximo de energía para el catabolismo de una molécula de glucosa a través de las vías aerobias; el total resulta ser de 30-32 ATP (cuadro 4-5). Nótese que hablamos de rendimiento potencial. Esto se debe a que las mitocondrias no funcionan a su capacidad máxima. Existen varias razones para esto, como el hecho de que un determinado número de H+ se fuga desde el espado intermembzana de regreso a la matriz mitocondrial. · Una segunda fuente de variabilidad en el número de moléculas de ATP que se producen por cada molécula de glucosa proviene de las dos moléculas de NADH citosólicas producidas durante la glucólisis. Estas moléculas de NADH soh incapaces de ingreSar . a las mitocondrias y deben transferir sus electrones a través de transportadores de membrana. Dentro de una mitocondria, algunos de esos electrones se dirigen al FADH 21 que tiene un rendimiento potencial de sólo 1,5 ATP, en lugar de los 2,5 ATP fabricados por el NADH m!tocondrial. Si en lugar de ello los electrones citosólicos se dirigen al NADH mitocondrial, pueden producirse dos moléculas de ATP adicionales. A pesar de la variabilidad, en todas las condiciones el rendimiento de ATP, del metabolismo aerobio de la glucosa excede ampliamente 'el débil rendimiento de dos ATP que se observa en la conversión anaerobia de la glucosa a lactato (Ftg. +15 y cuadro 45). La baja eficiencia del metabolismo·anaerobio limita mucho su utilidad en la mayaóa de las células de los vertebrados, cuya demanda de energía,metabóllca es mayor que la· que puede abastecerse de esta manera. Algunas células, como las del músculo en ejercido, pueden tolerar el metabolismo anaerobio durante un período de tiempo limitado. Pero al fÍnal deben desplazarse nuevamente al metabolismo aerobio.

111.

Producción de ATP

energía de enlace químico cuando los iones retoman a la matriz mitocondrial a través de una proteína conocida como F¡Frfi.1Pasa, o ATP sintasa (Fig. 4-17, paso 4). A medida que l~.W se desplazan

la degradadón del glucógeno El glucógeno puede transformarse directamente en glucosa 6fosfato por la adidón de fosfato. El glucógeno que se degrada primero a g!u
de almacenamiento de combustible dcl organismo puesto que tienen mayor contenido de energía que las proteínas o los hidratos de carbono. Cuando el cue!po necesita utilizar la ene.rgía almacenada, las lipasas degradan a los lípidos en glicerol y áci~os grasos a través de una serie de reacciones denominadas en conjunto como lipólisis (Fig. 4-20 la). El glicerol ingresa a la glucólisis aproXimadamente en la mitad de la vía y sufre las mismas reacciones que la glucosa a partir de dicho punto. · Las largas cadenas de carbono de los áddos grasos no son tan fádles de convertir en ATP como la glucosa o los aminoácidos. La mayoña de Ios ácidos grasos,...dében ser transportados desde el d· toso! hasta la matriz mitocondrial. Allí, se desensamblan lentamente a medida que se cortan unidadesaedÓs carbori.Os desde el' extremo de la cadena, una unidad a la vez, en un proceso llamado betaoxidadón. En la mayoria de las células, las unidades de dos carbonos proVeniey¡.tes de los ácidos grasos se convierten en ~til CoA, cuyas

PREGUNTAS " El USO' de agua en !a reacción (b) da a la reacción e! nomtm de: (1) hidratación {2) hldróHsls {3} deshidratación o Nombre a la familia de enzimas qua catalizan fa reacción indicada en (a).

mFIGURA 4-19 Catabolismo de protelnas y desaminadón unidades acilo de dos carbonos alimentan directamente el ciclo del ácido cítrico. Puesto que pueden pro'dudrse muchas molécu~ las de acetil CoA a partir de -~ único áddo graso, los lípidos contienen 9 kcal de energía almacenada por gramo, en comparación con las 4 kcal por gramo de las proteínas y los hidratos de carbono. En el hígado, si la producción de acetll CoA excede la capad· dad del ctclo del ácido dtrico para metabolizar las unidades adlo, el exceso de acetil CoA se convierte en cuerpos cetónicos, ácidos

Vías de síntesis

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

112

~,,~,,,

Trigno~érido

~' triglicéridos en glicerol 3

~ t.asflpasasd!gierena!os

1"""" 1

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1 y ál:kl~-~~-~·--

Glicerol

1V: B glicerol se toma un sustrato

de !a glucól!sis. ~v.o~---

Q~c/',/vO'-.riOV0'-.0/0

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HO'

1

Ácido graso

Cítosol

- ·-·"óncortaum·. ,"/,· ~ oxidacl dos carbOno"

~~o.:::"'"¿~;·"'cl'" wlo de .

grasos.

y

1

~"-'''0!::::'

.f_f,J-,.

las unidades ~A y pueden

~J man !)n acebl

ner de una adecuada provisión de m¡trientes orgánicos, así como de energía en forma de ATP.

El glucógeno puede fabricarse a partir de la

¡=-"'~------~""'

ic!o del

utilizarse :0 el e treldo,~:-~,:s-·· .. ·

glucosa El glucógeno, la principal forma de almacenamiep.to de glucosa en el organismo, se encuentra en todas las células, pero el hígado y los músculos esqueléti¡;:os contienen con· centraciones particularmente elevadas. El glucógeno de los múscufos esqueléticos proporciona una fuente de energía lista para la contracción muscular. El glucógeno del hígado actúa como la fuente principal de glucosa_para el cuerpo en los períodos entre las comidas. Se estima que el hígado conserva alrededor de un cuarto de la provisión de glucosa almacenada como glucógeno. Una vez que el catabolismo consume el glucógeno, las células deben recurrir a lípidos y proteínas como fuente de energía. La síntesis de glucógeno es esencialmente la inversa de la degradación de glucógeno (éstudiada en la secdón ante-rio[). Las moléculas de glucosa individuales pueden aso.. darse para formar glucógeno, y la glucosa 6-fosfato de la glucólisis puede sintetizar glucógeno si se elimina el ~po · fosfato (véase Fig. 4-18). Una única partícula de glucógeno en el dtoplasma puede contener hasta 55 000 moléculas de glucosa asociadas.

ENERGÍA Y E)ERCIC!O El ejércido-es la actiVidad qtie !llás _energia cói1Sume, Y!a fá'tta de emirgla- para la '«intracci_ófi rri_ushJJ_ar t;5 una ü!Usa iffi¡iortan· te de tallSancio ITIUScu!ar :d-~_rante_ l~s:seslones de ejercido prolongado. los hidratos "de carbono_ 5?-"_ _el _conlbusti?Je preferido por el músc~!o esquelético.- En-cada mon1ento, el s~r hUfllan~ : :· adu_ltotiene unas4 000 k
La glucosa puede produdrse a partir de glicerol o de aminoácidos

"""'

mitocondrfal

Íi! FIGURA 4-20 Upólisis metabólicos fuertes que pueden alterar mucho el equilibrio de pH del organismo. Se analizarán los detalles del metabolismo de los ácidos grasos en -el capítulo 22. ,',R,~VISIÓN 26. La digestión de proteínas a po!ipéptidos ¿es una reac·

dónde deshidratación o una reacción de hidrólisis? 27. Conforme a lo que aprend!ó sobre !os nombres de !as enzimas, ¿qué nombre le darla a las enzimas que eli-

minan un aminoácido de una molé
Respuestas en !a p. 127

ViAS DE SÍNTESIS Las reacdones metabólicas analizadas hasta aquí han sido procesos catabólicos que degradan moléculas grandes en molécu· las más pequeñas para retener la energía en el enlace fosfato de alta energía del ATP. Se examinarán ahora las reacciones anabóli· cas, aquellas que sintetizan polisacáridos, lípidos y proteínas. Para llevar a cabo las reacciones de síntesis, una célula debe dispo-

113

La glucosa es uno de los intermediarios metabólicos dave en el cuerpo por muchas razones. Como vimos, el me.tabolismo aerobio de la glucosa es la manera más eficiente ~e fabricar ATP, de manera tal que la glucosa es el prindpal sustrato para la producdón de energía en todas las células. Además, y más importante, la glucosa es nonnalmente el único sustrato empleado para la síntesis de A1P en el teji· do nervioso. Si se priva al cerebro de glucosa por cualquier periodo de tiempo, sus células empiezan a morir. Por esta razón, el organismo tiene varias vías metabólicas que puede emplear para producir glucosa, lo que garantiza una provisión continua pa· ra el cerebro. La fuente más simple de glucosa es la vía glucogenolítica analizada anterionnente. Pero ¿qué sucede cuando se han agotado todos los depósitos de glucógeno del organismo? En ese caso, las células pueden recurrir a los lípidos y a laS proteínas para obtener los intermediarios necesarios para fabric::ar glucosa. La producción de glucosa a partir de precursores como las proteínas o el glicerol de los lípidos es un proceso conocido como gluconeogénesis, literalmente, "nacimiento de glucosa nueva" (Fig. 4-21 m). La vía es similar a una glticólisis inverSa, pero utili· za enzimas diferentes para algunos pasos. La gluconeogénesis puede comenzar con glicerol, con vario~ aminoácidos o con lactato. En todas las células, el proceso puede llegar hasta glucosa 6fosfato (G-6-P). Sin embargo, sólo las células hepáticas y renales tienen cantidades significativas de glucosa 6-fosfatasa, la enzima que elimina el grupo fosfato de G-6-P para fabricar glucosa. Durante periodos de ayuno, el hígado es la fuente primaria de sínte--

sis de glucosa y produce alrededor de 90% de la glucosa fabricada por la degradación de lípidos y proteínas. REVISIÓN :-28. ¿Cuál es la diferencia entre la hexocinasa y !a glucosa

6-fosfatasa? (Sugerenda: véase cuadro 4-4.}

( GIU¡;,i,) ,_________ J

•'1' ""1' &\"'.·

~

IH FIGURA 4-21 Gluconeagénesis El glicerol, los aminoácidos y el lactato pueden utilizarse para fabricar glucosa por medio de una serle de reacciones que son si·

milares a la inversa de la vía de la g!ucó/isis. Sólo el hígado y los riñones son capaces de convertir glucosa 6-fosfato en glucosa.

molécula tan importante para las células que el cuerpo la sintetizará si la dieta resulta deficiente, Incluso los vegetarianos estric-

Respuesta en !a p. 127

tos, que·no comen productos animales, tienen cantidades consi-

El acetil CoA es un precursor dave para la síntesis

der_ables de colesterol en sus células. El colesterol puede fabricarse a partir de acetil CoA. Desde allí, resulta sencillo agregar o eliminar grupos funcionales a los anillos carbonados para transformar el colesterol en varias hormonas y otroS esteroides.

de lípidos Los lípidos son tan diversos que la generalización respecto de su síntesis resulta dificil. La mayoría de los lípidos se sintetiza por enzimas presentes en el retículo endoplasmático liso y en el dtosol. Los áddos grasos se fabrican en el citosol mediante una enzi. ma llamada áddo graso sintetasa, que vincula a los dos grupos acilo de dos carbonos del acetil CoA (Fig. 4-22 1!1). El proceso tam· bién requiere hidrógenos y electrones de alta energía del NADH. El glicerol puede fabricarse a partir de la glucosa o de interme-diaños de la glucólisis. La combinadón de glicerol y ácidos grasos en los triglicéridos ocurre en el retículo endoplasÍnático liso. Los pasos de fosforllación que transfonnan a los triglicéridos en fosfolípi· dos también tienen lugar en el retículo endoplasmátii:o. El colesterol ( ~ Fig. 2--8) es un componente importante de las membranas celulares y forma el esqueleto de las honnonas esteroides. Generalmente, el colesterol se obtiene a partir de los productos animales presentes en la dieta, pero constituye una

Las proteínas son la clave para la función celular Las proteínas son moléculas que dirigen a la célula día a día. Las enzimas proteicas congoJan la síntesis y degradación de hi· dratos de carbono, lípidos, proteínas estructurales y moléculas de señalización. Los transportadores y poros proteicos en la mem. brana celular y en las membranas de los orgánulOs regulan el movimíento de moléculas hada y desde los compartimeÍltos. Otras proteínas forman el esqueleto estructural de células y tejidos. Así, la síntesis de proteínas es crítica para función celular. El poder de las proteínas depende de su gran variabilidad y esped.ficidad. La síntesis de proteínas mediante el empleo de 20 aminoáddos puede compararse con la generación de un idioma con un alfabeto de 20 letras: Las upalabras" del "idioma" de las proteínas varían en su longitud desde tres hasta cientos de letras,

m

114

capítulo 4 Energía y metabolismo <:elular Vías de síntesis

PREGUNTA

f~¡··. ~~-~ ·~w~----¡

1

Glicerol

¿Porquétlena lam¡fforía de los ácidos grasos un número par{12-24) de átomos de carbono?

~ i_f'/V'o~A:~/,.,/·v·'-t,

~·,/v"vOVv"v"'o 'f'Cbki!...-A-

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~ •• ~

Unidad aci!o

El gftcercl puede fabricarse a

partir de la glucosa a través de la glucófiSis.

1"W11.lOSg

Triglicérido

rasos

las unldades acilo de dos carbooos ·Provenientes del acetll CoA se unen

mediante la ácido graso sintetasa para formar ácidos. 9~_:

. ~~~::,~-~~idos

~

rasos constituyen

La traducción del DNA a proteínas es un proceso . complejo

l!cérído.

~--·----~···

-

¿Cómo sabe una célula cuál de las miles de bases presentes en su DNA debe utilizar para fabricar una proteína? Resulta que la in·

!S FIGURA 4-22 Síntesis de lípidos

lo que da lúgar a miles de proteínas diferentes con funciones di· ferentes. Al igual que en un idioma, un "error de ortografía" d_u. rante la síntesis de proteínas puede modificar la función de la proteína, del mismo modo qtie el cambio de la penúltima letra transforma el ténniiÍ.o "casa" en "caza". En muchas enfermedades hereditarias. la sustitución de un único aminoácido altera notablemente la estructura de una proteirni. Un ejemplo clásico es-la anemiá falciforme. En esta enfer· medad hereditaria, el cambio de .un aminoácido modifica la for· ma de la hemoglobina tanto para que los glóbulos rojos adopten una fonna de medialuna (falciforme, en forma de hoz), en-virtud de lo cual pueden agiuparse en los pequeños vasos sanguíneos y bloquearlos. El "alfabeto" deJas proteínas empieza en el DNA Uno de los mis· terios de la biología hasta la década de 1960 fue la cuestión de e&. mo sólo cuatro bases nitrogenadas en la molécula de DNA -ade· nina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T}- podían cOdificar más de 20 aminoácidos diferentes. Si cada base controlara la sin· tesis de un aminoácido, una célula podría fabricar sólo cuatro aminoácidos diferentes. Si pares de baseúepresentaran aminoád· dos diferenteS, la célula podría producir 42 = 16 aminoácidos dis.. tintos. Pui!sto que disponemos de 20 aminoácidos, esto no resul·

ta satisfactorio aún. Sin embargo, si tripletes de bases fueran el código para moléculas diferentes, el DNA podria crear 43 =64 ami· noáddos distintos. Estos trtpletes, denominados codones, son efectivamente la forma por la cual la información está codificada en el DNA y el RNA. La figura ~23 !§muestra el código gehético como aparece en una forma de RNA. Recuérdese que el RNA reemplaza la base timina por uradlo (U) ( ~ p. 33}. De las 64 combinaciones de tripletes posibles, un codón de DNA (I'AC) actúa como el iniciador o "c6d6n de inidad6n", que representa el inicio de una secuencia codificante. Tres codones se reconocen como terminadores o "codones de terminad6n que muestran dónde finaliza la seruenda. TodOs los 60 tripletes res-tantes codifican aminoácidos. La metionina y el triptófano tienen sólo un codón cada uno, mientras que los otros aminoácidos tie· nen entre dos y seis codones caQa uno. Así, al igual que las letras conforman las palabras, la secuencia de DNA determina la se· cuencia de aminoád.dos de las proteínas. · ¿Cómo se traduce la infonnadón del DNA en una. cadena de aminoácidos? En primer lugar, la secuencia de bases del DNA se uti· liza para crear un fragmento de RNA mensajero (mRNA) en un proceso conocido como transcripción (trans, sobre; scribe, escribir). El mRNA deja el núcleo einglesa en el citosol, donde dirige la traduc. ción, el ensamblado de los aminoácidos en proteínas. 11 ,

formación que necesita una célula para .generar una proteína par· ticular está contenida en un segmeÍlto de DNA conocido como gen. ¿Qué es exactamente un gen? La definición cambia continua. mente, pero en este libro diremos que un gen es una región de DNA que contiene la información necesaria para producir una sección funcional de RNA mens:ajeÍo (mRNA). Asu vez, el mRNA puede emplearse para fabricai una proteína. La figura 4-24 ffil representa_l!fl mapa conceptual resumido de los principales pasos que existen entre un gen y una proteína fun. dona!. En prime! lugar, unas. ecctón de DNA que contiene~ gen debe activarse, de manera tal que pueda leerse su eódigo. Los genes que se transcriben continuamente se denominan cansb'tutivamente activos. Generalmente, estos genes·codlfican proteínas que son esenciales para las funciones celulares en curso. Otros genes están reguladas; esto es, su actividad puede verse estimulada (indu.dda) o inhibida (reprimida) por proteínas reguladoras. Una vez que un gen se activa, la transcripción convierte su secuencia de bases de DNA en túÜragmento de mRNA. El mRNA redentemente fabricado se procesa en el núcleo; sufre un corte y empalme alternativo (que se analizan en breve) antes de dejar el núcleo o es "silenciado" y destruido por enzimas a través de una interferencia de RNA. El mRNA procesado abandona el núcleo e in· gresa al dtoplasma. Una vez en el citoplasma, el mRNA trabaja junto con el RNA de transferencia (tRNA) y con el RNA ribos6mico (rRNA) para en~ samblar los amtnoácidos en cadenas proteicas. Posteriormente, las proteínas recientemente sintetizadas están sujetas a modifica. dón pOstraducdonal. Se pliegan en sus fonnas complejas, se destruyen en péptidos más pequeños por acclón de enzimas, o SU· fren la adicíón de varios grupos químicos. Estos pasos se explican a continuación en este capítulo.

1

rJi'<'v'."'!'vv·-.

sintetasa -·~ -:&--+ /•v'\/VV'\.A,/

115 ·

u

Durante la transcripdón, el DNA dirige la síntesis de una molécula de mRNA complementaria

Segunda base del codón

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A

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uu~Phe ucu} ~g}Tyr UG~ey,~ uuu iJcc ser UG Term!· C naelótl A ~}leu UcA ·~ Tenni- M~ UCG .IJ.{L_nae1611 UGG Trp

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GGU} GGC GGA Giy GGG

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A G

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=}Lys AGA}"" AGG

~~""'

A G

U C A G

fil RGURA 4-23 El código genético tal como se presenta en los

codones de mRNA. Las abreviaturas de tres letras a la derecha de los corchetes indi· can el aminoácido que representa cada codón. Se indican también los codones de iniciación y de terminación.

Los primeros pasos de la síntesis de WOteínas están COIDpaitl· mentados dentro del núcleo porque el DNA es una molécula muy grande que no puede atravesar la envoltura nuclear. La transcripción hace uso del Dl'tA como molde para crear una pequeña hebra simple de mRNA que puede abandonar el núcleo. La síntesis de mRNA a partir del molde de DNA de doble hebra requiere una enzima conocida como RNA polimerasa, además de iones de magnesio o manganeso y de energía en forma de enlaces fosfato de alta energía: DNA molde+ nudeótidos A, u, C1 G RNA polimerasa, Mg2+oMn2+ y energía mRNA + DNA molde

j

Cada gen en el DNA está precedido por un segmento prom~/ tor, que debe ser activado antes de que pueda iniciarse la tzans!' cripdón. Las proteinas reguladoras denominadas factores de transcripción se unen al DNA y activan el proniotor, que le indi· ca a la RNA polimerasa dónde debe uniise al DNA ·(Fig. 4-25 e:¡.

l

t16

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

Vías de síntesis

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117 .

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@LáRNApclim"""'"'"''ruDNA.AJI'\.A;ff~lniJ~11jfi\_ ~-

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"".-... . elgensedesenrol!a

1

las bases de RNA se unen :al DNA y generan una heb!a · simple de mRNA.

·~

~B-d•RNA

~~ ¡ ). -e

Transcrito de mANA

Hebra no codific:anl:e

ANA poHmerasa

8 mANA y la ANA polimemsa se separan del ONA, y el mANA · se dirige al citoplasma.

®TRADUCGIÓ~·~

----·

1

~

Hebra de mRNA liberada

¡

®

MOOIACAC!Ó;,·· . 1 POSTRADUCC!ONAL

Deja el núcleo Juego del procesam!ento

mFIGURA 4-25 Transcrfpdón Un gen es un segmento de DNA que puede producir una hebra funcional de mRNA. El pareamierito de bases es el mismo que para la síntesis de DNA. con la excepción de que la base uracilo (U) reemplaza a la timina

m.

mFIGURA 4-24 Los prindpales pasos requeridos para convertir el código genético del DNA en una protefna fundonal

La polimerasa se desplaza a lo

largo de la molécula de DNA y udesenrolla" la doble hebra mediante la rotura de los puentes de hidrógeno entre las bases pareadas. Una hebra de DNA, denominada hebra codifkante, sirve como guía para la síntesis de mRNA, mientras que la otra hebra, la hebra no codifiamte, pennanece inactiva. El segmento promotor no se transcribe en el mRNA.

Durante la transcripdón, cada base de la hebra codificante del DNA se parea con la base complementarla sobre el m.RNA. &to es similar al proceso por el cual se forma una doble hebra de DNA (véase un repaso de la síntesis de DNA en el apéndice B). Por ejemplo, un segmento de DNA que contiene la secuencia debases AGTAC se transcn'be en la secuencia de mRNA UCAUG.

Amedida que las bases de RNA se unen a la hebra codificante de DNA, también se unen entre sí ¡rara crear una hebra símple de mRNA. Durante la transcripción, las bases se unen a una veladdad promedio de- 40 por segundo. En los seres humanos, las moléallas más grandes de mRNA pueden contener hasta 5 000 bases, y su transcripción puede requerir más de un minuto, un periodo prolongado para un proceso celular. Cuando la RNA polimerasa alcanza el codón de tenninactón, deja de agregar bases a la h,ebra creciente de m&\fA y la libera.

r? f.!:;:fl-i ,;R;.EVISIÓN

.

.

'!;;jf'" 29. Utilice el código genético de la figura 4-23 para escri-

birlos codones de ONA que corresponden a los tres codones de terminación del mRNA. 30. ¿Qué le indica el nombre de la RNA polimerasa res-

pecto de su función?

' Respuestas en la p. 127

1 '.

118

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

Vías de sfntesis

1

119 ·

1

Goo Hebra

¿Quién podrfa haber adi~inado que_@ _inv~igaciónpara el_desa· un. fe!lómeno que ocUrre_ riatuT_a"!ine~te-y_'~u-~_se prod_úc~ Por)arrollo de una petunia más inoráda abriría :el camino a uria _de las generadón_o la introdu_cciól'! ~de-.Pol'f!Óm~s ~e _~_ol;¡!e ~:e~ri'l de: R_NA nuevas áreas más excitantes de_ia investigación en l:lio!ogfa mofe. (dsRNA):_ El dsRNA es cortado_ por _U_~:t~:~m;Irna de~f:lmln~da·_·~~éer w!ar? La interferencia de RNA (RNAn Se observó por primera Vez · -en fraginentos más _p_equefios (de ?~_25. :nude6~id9s)_ ~~~n'ila~os ~- _'_ -. _ en 1990, cuando los botánicos' que introdujerori'9erieS de! pig· :.-RNA interferentes pi!quéños,.o síRNA. LoS'sfRNA se_SeparaJ'I ~il hemento morado a las petunias obtuvieron pla~ q_u~ resultaron bra~ simPies __,ú~:_se· uneil a:fiag'r~ni~s-C?n;pl_éftientari_~-det_ lriR: blancas o con rayas blancas en lugar del ~l_o( mqrado m~s pr~ _NA_fabricado_ por_ la d!uÍ_á.:-Esta:H~ió~:dél__-~lRNAbtoÍ:l_~e~ _!atra~_· fundo que.esperaban. Esta ob_serVadÓri no Uarnó lá ateñción:h~ ducdón del mRNA o indusO' ;¡élfa!izá'ili ólRNA pa(a' su desti't!cdón/ 1998, wando un grupo de científicos tÍue trabajaban en biOtogfa la. "N·Ai: ·.·,___ . • ·- . -:__-,l:_,d;·-- ··-- . __ : ·-•. _. ·:"d,: ·---:-: ·A':.-· ·- ;_ · : . . ·. -·. -· --- n _·es un m&amsmo natury¡. _e procesamtento e1RN , que a.~imal y. medicma t~vteron un problema seme¡a~te con. la exprepUede ·haber evoll.idcm
1

··~' l;j" ~~

El corte y empalme alternativo crea múhip/es proteínas a partir de una secuencia de DNA El siguiente paso es el procesamiento del mRNA, que adopta dos formas {Fig. 4-24, paso 3). En la interferencW. de RNA, el mRNA recientemente sintetizado es inactivado o destruido antes de que pueda ser traducido a proteínas (véase el recuadro Nuevos Conceptos). En el corte y empalme alternativo, ciertas enzimas recortan S€glllentos del medio o de los extremos de la hebra de :mR.. NA. Luego, otras enzimas empalman nuevamente las porciones remanentes de la hebra. El corte y empalme alternativo es necesario, puesto que un gen contiene segmentos que codifican proteínas (exones} y seg. mentos no codificantes denominados intrones {Fig. 4-26 8). F,s.. to significa que el mRNA fabricado a partir del DNA del gen con. tiene también segmentos no codificantes que deben removerse antes de que el mRNA abandone el núcleo. El resultado del corte y empalme alternativo es un fragmento de lllRl"'A más pequeño que el producido originalmente, una ftaa:ión que ahora contiene sólo la secuencia codificante para una proteína específica. Una ventaja del corte y empalme alternativo es que pennite que una única secuencia de bases en el DNA codifique para más de una proteína. La denominación de los segmentos como co. dificantes y no codificantes no es fija para un gen dado. Los segmentos de mRNA que se remueven en una oportunidad pue. den mantenerse en la próxima, lo que produce un mRNA final con una secuencia diferente. Las formas estrechamente relacionadas de una única enzima, conocidas como isoemimas, se producen probablemente por corte y empalme alternativo de un único gen. Luego de que se ha procesado el mRNA, éste abandona el núcleo a través de los poros nucleares y se dirige a los riboso-mas en el citosol. Allí, el mRNA dirige la construcción de una proteína.

',

Hebra no codlficanta

' 1 Promotor

<-------

Porción transcrita

X?;¡;;f;::;;lii~i'g'¡¡¡:?;;;.;M.¡,;;,;g',¡;.~f:•ltfhitíi\9;1;''''lJ"l rel="nofollow">'i';!C~i\~\

DNA

mRNAno procesado

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~~~ ~···~~ •• RE;Jf'JsióN . ~H,~!'31. Explique en una o dos oraciones la relación entre mR· :.:~:;.;NA, bases nitrogenadas, intrones, exones, procesamiento del mRNA y protefnas. Respuesta en la p. 127

fntrones removidos

La síntesis de proteínas requiere la cooperación y la coordina-

ción entre tres tipos de RNA: mRNA. rRNA y tRNA. Cuando llega al citosol, el mRNA procesado se une con los ribosomas, que son pequeñas partículas de proteína y varios tipos de rRNA ( ~ p. 61). Cada ribosoma tiene dos subuní~des, una grande y una pequeña, que se unen cuando se lnida la síntesis de proteínas. La subuntdad ribosómica menor se une al mRNA, luego se agrega la subuntdad mayor de manera tal que el mRNA permanece en el medio de ambas (Fig. 4-27 la, paso 3). Ahora, el complejo ribosoma-mRNA está preparado para empezar la tr.tducctón. Durante la traducción, los codones del ~A se acoplan con el aminoácido apropiado. Esto se logra con la asistencia de una molécula de tRNA (Fig. 4-27, paso 4). Una región de cada uno de los tRNA contiene una secuencia de tres bases denominada anticodón, que es complement3.tia a un codón de mRNA. Una región diferente de la molécula de tRNA está unjda a un aminoácido específico. Cuando se inicia la traducción, los anticodones de los tRNA que transpOrtan aminoácidos se unen a los codones complemen. tarlos del mRNA en los ribosomas. Por ejemplo, un tRNA con una secuencia anticodón UUU tránsporta el aminoácido lisina. El anticodón UUU se parea con un codón AAA présente en ~ mRNA, que, como se indica en la figura 4-23, es uno de los dos codones

!liJ

lntrones r~OV!dos Exones para !a protefna #1

La traducción del mRNA produce una cadena de aminoácidos ·

lillJ

W1 [!f¡¡¡¡'

mAGURA 4--26 Genes y procesamiento del mRNA El segmento promotor del DNA se necesita para inidar la transaipdón, pero no se transcribe a mRNA. En el procesamiento del mRNA, se eliminan los segmentos de la hebra de. mRNA recientemente creada denominados intrones. los exones remanentes son empal·

para la lisina. El pareamiento entre el mRNA y el tRNA coloca a los aminoácidos recientemente arribados en la orientaciórÍ adecuada para unirse a la cadena peptídica en crecimiento. I.a síntesis por deshidratación genera un enlace peptidico entre el grupo amino (-NHJ del aminoácido recién llegado -y el extremo carbOXilo {-COOH) de la cadena peptídica (~ p. 31). Una vez que ocurre esto, el tRNA "vacío" se desprende del mRNA. El tRNA puede unirse luego a otra molécula de aminoácido con la participación de una enzima dtooólica y A1P. Una vez unido el último aminoácido a la cadena peptídica recientemente sintetizada, se ha alcanzado.la etapa de terminación (F¡g. 4-27, paso 5). El mRNA, el péptido y lassubunidades nbosómicas se separan. Los rlbosomas están preparados pala un nuevo ciclo de síntesis proteica, pero el mRNA es degradado por enzimas conocidas como n'bonudeasas. Algunas fo.rmas de mRNA se degradán rápidamente,-mientras-que otras pueden persistir en el ct~ tosol y traducirse muchas veces.

Exones para !a protefna #2

mados nuevamente para formar el mRNA que codifica para una proteína funcional. La remoción diferencial de los intfones de un gen periñiteque un llnico gen codifique para muchas proteínas. Para la proterna #1 fueron eliminados los intrones A, C, Gel. Par
La distribución proteica conduce las protelnas a su destino Uno de 1~ aspectos más sorprendentes de la síntesis de proteínas es la manera en que las proteínas específicas se dirigen desde los n'bosomas directamente al.sitio de la célula donde son necesarias. Pareciera que cada proteína cargara una marca de direc· dón que le indica a la célula adónde debe ir. Las proteínas destinadas a uno de los orgánulos celulares se identifican por un seg· mento especial de aminoácidos conocido como secuencia señal o secuencia de acceso. Esta marca dirige la proteína hada el or. gánulo apropiado y le penrute ser transportada a través de su membrana. Algunas proteínas sintetizadas en los ribosomas y poliiribosomas dtosólicos ( ~ p..61} no tiene secuencias de acceso y permanecen en el dtosol cuando.son liberadas del ribosoma (Fig. 4-28 W).las proteínas que tienen una secuencia de acceso se dirigen a las mitocondrias o a los peroxisomas (i! p. 67). Muchos pépti·

1

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

120

Vías de síntesis

121

12 FIGURA 4-27 Resumen de la transcripción y la traducdón

e

~·~:;;;/ =~= = -=- -=~·-='=·---"'~y / ~:~~· 1 'f:. ~Ji\ 6:f"'"'

El mRNA se transcribe a partir del ONA, y luego está someti· do al procesamiento. El mRNA procesado abahdon·a el núcleo yse asocia con los ribosomas para iniciar el proceso de traduc· ción, a fin de sintetizar una molécula de protefna.

,_El mRNA~:.:~bea

partir

J de genes ~res~ent~-~n e! DNA

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~ El mRNA abandona e! núcleo y se

\?él une a ribosomas citosólicos, lo que inicia la traducción y !a sfntesis

d!! protefnas.

..e::::=;;;;~~ liberadas

® ;~;clt'o';í por !os ribosomas

1. a'.i.bras y otrasespecíficos. son enviadas ... orgánulos ~-~~-·~'-·-'

-;·.

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los nbosomas Unidos al reticulo tliJ1·endoplasmátlco rugoso dirigen a !as proteínas destinadas para su empaquetamiento hacia fa luz del RER

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las vesfculas de transporte ' -movlllzan a las proteínas desde

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A Las clslemas del compleJo de Go!g! m!gran desde !a cara

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~~RNA .

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Péptido completo

dos se sintetizan en los ribosomas asociados al retículo endoplas· mátko rugoso. A medida qu~ se fabriCan estas proteínas, la se· cueocia de acceso_ las dirige a través de la membrana del RER y ha· da la luz de este orgánulo.

La estructura final de las proteínas está determina~ da por modificación postraduccional La secuencia de aminoácidos que sale de un rlbosoma es la es-tructura primaria de una proteína recientemente sintetizada ( ii1ll

p. 31). Sin embargo, la proteína está lejos de su forma· defihi.tiva, puesto que ahora la cadena de aminoácidos puede:

' la c!stema y se desplazan

Cada molécula de tRNA sé une al extremo de un aminoácido especifico. 8 anticodón de la molécula de tRNA se parea con el eodón adecuado sobre el mANA, !o que permite a los aminoácidos enlazarse en el orden especificado por el código de mRNA.

1. plegarse en diversas formas trldimeilsionales

2. crear entrecruzamientos o uniones cruzadas entre diferentes regiones de su cadena de aminoácidos · 3. ser escindida (dividida) en fragmen~os 4. unirse a otras moléculas o grupos 5; ensamblarse con otras cadenas de aminoácidos en una proteína polimérica (con muchas partes) El plegamiento proteico genera la estructura terciaria de la proteína. La escisión de la cadena de aminoácidos, la adición de moléculas o grupos y los entrecruzamientos son -tres tipos gene· rales de modificación postraducctonal, cambios realizados a la

. 1 ens~o ~~~~~·

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En !a cara tmns, algunas vesículas brotan para formar lisosomas.

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"'""' celular

Espacio extracelul8r

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culas se transforman en veslcu!as secretoras que liberan su contenido hacia el exterior de la célula

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mFIGURA 4-28 Modíficadón postraduccional y vía secretora

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1

molécula de proteína luego de la traducción. Hasta el momento se han descrito más de 100 tipos diferentes de modificación pos· traducdonal. El ensamblado de las proteínas en polímeros produ· ce la estructura cuaternaria de la pmteína. Plegamiento de proteinas Los péptidos liberados desde los ribo· somas pueden adoptar su forma tridimensional definitiva. En pri· roer l~gar, cada péptido forma su estructura secundaria, que pue--

de ser una hélice a o una hoja plegada~ (_i1ll! p. 31). Luego, lamolécula se pliega en su forma final a medida que se forman pueo~ tes de hidrógeno, enlaces covalentes y enlaces iónicos entre los aminoáddos de la cadena. Existen estudios que demuestran que cierto plegamiento proteico ocurre espontáneamente, pero que a menudo está facilitado por proteínas colaboradoras denominadas

chaperonas moleculares.

1

122

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

A menudo, la forma tridimensional de las proteínas es esencial para una fundón apropiada. Las proteíilas mal plegadas, junto con otras proteínas que la célula desea destru.i+, son identificadas con una proteína llamada ubicuitina y enviadas a los proteasomas, complejos enzimáticos cilíndricos citoplasmáticos cuya función es la degradación de proteínas(~ p. 61}.

Entrecruzamiento o uniones cruzadas Parte del plegamiento de proteínas se mantiene mediante puentes de hidrógeno_ relativa· mente débil.es y enla·.ces iónicos. Sin embargo, otras proteínas for· roan enlaces covalentes fuertes entre diferentes partes de la cadena de aminoácidos. A menudo, estos enlaces son pw;ntes disuf(uro (S-S) entre dos aminoácidos que contienen átomos de azufre (metionina y dsteina). Por ejemplo, las tres cadenas de la enzima ·digestiva, quimo!rlpsina se mantienen unidas por puentes disulfuro (i!ll Fig. 2-17).

1

Escisión o divaje Algunas proteínas biológicamente activas, como !as enzimas y las honnonas, se sintetizan inicialmente como mo-" léculas inactivas que deben sufrir la remoción de segmentos antes de volverse activas. La enzima quimotripsirm, que se muestra en la figura 2-17 (p. 40), debe sufrir la escisión de dos fragmentos peptídicos pequeños antes de que pueda catalizar una reacción. El procesamiento postraducdonal de las hoiJllonas peptidicas se examina. en el capítulo 7. Adidón de otras m~!éculas o grupos Las proteínas pueden modificarse mediante el agregado de azúcares (glucosilad6n) para generar glucoproteínas, o por la combinación con lipidos para producir lipoproteínas (~ p. 32). Los dos grupos químicos más comunes que se agregan a las proteínas son los grupos fosfato, PO/'", y !os grupos metilo, -CHr (La adición de un grupo metilo se llama metilación.)

Ensamblado en protefnas poliméricas Muchas proteínas complejas tienen una estructura cuaternaria con múltiples subunidades, en las cuales las cadenas proteicas se ensamblan en dímeros, tri· meros o tettámeros. Un ejemplo de ello es la enzima lactato desbidrogenasa, descrita en la página 96. Otro ejemplo es lamolécula de hemoglobina, con cuatro cadenas proteicas, que se representa en la figura 2·9 (p. 30). REc.VISIÓN

f:t/132. ¿Qué nombre recibe !á remoción de un grupo fosfato? '>< -,- 33. Enumere tres tipos generales de modificación postra-

ducciona! de protelnas. 34. la hemoglobina ¿es un monómero, un dlmero, un trímero O un tetrámero? Respuestas en la p.127

Resumen del capítulo

123

Las proteínas producidas en el retículo endoplasmático ingresan en la vía secretora Muchas proteffias sufren modificación post!aducdonal en el retículo endoplasmático. Una vez que una proteína ingresa a la luz del RE, la secuencia de acceso se elimina por acción de enzimas. Entonces, la proteína está preparada para ser modificadá. Luego de la escisión de segmentos o de la adición de moléculas, las proteínas se empaquetan en pequeñas vesículas de tmnsporte unidas a membrana, que surgen desde el retículo endoplasmático (Fig. 4-28, pasO 6). Estas vesfculas atraviesan el citosol hada la cara ds (cis, de este lado de) del complejo de Golgi, donde se fusionan dentro de sacos aplanados llamados cistenms (cisterna, reservarlo) y liberan su contenido dentro de la luz de la cisterna (Fig. 4-28, paso 7). El modelo aceptado previamente por los biólogos celulares respecto de la función del complejo de Golgi sugería que las proteínas se desplazaban desde la cara ds hacía la cara trans (trans, al otro lado.de) en vesículas que brotaban desde los extremos de las cisternas y se movían hada la membrana celular. Peto recientemente los ·científicos han demostrado que esas vesículas se mueven sólo en fonna retrógrada (Fig. 4-28, paso 8), que quiere d~ hada atrás en dirección de la cara ds. La progresió)l de las proteínas hada adelante ocurre a medida que las cisternas individuales migran alejándose del núcleo. Durante este peñodo de tránsito, las proteínas pueden ser modificadas ~ún más por parte_ de enzi· mas presentes en la luz del Golgi. CUándo las cisternas alcanzan la cara trans del complejo, nacen las vesículas (Fig. 4-28, pasos 9

En este tema reladonado, usted aprendió que la enfermedad de Tay-Sachs es una alteración genética receSiva, incurable en la cual falta la enzima que degrada los gang-liósidos en las Células. Uno de cada 27 estadounidenses descendiente de judfos' de Europa del este porta el gen de esta alteración. Aprendió también que una prueba de sangre puede detectar la presencia del gen mort
(wvm.ntsad.org).

HECHOS

-1NTEGRAaóN Y ANÁUS!S

La hexosaminidasa Adegrada gang!iósi- . El d~ño a las células sei-lsibles a _la_ luz 7n.el_ojo_p0.:_ dos.. En la enfermedad de Tay-Sachs esta drla caúsar problemas·de,yisi6n e incluso Ceguera. enzima ertá ausente y los ganQ!iósidos se acumulan en las célulaS,. pOr eje!Tiplo en

las células sensibles a la luz en el ojo, Y hacen.que··éstas funcionen de manera anormal. 2

¿Cómo puede usted evaluar siSarah y David s.Qn portadores del gen de Tay-Sachs?

3

¿Por qué es más exacta que el vie- la nueva prueba detecta el gen déféc~ _ tanúeWl Prtliibli:~-una ~á d_ir~~-~e;~vaiu~r-sl_ jo ensayo la nueva prueba para el tuoso. El antiguo ensayo analizaba JOs ni- . l!~a-~_rso~~ -~Jloft<¡dOr_a._ EJ_·a~ig~~ e~o._eriJ ·.: : gen de Tay-Sachs? veles de la enzima producida por el gen. ·-una·_llla~era i_p~,ii&ta._Es;_Pósibfe,. q~fO~Os fa~?res,-:

y!O).

Algunas vesículas se desplazan hada atrás a lo largo de las cisternas para llevar proteínas al retículo endoplasmático o a otras cisternas. Otras vesículas están destinadas a convertirse en Usosomas, vesículas de almacenamiento intracelular o vesículas secretoras, en fundón de su contenido. Las vesículas de almacenamiento y los lisosomas se alejan del complejo de Golgi hada otras partes del citoplasma. Las vesículas secretoras se dirigen hada la membrana plasmática, donde se fusionan .y liberan su cóntenido hada el espado exttacelular. Las numerosas vías por las que pueden modíficarse las proteínas luego de su síntesis agregan compÍejidad al proteoma humano. No sólo debe conocerse la secuencia de una ptoteina sino también cómo se procesa, dónde se encuentra la proteína en el interior o en el exterior de la célula, y· qué hace. Los científicos que trabajaron en el Human Genome Proyect predijeron que nuestro DNA debería codificar alrededor d~ 30 000 proteínas, pero sin tener en cuenta el corte y empalme aÍtemativo o las modificaciones postraduccionales. Los científicos que trabajan en el Human Proteomic Initiative predicen que hallarán más de 1 millón de proteínas diferentes. La magnitud de este proyecto implica que estaremos trabajando en él durante muchos años en el futuro.

Verifique la comprensión de este tema relacionadO COil'!parando sus respuestas coo las indicad_as en el cuadro de"reiumen,Jara leer más_ acerca de la ei1fermecÍad de TaY·Sac¡,;;, dirija'se a1 s~io web de la National TaY-SachS & A!lied Diseases Assbciatioh.

los portadoreS del gen tienen niveleS de . Re_alfcens~- prtiebas_,para· d~terminar.l~ piveles_ PrO- . hexosaminidasa· A ménOres que los nor· medio de'Ja enzirila en portadorés d'e ·la enfe110e- · males. dad-conoddos"(estó es, padreS de ÓifiOs-cor1 -I,Ú~ feffileéf
_' _·distl,ntOs ~e_lclp_res_en:ct~ d~,~n_9_~rí-,~~f~#Q:~o; ~~~ ' '· ._:_=:.~en_ .el Í1i~el.d~ 1.~~-e=?iJ~á_:~.n :~~a p·~,~~~-: ::;;, 1;·:~_;{: /. '¿_[)u~de:s~~rifa~:~Í1o?' ~éa~é:J~~u_~' altt.:: na! deLCapitu!O~) -~- . - .. ~ . " ..

.

4

El gen de Tay-Sachs es un gen re- TtxTT cesivo {t). ¿Cuál es la probabilidad lTTtTTTt de que alguno de Jos hijos de un portador y un no portador sea portador?

k->-•='·'='·~·,.~·==<·>=~·=·"""--="""'""'~'"=--"-"»""'---===·

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RESUMEN DEl. CAPiTULO El tema prindpal de este capítulo es la energía en los sistemas biológicos y cómo ésta se adquiere, ttansfiere y utiliza para realizar trabajo. la energía se almacena en grandes biomo!éaUas como las grasas y el glucógeno y se extrae de ellas a través de los procesos del metabolismo. Las reacctones y los procesos que requieren energía la extraen frecuentemente del enlace de alta energía del ATP, un patrón que se verá repetidamente a medida que se avanee más en el estudio de los siStemas y aparatos del organismo. Otros temas del capítulo comprenden dos clases de relaciones esbuctura· frma'6n: interacctones moleculares y compartímentadón. Las interacciones moleculares son Importantes en las enzimas, donde la función de una en· tima depende a menudo de su plegamiento correcto para poder unirse al

sustrato. La compartimenrad6n de las enzimas es esendal para la organiza· ctón y separadón de los procesos metabólicos. Por ejemplo, la glucólisis ocurre en el dtosol de la célula, como lo hace el metabolismo anaerobio del pinlvato a lactato. El ctclo del áddo dtrlcó se desarrolla en la matriz mitocondtlal, y la cadena transportadorn de electrones está ubicada en la membrana mitocondrlal interna

La energia en Jos sistemas biológicos l. La energía es la capacidad de realizar trabajo. El trabajo químico per-

mite a las células y a los organiSmos crecer, reproducírse y llevar a ca-

1

124

Preguntas

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

bo las actividades normales. El trabajo de tran.s¡x>rte permite a !as células movilizar moléculas para crear gradientes de concentración. El trabajo mecánico se emplea para el movimiento.,(pp. 91·92) 2. La energía cinética es la energía del movimiento. La energía poten· dal es energía almacenada. (p. 92; Fig. 4-2)

Reacdones químicas 3. Una reacción química empieza con uno o más reactantes y finaliza con uno o más productos (cuadro 4-2). La velocidad de reacción se mide como el cambio de la concentración de los productos en fun· ctón del tiempo. (p. 93) 4. La energía almacenada en los enlaces químicos de una molécula y dis-ponible para realizar trabajo es la energía libre de la molécula. (p. 93) 5. La energía de activación es el aporte inicial de energía necesario para comenzar una reacción. (p. 94; Flg. 4-3) 6. Las reacciones exergónlcas son productoras de energía. Las reacciones endergónicas utilizan energía. (pp. 94-95; Fig. 4-4) 7. Las vías metabólicas asocian reacciones exergónicas con reacciones endergónicas. (p. 95; Fig. 4--S) 8. La energía para impulsar las reacciones endergónicas está almacenada en el ATP. (p. 9S) 9. Una reacción que puede avanzar en ambas direcciones se denomina reacción reversible. Si una reacctóri puede proceder en una dirección pero no en la otra, se trata de una reacción irrevers:ible. El cambio neto de energía libre de una reacción determina Si ésta puede ser revertida. (p. 9S)

1

Enzimas 10. Las enzimas son catalizadores biológioos que aceleran la veloddad de las reacctones qu)micas sin modificarse ellas mismas. En las reacciones c.atalizadas por enzimas, los reactantes reciben el nombre de sustratos. (p. 96) 11. Al igual que otras proteínas que unen ligandos, las enzimas muestran saturación, especificidad y competenda. Las iSoenzimas relacionadas pueden tener actiVidades diferentes. (p. 96} 12. Algunas enzimas son produddas como precursores inactivos y deben activarse. Esto puede requerir la presencia de un cofactor. Los cofac· tores orgánicos se denominan coenzimas. (p. 97) 13. La actividad enzimática se ve alterada por la temperatura, el pH y las moléculas moduladoras. (p. 97) 14. Las enzimaS trabajan disminuyendo la energía de activadón de una reacción. (p. 98; Flg. 4-8) 15. Las reacciones revetS!bles avanzan hacia un estado de equilibrio, en el cual la velocidad de la reacdón directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. (p. 99; Hg. 4-9) 16. Las reacciones reversibles obedecen la ley de acción de masas: cuando una reacción está en equilibrio,Ja·reladón entre sustratos y productos es siempre la miSma. Si se modifica la concentración de un sustrato o producto, el equilibrio se verá alterado. (p. 99; Fig. 4--9) 17. La mayorfa de-las reacciones pueden dasiflcarse como reacciones de oxidorreducdón, hidrólisis-deShidratación, adidón-eliminactónintercambio o ligadura (pp.100-101; cuadro 4-4)

Metabolismo 18. Todas las reaedones químicas del organismo se conocen. en conjunto como metabolismo. Las reacciones catabólicas liberan energía y degradan biomoléculas grandes. Las reacciones anabólicas requieren un aporre neto de energía y sintetizan grandes biomoléculas. (p. 101)

19. Las células regulan el flujo de moléculas a través de sus vías metabólicas mediante 1) el control de las concenttaciones de enzimaS, 2) la producción de moduladores alostéricos y covalentes, 3) el uso de enzimas diferentes para catalizar reacciones reversibles, 4) el ais!amien· to de enzimas en orgánulos intracelulares, o S) el mantenimiento de una relación óptima entre ATP y ADP. (pp. 101-102) 20. Las vías aerobias requieren oxígeno y rinden el máximo de ATP. Las vías anaerobias pueden proceder sin oxígeno pero producen ATP en cantidades mucho menores. (p. 103)

===="'==-e.~----'"-'-"'"-=--..-=-=-·

Muswlar. metabolismo del músculo 21. A través de la glucólisis, una molécula de glucosa rinde dos molécu· las de piruvato, dos de ATP, dos de NADH y dos H+. La glucólisis no requiere la presenda de oxígeno. (pp. 103-105; Flg. 4-14) 22. En el metabolismo anaerobio, el piruvato se conVierte en lactato, con un rendimiento neto de dos ATP por cada molécula de glucosa. (pp.l06-107; Fig. 4--lS) 23. El metabolismo aerobio del piruvato a través del ctdo del ácido citrico produce ATP, dióxido de carbono, agua y electrones de alta energía que son captados porNADH y FADf4. (pp. 107-108; Flg. 416) 24. Los electrones de alta enexgía de NADH y FADJ\ entregan su energía a medida que pasan a través del sistema transportador de electrones. Su energía queda retenida en los enlaces de alta energía dcl ATP. (p.108; Hg. 4--17) ., 25. Las proteínas pueden degradarse en aminoácidos, que luego son desa· minados para generar Intermediarios que ingresan a las vías aeroblas para la producción de ATP. (p. 111; Flg. 4-19) 26. El glucógeno y los lípidos son las prindpales molttulas de .almacena· miento .de energía en los animales. Los lipidos se degradan para la producción de ATP en el proceso de betaoxidación. {p. 1ll; Flg. 4-20)

Vías de síntesis 27. En la gluconeogénesis, los aminoáddos y el glicerol pueden convertirSe en glucosa. (p. 112; Fig. 4--21) 28. La síntesiS de lipidos y de colesterol requiere acetll CoA. (p. 113; Fig. ~22)

29. La síntesis de p¡oteínas está controlada por genes nucleares constltui· dos por DNA. El código representado por la seruenda de bases de un gen se transcribe con un código de bases complementario en el RNA mensajero. El corte y empalme alternativo del mR.l'iA en el núdeo permite que un gen codifique para muchas proteínas. (pp. 11-4-118; Flg. 4--26) 30. El mRNA abandona el núdeo y se dirige hada el citosol donde, con la colaboración del RNA de transferencia y del RNA ribosómico, en· sambla aminoácidos en una secuenda determinada. Este proceso se denomina traducción. {pp. 118-119; Flg. 4--27) 31. La modificación postraduccional convierte a la proteína recién sin· tetiZada en su forma definitiva. (p. liS) 32. Las proteínas pueden modificarse en el retículo endoplasmático rugo-so o en el complejo de Golgi. En el complejo de Golgi, se empaque· tan en vesículas unidas a membrana que Se transforman en Usosomas, vesículas de almacenamiento o vesiculassecretoras. (p. 122; flg. 4--28)

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PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

19. ¿Qué orgánulos celulares están Involucrados en la síntesis de li_pi· dos?

111/VEL 1 REVIS/Ólll DE HECHOS Y TÉRMIIIIOS 1. Enumere las tres formas básicas de trabajO y dé un ejemplo fisiC?lógi-

co de cada una. Explique la diferencia entre energía potencial y energía cinética. 3. Enuncie en sus propios términos las dos leyes de la termodinámica. 4. La suma de todos los procesos químicos a través de los cual~ las células obtienen y almacenan energía recibe el nombre de __. 5. En la reacción C02 + Hz~COv el agua-y el dióxido de carbono son los __ y el HzC03 es el producto. Puesto que esta reacdón está catalizada por una enzima, resulta apropiado también llamar __ al agua y al dióxido de carbono. La velocidad a la cual oCUrre esta reacción se denomina __ de reacciÓn, expresada generalmente romo molaridad/segundo. 6. __ son moléculas proteicas que aceleran las reacciones químicas mediante _ _ (¿el aumento o la disminución?) de la energía de acti· vación de la reacción. 7. Relacione cada definidón de la colwnna de la izquierda con el término correcto de la columna de la derecha (no se emplearán todos los términos): 1. reacción que puede avanzar en (a) exergónica cualquier dirección (b) endergónica 2. reacción que libera energía (e) energía de activación 3. capacidad de una enzima de catallzar (d) reversible una reacción pero no otra (e) irreversible 4. impulso de energía necesario para (Q-d
z.

Producción· de ATP

1Z5

111/VEL 2 REVIS/Ólll DE CONCEPTOS 20. Dibuje mapas conceptuales empleando los siguientes términos.

Mapa. conceptuall: metabolismo acetil CoA aminoácidos ATP

Mapa. conceptual ~ síntesis de proteínas corte y empalme alternativo pateamiento de basesDNA exón

ctdo del áctdo dtrtco

,,.

citosol sistema transportador de electrones FADH, áctdos grasos gluconeogénesis

intrón mRNA procesamiento del mR.."M. bases (A, C, G, T, U) promotor RNA polimerasa hebra codificante codón de lnidación codón de terminación transcripción factores de transcripción

co,

~"""" glicerol glucógeno glucólisis electrones de alta energía lactato mitocondrtas NADH oxígeno pirovato

'""'

21. Cuando se degradan enlaces durante una reacción química, ¿cuáles son los tres destinos posibles de la energía potencial presente en di· chos enlaces? 22. Relacione cada proceso metabólico de la columna de la izquierda con el tema o tenlás de la columna de la derecha que describa mejor el ~'='

l. La glucóllsis ocurre en el citosol; la fosforiladón oxidativa se lleva a cabo

a) Uso de la energía biológica

en las mltocondrtas. 2.-El sistema transportador de electrones b) Compartinientactón retiene la energía en un gradiente de concentración de Iones de hi_drógeno 3. Las proteínas se modifican en el e) Interacciones retículo endoplasmllico moleculares 4. Las reacciones metabólicas están acopladas a menudo a la reacción ATP -tADP + P1• S. Algunas proteínas tienen puentes S-S entre aminoácidos no adyacentes. 6. Las enzimas catalizan reacciones biológicas. 23, Explique por qué resulta ventajoso para una célula almacenar o secretar una enzima en una forma inactiva. 24. Compare los renclim!entOs de energía de la degradación aerobia de una molécula de glucosa a C02 y ~O con el rendimiento de energía de una molécula de glucosa que atra,v:iesa la glucólisiS anaerobia que finaliza en lactato. ¿Cuáles son las ventajas de cada vía? 25. ¿Cuál es la ventaja de transformar el glucógeno en glucosa 6-fosfato en lugar de glucosa? 26. Describa brevemente los procesos de transcripdón y traducdón. ¿Qué orgánulos están involucradOs en cada proceso? 27. ¿Sobre qué molécula se presenta el anticodón?. Explique el papel de es-ta molécula en la síntesis de proteínas. 28. La energía del enlace fosfato de ATP ¿constituye un ejemplo de energía potencial o cinética?

1

126

Capítulo 4 Energía y metabolismo celular

Respuestas

zz.

29. Si el ATP libera energía para Impulsar una reacción química, ¿esperaría que la energía de activación de dicha reacción sea gtande o pequeña? Explique.

MIVEL 3 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 30. Las células epitellales de transporte en el intestino no utilizan glucosa como fuente primaria de energía. ¿Qué moléculas pueden usar en su lugar? 31. Dada la sigUiente hebra de DNA, enumere la seruenda de bases completa que aparec:ería sobre el mRNA adecuado. Pata los trlpletes subrayados, subraye el rodón de .m.fu~A correspondiente. Luego, indique Jos anticodones de tRNA apropiados y los aminoácidos codificados por esos cuatro tripletes.

1

1

~~

A
\.

1"e

o

w

Tiempo

DNA:C~CAGGTACC~CG

-k Anticodones: ~oácidos:

33. Si la porrión codifican te de un fragmento de rnRNA procesado es de 450 bases, ¿rumtos aminoácidos existirán en el polfpkptido corresponditmte? (Sugerencia: el codón de inictadón se traduce en un amlnoá.cido, pero el codón de terminación no se traduce.}

MIVEL 4 PROBLEMAS AMALITICOS

· 32. El gráfico muestra el cambio de energía libre para la reacción A+ lh D. ¿Es ésta una reacctón endergónica o exergónlca?

IIESI'UIESTAS

Q:/Respuestas. a las preguntas de revisión Página 91 1. Los aminoácidos y los nudeóttdos Siempre contienen nitrógeno. Página 93 2. En el organiSmo, la energía se almacena en enlaces químicos y en gradientes de concentración. · 3. La energía cinétiCa es la energía de movimiento: algo está sucediendo. La foergía poténcial es la energía almacenada: algo está esperando para sucede~;.. 4, La entropía es_ un estado de a,leatortedad o desorden. Páglna96 S~ Las reacciones _endergónicas consumen energía; las reacciones exergónicas liberan energía. 6.. Los reactantes son el bicarlxlnato de sodio y el vinagre; el producto es . el dióxido de.caÍbono. 7, La formación ·de espuma indica {¡ue Se está. liberando energía, y por lo tanto esta reacción es exergónica. La gran cantidad de energía libe.. rada indica que la reacción nO es fáCilmente W'l!rsible. Página97 . 8. La presencia de Isoenzlmas pénnite que una reacción sea catalizada en una variedad .dé condiciones. 9. Las cuatro ca4eqas de la proteína representan el nivel cuaternario de .estructura proteica. · ·Página 99 10. La concentración de ácido carbónico aumenta. Página 101 lLLos sustratos son lactosa (lactasa), pkptidos (peptidasa), lípidos (lipasa) y sacarosa (sai:arasa). 12. a) 3; b) 2; e) 4; d) l. Página103 13. Las células regulan el moVimiento de sustratos mediante 1) el control de la cantidad de enzima, 2) la producción de moduladores alostérlcos y covalentes, 3) el empleo de dos enzl.maS diferentes para caializar reacciones reversibles, 4) el aislamiento de enzimas dentro de or~ .

gánulos intracelulares. y S) la alteractón de la relación entre ADP y ATP en la célula. 14. En el ATP, la energla está. retenida y almacenada en uno de los tres en· laces fosfato. En el NADH, la energía se almacena en electtones de alta energía. 1S. Las vías aerobias requieren <:antidades suficientes de oxígeno molecular (O:J en la célufa. Las vías anaerobias pueden proceder en ausencia de oxigeno. Página 104 16. a) 4; b) 2, S; e) 2, S; d) 1, 3

Páglna106 17. Las reacciones endergónicas retienen energía en los productos. 18. La glucóllslS es una vía endergóp.Ica neta Página107 19. a) Las.reacctones obviamente exergónicas liberan energía que puede ser retenida por ATP o NADH: gliceraldehído 3-fosfato a 1,3-bjs.. fosfogllcerato; 1,3-bisfosfogllcerato a 3-fosfogllcerato; fosfoenol ~toa piruvato. b) las reacciones obviamente endergónicas requieren aporte de energía desde el ATP: glucosa a glucosa &.fosfato; fructosa 6-bisfosfato a fructosa 1,6-bisfosfato. e) Las ctnasas agregan un grupo fosfato: glucosa a glucosa &.fosfato; fructosa 6-fosfato a fructosa 1,6-bisfósfato; glicetal.dehído 3-fosfa· to a 1,3·bisfosfoglicerato. · d) Las deshldrogenasas eliminan un electrón y _un átomo de hidrógeno. En el paso de gliceraldehído 3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato, el NAlY adquiere un electrón y un H, lo que sugiere que este paso está. catalizado por una deshidrogenasa. e) Las reacdones de deshidratación producen agua como uno de los productos: 2-fosfogllcerato a fosfoenolpiruvato. 20. La enzima lactato deshidrogenasa actúa sobre el lactato mediante la remiid6n de un electrón y un átomo de hidtógeno. Este proceso recibe el nombre de oxldad6n. Página 109 21. Fosforilación es el agregado de un grupo fosfato.

La transfer~da de electrones es exergónlca. · Página 110 23. El metabolismo anaerobio de la glucosa puede proceder en awencia de oxfgeno¡ el metabolismo aerobio requiere oxígeno. El metabo!Js.. mo anaerobio produce dos ATP por glucosa; el metabolismo aerobio tiene un rendimiento máximo de 30-32 ATP. · 24. El oxígeno actúa como aceptar de electrones y de iones de hidrógeno en el punto final del sistema transportador de electrones. 25. De acuerdo con la teoría quimlosmótica, la "energía _se retiene en un gradiente de concentración de !ünes de hidrógeno y se libera selectivamente a medida que los iones atr.wiesan la membrana que separa la matriZ mitocondrial del espado !ntennembrana.. Página 112 26. La digestión es más probablemente una reacción de hidrólisis porque las moléatl.as grandes se fragmentan en moléculas más pequeñas por la adición de agua. 27. Las desaminasas eliminan aminoácidos. Página 113 28. La bexoctnasa agrega'un grupo fosfato; la glucosa 6-fosfatasa remue.. ve un grupo fosfato. Página 117 29. Los ttipletes de DNA son ATI, ATC y ACf. 30. La RNA polimerasa genera polímeros de RNA. Página 118 31. Durante el procesamiento del mRNA, las secuencias de bases denomi~ nadas lntrones se escinden del mRNA Los segmentos remanentes, los exones, se empalman nuevamente y proporciona11 el código para Una proteína. Página 122 32. La rernodón de un grupo fosfato es una defosfortlación. 33. Tres tipos de modificación postraducctonal son la escisión, la adición de grupos y el entrecruzamiento.

127

34. La hemoglobina es un tetrá.mero puesto que contiene cuatro cadenas proteicas.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página96 Fii 4-6: El gráfico muestra una reacción endergónica. Páglna97 Fig. 4-7: Cuando el pH disminuye de 8 a 7,4, la actiVidad enzimática auffiffi"'-

Página 111 Flg. 4-19: l. La reacción (b) es una reacción de hidrólisis, tal como la reac-

dón (a). 2, Las bidrolasas agregan agua. Página 114 Fig. 4-22: La .mayoría de los ácidos giasos tiene un número par de carbo-nos puesto que están fabricados a partir de unidades actlo de dos carflo. nos. Algunos áddos grasos con número Impar de átomos de carbono se encuentran en organismos marinos.

Respuesta a la conclusión del tema relacionado Página 123 Pregunta 3, Otros factores distintos de un gen defectuoso que podrían al· terar los niveles de enzima son la disminución de la síntesis de proteínas o un aumento de !a degradación de proteínas en la célula. Tales cambios podrían ocurrir incluso si el gen fuera normal.

Equilibrio-de masas y homeostasis

129

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1

Dinámica de las membranas

o

}-::_:·.;_-

EquHibrio de masas y homeostasis

~ '·<

130 la excreción elimina las sustancias del organismo 130 Homeostasis no significa equilibrio

"

.

Difusión 133 135

la difusión utiliza sólo la energía del movimiento molecular las moléculas llpófilas pueden difundir a través de la bicápa fosfolipídica

Transporte mediado por proteínas 137 las proteínas de membrana funcionan como proteínas estructurales, enzimas, receptores y transportadores 138 los canales proteicos cr.ean pasajes abiertos, llenos de agua 139 Las proteínas transportadoras camblán su conformación para trasladar moléculas 141 La difusión facilitada emplea protelhas transportadoras 142 El transporte activo moviliza sustancias en contra de sus gradientes de concentración 145 El transporte mediado por proteínas transportadoras exhibe especificidad, competendá y saturación

Transporte de vesículas 148 148 150

la fagocitosis crea vesículas usando el citoesqueleto la endocitosis produce vesfculas más pequeñas la exocitosis libera moléculas demasiado grandes para las proteínas de transporte

. Transporte transepite!ial 151 153

El transporte transepitelial de glucosa utiliza protelnas de membrana la transcitosis emplea vesículas para atravesar un epitelio

Ósmosis y tonicidad 153 1S4

El cuerpo es principalmente agua

155 156

la osmolaridad describe el número de partfculas en solución la tonicidad de -una solución predice el cambio de volumen de una célula colocada en esa solución

El cuerpo está en equilibrio osmótico

El potencial de membrana en reposo la membrana celular permite la separación de la carga eléctrica en el organismo 162 El potencial de membrana en reposo se debe principalmente al potasio 165 los cambios en la permeabilidad a los iones modifican el potencial de membrana 161

Integración de los procesos de membrana: la secreción de insulina

En la década de 1960, un grupo de investigadores obtuvieron un mechón de cabellos de Napoleón Bonaparte y lo enviaron para su análisis, en un intento de demostrar que había sido envenenado. En algún lugar de la pequeña Italia en Manhattan, un grupo de amigos degusta Wla exquisita cena y bromea acerca del olor á ajo que queda en su aliento. A primera vista, estas dos situadones parecen tener poco en común pero, de hecho, el cabello de Napoleón y el aliento a ajo son demostradones de cómo el cuerpo humano trabaja paza mantener el equilibrio que se llama homeostasis.

mFIGURA 5·1 Equilibrio de masas en un sistema abierto Para mantener el equilibrio de masas, el cuerpo tiene dos opdones de excresión. La opción más simple consiste en excretar simplemente Ja sustancia. Se define excreción como la eliminación de materia del organismo, y ocurre generalmente a través de

·EQUIUBRIO DE MASAS Y HOMEOSTASIS En el capítulo anterior usted aprendió que el organismo es un sistem.a abierto que intercambia calor y materia con el ambiente externo. Para mantener un estado de homeostas.is -un ambien· te interno relativamente constante- el cuerpo utiliza el prlndpio de equilibrio de masas. La ley de equih1>rio de masas establece que, si la cantidad de una sustanda presente en el organismo di!be permanecer constante, cualquier ganancia debe estar compen~ sada con una pérdida equivalente (Fig. 5-llil). Por ejemplo, para mantener la concentradón constante, la ganancia de agua desde el ambiente externo y la metabólica deben compensarse con la · pérdida de agua hada el extelior. 0tra,s sustandas cuyas concentradones se mantienen a través del equilibrio de masas son OXÍ· geno y dióxido de carbono, sales y iones de hidrógeno (pH). La ley de equilibrio de masas se resume en la siguiente ecu_actón:

Cantidad total (o carga) de sustancia x en el organismo =ingreso+ producdón- excreción- metabolismo

- Apesar de que la mayoría de las sustandas ingresa al organismo desde el ambiente externo, algunils de ellas (como el dióxido de carbono) pueden producirse internamente a través del metabolismo (Fig. 5-2 S). En general, el aporte de agua y nutrientes proviene de los alimentos y las bebidas, que se absorben en el intestino. El oxígeno y otros gases y moléculas volátiles ingresan a través de los pulmones, y unos pocos químicos liposolubles se abren camino hada el ambiente interno mediante la penetración de la ~arrera de la piel (~p. 83).

Equ!Ubrlo _

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OO'PC"/ existente

+

-_- ·~-~~¡:&/ 'o e!irilfnación .: _(Mtabó!léíi"

mFIGURA 5-2 Equilibrio de masas en el organismo las sustancias ingresan al organismo por diversaS rutas o son producto del metabolismo. las sustancias abandonan el cuerpo mediante la excreción o el metabolismo.

130

Capftu!o 5 Dinámica de las membranas

la orina,. las heces, los pulmones o la piel. Por ejemplo, el dióxido de carbono producido durante el metabolismo se excreta por los pulmones. Muchos Jl.enGbi6tiros (xenns-, extrañ.o, fo{i!Stero) que ingresan en el organismo, como los fármacos o los aditivos artificiales de los alimentos, se excretan por el hígado y los rlñ.ones. La segunda alternativa para mantener este equilibrio es convetir la sustancia en otra diferente (metaboliza:r). Los nutrientes que ingresan en el organismo se convierten en sustratos de partida paza las vías metabólicas, como se estudió en el capitulo 4. El metabolismo transforma el nutriente original en una sustancia diferente, pero al hacerlo genera una nueva alteración del equilibrio de masas por el agregado de más cantidad del metabolito al organismo. (Metabolito es el ténnino general para cualquier SUS· tanda producida en una vía metabólica.)

1

La excredón elimina sustancias del organismo

La velocidad a la cual desaparece una molécula del organismo a través de la excreción, el metabolismo o ambos recibe el nombre de dearance (depuración) de la molécula. La expresión cuantitativa del clearance será preSentada en el capítulo 19, pero resultará más fácil comprender dicha exposición si se sabe previamente que el riñón es sólo uno de los muchos órganos que elimi· nan solutos del organismo. El hígado es el otro órgano principal involucrado en la depuración de sustanciaS, especialmente de 'xenobiótitos. Los hepatodtos (hepaticus, relativo al hígado; cyte, célula), o células hepáticas, metabolizan muchos tipos diferentes de moléculas, por ejemplo hormonas y fánnacos. Los metabo!Itos resultantes pueden secretarse hada el intestino para su excreción en las heces o liberarse al torrente sanguíneo para su excreción por los rifiones. La saliva, el sudor, la leche materna y el cabello también contienen solutos que han sido depurados del orgimismo. La secreción salival de la hormona ccrtisol es una forma simple y no invasiva de controlar hormona en el estrés crónico. Los fármacos y el alcohol que se excretan en la leche materna son de interés puesto que un bebé que se amamanta ingerirá dichas sustancias. El análisis del cabello puede utilizarse para evaluar la presencia de arsénico en el organismo, y el análisis del cabello de Napoleón Bonaparte en 1960 mostró concentraciones significativas del ve. neno. (La pregunta era si Napoleón fue asesinado, envenenado accidentalmente, o murió de cáncer Cle.esiómago.) Los pulmones eliminan sustancias volátiles y liposolubles de la sangre, cuando estas sustancias pasan a trávés de las vías respi· ratorias y se expulsan durante 1a respiráción. Un ejemplo cotidiano de clearance pulmonar es el "aliento a ajo~ El etanol también se depura a través de los pulmones, y el alcohol exhalado es el fundamento de la prueba de alcoholemia empleada por las autoridades policiaJes. El clearance se expresa generalmente como el volumen de plasma depurado de la sustancia JI. por unidad de tiempo. Por consiguiente, constituye sólo una medida indirecta del movimiento de la sustandu. Una medida más directa es -el flujo de masas, definido como la I$.dón entre entrada, producdóJ! y salida de JI.:

Flujo de masas = concentración x flujo volumétrico {candidad de .x/min) (cantidad de x/vol) (vol/min)

Equl!ibrio de masas y homeostasis

Amodo de ejemplo, supóngase que a un individuo se le administra una infusión endovenosa de una solución de glucosa que tiene una concentración de 50 gramos de glucosa por litro. Si la infusión se administra a una veloctdad de 2 mililitros por minuto, el flujo de masas de glucosa hada el interior del organismo es:

(a} Compartimentos !fqukios del Olgalli~

131

{b) Distribución de !os so!utos

is

50 g glucosa/1000 mL solución x 2 mL solución/min ----.. . .__ = 0,1 g glucosa/min

i

El flujo de masas se aplica no sólo a la entrada, producción y eliminación de sustancias, sino también al movimiento de sustandas desde un compartimento del cuerpo a otro. Recuérdese del capítulo 3 (~p. 52) que el 0.1erpo puede dividirse en dos compartimentos principaleS: el líquido extracelulat y el líquido intracelular. Las sustancias que ingresan al organismo pasan tran· sitoriamente a través· de un epitelio y luego Se vuelven parte del líquido extracelular. Cómo se distribuye una sustancia luego de ello depende de si atraviesa o no la barrera de la membrana celular e ingresa a las células.

p 1

Na'

K+

e1·

e

HG03"

P 1e An!ones grandes y proteínas

REFERENCIAS

REVISIÓN ;·\..<:!1. Si una persona ingiere 12 miligramos de sal en un día-y · excreta 11 miligramos en la orina, ¿qué le sucedió al miligramo restante? 2. La glucosa se metaboliza por la vla aerobia en C02 y agua. Explique el efecto de dicho metabolismo de la glucosa sobre el equilibrio dé masas en el organismo. Respuestas en la p. 172

Homeostasis no significa equilibrio CUando los fisiólogos hablan de homeostasis se refieren a menudo a la estabilidad del ambiente interno del organismo; en otras palabras, la estabilidad del líquido extracelular. Una razón de ello es que clínicamente somos capaces de evaluar la composición del líquido extracelular mediante el simple acto de extraer una muestra de sangre y analizar su matriz líquida: el plasma. Resulta mU· cho más dificil estudiar qué está sucediendo dentro de las células, aunque las células mantienen también una hameostasis ~fular. A pesar de que la composición de ambos compartimentos córporales es relativamente estable, los'solutos .individuales en los dos compartimentos no se encuentran en equilibrio. En lugar de ello, los compartimentos de los líquidos extracelular e intracelular existen generalmente en un estado cuYa mejor denominación podría ser desequilibrio dinámico. El agua es esencialmente la única molécula que se desplaza libremente entre la mayoría de las células y el líquido extracelular. Debido a este movimiento Ubre del agu3., los compartimentos ex· tracelular e intracelular alcanzan un estado de equilibrio osmó· tico (osmos, presionar o empujar), en el cual la cantidad total de soluto por volumén de liquido es igual~ ambos lados de la mem· brana celular. Pero al mismo tiempo el cuerpo está en un estado de desequilibrio químico, en el cual los principales soiutos están más concentrados en uno de los dos compartimentos corporales (Fig.

5-1 m).

Por ejemplo, los iones de sodio, cloruro y bicarbonato (HC03-) están más concentrados en el liquido extracelular que en el líquido intracelular, mientras que los iones de potasio están

GUNTAS

~J. P Plasma G'ill

tJ e

Uq'ldo

•¿En qué difiere el plasma

lnt""'"

del tíqu!do Intersticial? • ¿CUáles son las principales diferencias de solutos entre los compartimentos extr:acelu!ar

líquido 1ntracalu1ar

----

e Intracelular?

mAGURA 5-3 Distribudón de so/utos en los compartimientos líquidos del organismo El líquido extracelular está compuesto por el plasma sangulneo más el liquido intersticial. Los compartimientos de! organismo están · en estado de-desequilibrio químico.

más concentrados dentro de la célula. El caldo (que no se representa en la figura) está más concentrado en el líquido extracelu· lar que en el dtosol, a pesa! de que muchas células almacenan CaZ+ dentro de orgánulos como el retículo endoplasmático y las mitocondrias. Ellíquldo extracelular tampoco está equilibrio entre sus . dos subcompartimentos ( ~ Fig. 3·2). Unos pocos solutos están más conCentrados en el plasma que en el líquido intersticial. La: figura S-3 muestra que las proteínas y otros aniones grandes se encuentran tanto en el líquido intracelular como en el plasma, pero que están casf ausentes en elliqÚido intersticial. Las diferencias de concentración del desequilibrio químico son un rasgo caracteóstlco de un organismo vivo, dado que sólo el aporte continuo de energía lo mantiene en este estado. Si los solutos filtran a través de la membrana celular que divide los compartimentos intracélular y extracelular, se requiere énergía para retomarlos hada los compartimentos de los que salieron. Por ejemplo, el K+ que filtra hacia el exterior. de la célula y el Na+ que lo hace hacia el interior celular son devueltos a sus compartimentos originales mediante una enzima· que consume energía conocida como Na+.K+·ATPasa. Cuando las células mueren y no pueden utilizar energía, los solutos obedecen la segunda ley de la termodinámica ( iiiil p. 93} y regresan a un estado de ij}eatoriedad marcado por la pérdida del desequi· librip químico.

en

Muchos solittos del organismo que se mencionaron hasta el mOmento son iones y, por consiguiente, debe considerarse también la distribución de la carga eléctrica entre los compartimentos Jntra:éelular y extracelular. Apesar de que el organismo en.su confunto es eléctricamente neutro, se encuentran· unos pocos iones negativos en exceso en el líquido intracelular, mientras qUe los iones positivos que los neutralizan están localizados en ellí* quido extrai::elular. Como resultado, el interior de las células es levemente negativo respecto del líquido "extraceluiar. Esta difel:en· da ~éctrica crea un estado de desequilibrio eléctrico en el organismo, tema que se examina con mayor detalle más adelante en este capítulo. Por lo tanto, homeostasis no es lo mismo que equili'"brio. Los compartimentos intracelular y extracelular del organismo pueden encontrarse en equilibrio osmótico, pero están también en desequilibrio químico y eléctrico. Además, el equilibrio osmótico y los dos tipos de desequilibrio son equilibrios dinámiros. El término di· námico indica que existen sustancias que se desplazan constante· mente entre los dos compartimentos, pero en un equilibrio no habría sustancias entre los compartimentos. En lo que resta de esre capítulo, se analizará cómo la permeabilidad selectiva de las membranas celulares es la responsable de que los compartimentos intracelular y extracelulat sean quúni.ca y eléctricamente diferentes pero tengan la misma concentración total de solutos. ·

1

132

Capítulo 5 Dinámica de !as membranas

Difusión

REVISIÓN 3. Utilice los conocimientos adquiridos acerca de las convenciones de nomendatura de !as enzini'as {l1!1l p. 99} para explicar qué indica el nombre Na•-K•·ATPasa acerca de las acciones de la enzima. 4.

..

El !1quido intracelular puede distinguirse del !lquido extrace!u!ar por la elevada concentración del ión - y la baja concentración de los iones--, - - y - en el primero.

Respuestas en la p. 172

1

DIFUSIÓN

A pesar de que muchas sustandas se desplazan libremente dentro de un compartimento corporal, e! intercambio entre los compartimentos intracelular y extracelular está restringido por la membrana plasmática. El hecho de que una sustancia entre en una célula depende de las propiedades de la membrana celular y de la sustancia. Las membranas celulares tienen permeabilidad selectiva¡ esto es, la composición !fe lípidos y proteínas de una membrana celular dada determina cuáles moléculas ingresarán a la célula y cUáles la dejarán (ªªp. 55}. Si la membrana permite que una sustancia la atraviese, se la denomina permeable (per~ meare, pasar a través). Si la membrana U? permite el paso de. la sustancia, se la denomina impermeable {im-, no). La permeabilidad de la membrana es variable y puede cainbiar como consecuencia de alteraciones en las proteínas o lípidos de

membrana. Algunas moléculas, como las de agua, oxigeno, dióxido de carbono y lipidos, atraviesan fácilmente la mayoría de las membranas celulares. En cambio los iones, la mayoría de las moléculas polares y las moléculas muy grandes {como las proteínas) entran en las células con más dificultad, o no pueden hacerlo de ningún modo. Dos propiedades de una molécula indden en su movimiento a través de las membranas celulares: el tamaño de la molécula y su solubilidad en lipidos. Las moléculas muy pequeñas y aquellas que son solubles en Iípidos pueden atravesar directamente la bi· capa fosfolipídica. Las moléculas más grandes o menos liposolubles no pueden atravesar la bicapa, a menos que la célula tenga un mecanismo espeófico para transportarlas. Los mediadores habituales que utilizan las células para transportar a estas moléculas a través de sus membranas son las proteínas de membrana, Las moléculas lipófobas muy grandes deben ingresar y salir de las células dentro de vesículas (~p. 66). Existen dos formas de dasificar el movimiento de las moléculas a través de las membranas. Uno de los modelos, _que se acaba de describir, separa al movimiento a través de las membranas de acuerdo con los requerimientos físicos: en ftmdón de si ocurre a través de la bicapa lipídica, con la colabm:adón de una proteína de membiana o mediante la utilización de vesículas {Fig. 5-4 m). Un segundo modelo clasifica al movimiento de acuerdo con sus requerimientos de energía. El transporte pasivo no requiere aporte de energía. El transporte activo necesita el aporte de. energía desde algúna fuente externa, como el enlace fosfato de alta energía del ATP.

REQUERIMIENTOS DE ENERGfA

TRANSPORTE A TRAVÉS

. DE MEMBRANA

11

rn FIGURA 5·5 Difusión

Difusión da las moléculas da colo!ante afavor de su gradfanta de concentración

mFIGURA 5-4 Mapa conceptual del. transporte a través de membrana E! movimiento de sustancias a través de las membranas celulares puede clasificarse en función de los requerimientos de energfa del transporte {parte superior del mapa conceptuaO o de acuerdo con si el transporte hace uso de la difusión, de una protefna de mem· brana o de una vesfcula {parte inferior del mapa conceptual). ·

El equilibrio se produce cuando

fa concentración es unifoone.

Cuando se coloca un cristal de colorante {como el permanganato de potasio) en agua, el cristal se disuelve y las moléculas de colorante se dispersan por difusión.

La difusión utiliza solamente la energía

del movimiento molecular El transporte pasivo? través de las membranas emplea la energía cinética ( ili!!. p. 92) inherente a las moléculas. Las moléculas de gas y las moléculas en solución se desplazan constantemente de un fugar a otro, rebotando contra otras moléculas o las paredes de cualquier recipiente que las contenga Cuando las moléculas se ubican Inicialmente en una mayor concentración en un área de un espado restringido, su movimiento las hace dispersarse gra· dualmente hasta que estén distribuidas de manera uniforrne·a lo largo y a lo ancho del espado disponible. Este piOceso se Conoce como difusión. La difusión (diffundere, derramarse un líquido) puede definir. se como el movimiento de las moléculas desde un área de mayor concentración hada un área de menor concentración.* Si se deja · un frasco de colonia abierto y más tarde se nota su aroma en todo el ambiente, esto se debe a que las moléculas aroril.áticas de la· colonia han difundido desde donde estaban más concentradas (en la botella) hada donde lo estaban menos (a lo largo y a loan~ cho del ambiente). La difusión presenta las siguientes siete propiedades_: 1. La difusión es un proceso pasivo. Con el término pasivo se

·~&óOOII~iENTOúfS!Có.S

133

quiere indicar ciue la difusión no requieze aporte de energía desde alguna fuente externa. La difusión utiliza solamente la energía cinética que tienen todas las moléculas. 2. Las mcléadas se desplazan des~ un área de mayor cancentracWn hacia un área de menor amcentraciún. La diferencia en la concentración de una sustanda entre dos sitios recibe el nombre de &radien te de concentración ( 5!: p. 91), conod~ "Algunos llbws emplean el ténnino di¡im6ti paza indicar cualquier movimiento aleatorio de las mclokulas. En dichos libros, el movimiento molecular a lo lalg:o de un gradiente de ooncenttactón recibe el nombre de di{usián 1lda. Para sñnplltlcarla makda, se usad aqui eithm!no difusión paza indicar el movimiento a tra· rts de;un gradiente de wncentractón.

do también como gradiente químico. Se dice que las moléculas difunden a favor del gradiente, desde la fuayor concentración hada la menor concentradón (fig. 5~5 ill). La velocidad de difusión depende de la magnitud del gradiente de concentración. Cuanto mayor sea la diferenda entre concentraciones, más rápida será la difusiOn. Por ejemplo, cuando se abre una botella de amoniaco, la velocidad de difusión bada el aire es máxima al principio pero luego, c;uando el amoniaco está esparcido de manera unüorme en tOdo cl ambiente, la velocidad de difusión es cero, puesto que no existe ningún gradiente de concentración. 3. El movimientv neto de 1lls mol€culns continúa hasta que fa amcentradón es igual en todos lados. Una vez que las moléculas de una sustanda dada se han distribuido homogéneamente, el sistema alcanza el equilibrio y la _difusión se detiene. Las moléculas individuales continúan moviéndose en el equili· brio, pero existe una molécula que ingresa por cada molécula que sale. El estado de equilibrio dinámicc en la difusión implica que la concentración se ha igualado en toda la exten· sión del sistema, pero las moléculas continúan moviéndose. 4. La difuSión es rápida en distancias cartas pero mucho más lenta en distancias mayores. Albert Einstein estudió la difusión de las moléculas en solución y descubrió que el tiempo necesario para que una molécula difunda desde el punto A hasta el punto B es proporcional al cuadrado de la distanda entre Ay B. En otras palabras, si la distanda se duplica de -1 a 2, el tiempo requerido para que ocum la difusión aumenta de 12 aZ2• ¿Qué significado tiene para los sistemas biológicos esta len· ta velocidad de difusióiÍ en distancias largas? En los seres humanos, los nutrientes demoran dnco segundos en di~ ftmdir desde la sangre hada una célula que se encuentra a 100 ¡un del capilar más cercano. A esa veloddad, los nutrientes demorarían años en difundir desde el intestino delgado a las células del dedo gordo del pie y las células

1

lW

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

Difusión

RE\11 S 1 ó N

')-:i ·s. Si la distancia por la que debe difundir una· molécula ·· Propiedades generales de la difusión 1. ta difusión utiliza la energla cinética del movimiento molecular y no requiere una fuente de energla extern~ 2.Las moléculas difunden desde un área de mayor concentración hada un área de menor concentración

3. La difusión continúa hasta que las concentraciOnes alcanzan el equilibrio. Sin embargo, e¡ inovimiento molecular_ proSigue luego de que se ha al· canzado el equilibrio 4.la difusión es más rápida -con altos gradientes de concentración

1

- en distancias cortas - con temperaturas altas - en !as moléculas más pequeñas

S. La difusión puede tener lugar en un sistema abierto o a través de una partición que_ Separa dos sistemas

Difusión simple a través de una membrana 6. ta velocidad de difusión a través de una membrana es mayor si -la superficie de la membrana es más grande - la membrana es máS fina - el gradiente de concentraCión es mayor - la membrana es más permeable a fa molérula

7.la permeabilidad de la membrana a una molécula depende de

-la solubilidad de la molécula en !!pides -el tamafio de la molécula -la composición Jipldica de [a membrana

morióan por falta de nutrientes. Para superar estas limitadones de la difusión a la distancia, los organismos han desarrollado vatios mecanismos de transporte que aceleran el movimiento de las moléculas. La mayorla de los organismos pluricelulares tienen alguna fonna de sistema drculatorio para transportar oxígeno y nutrientes rápidamente desde el punto por el cual ingreSan al organismo hacia las células. 5. La difusión está directamente relacionada con la temperatura. A temperaturas elevadas, las moléculas se mueven más rápidamente. Puesto que la difusión es resultado del movimiento moleo.dar, la velocidad de difusión aumenta a medida que lo hace la temperatura. Generalmente, los cambios de temperatura no afectan significativamente las velocidades de difusión en el hombre, ya que éste mantiene una temperatura corporal relativamente constante. 6. La velocidad de di{usi6n está invérsamente relacionada con el tamaño molecular. Einstein demostró que el rozamiento entre la superficie de una partícula y el medio a través del cual ésta difunde es una fuente de resistencia al mOVimiento. Calculó que la difusí(ln es inversamente proporcional al radio de la molécula; cuanto más grande es la molécula, más lenta será su difusión.a través de un medio dado. 7. La di{usio/J puede ocurrir en.un sistema abiertJ:J o a través de una particWn que separa dos sistemas. La difusión de amoníaco o de agua de Colonia dentro de un ambiente es un ejemplo de la difusión que ocurre en un sistema abierto. No existen barreras para el movimiento molecular, y las molé· culas se dispersan de forma tal de ocupar todo el sistema La difusión también puede tener lugar entre dos sistemas, como los compartimentos intracelular y extracelular, pero sólo si la partidón que divide a ambos compartimentos pemllte que las moléculas en difusión la atraviesen.

Por ejemplo, si se tapa una botella de amoníaco abierta, las moléculas de amotúaco no pueden difundir hada el ambiente puesto que ni la botella ni la tapa son permeables al amoníaco. Sin embargo, si se reemplaza la tapa metálica por una bolsa plástica que tenga pequei'ios orificios, se empeza· rá a oler el amoníaco en el ambiente, puesto que la bolsa es permeable a él. De manera similar, si una membrana celular es permeable a una molécula, ésta puede ingresar a la cé-- _ lula o abandonarla por difusión. Si Una membrana no es penneable a dicha molécula particular, la molécula no podrá atravesarla. El cuadro. S..l mresume estos puntos. Una cuestión importante para tener en cu~ta: los iones no se desplazan por difusión, aun cuando podrá leerse y escucharS.e a~er­ ca de que los iones di(rmden a través de ·w membranas. La difusión es un movimiento molecular aleatorio a favor de un gradiente de roncentradón. El movimiento de los iones está. influido por gradien· tes eléctriaJs debido a la atracción de cai'gas opuestas y a la repul· sión de cargas de igual signo. Por lo tanto, los iones se mueven en respuesta a gradientes eléctricos y de con~tradón COmbinados, también llamados gradientes electroqufmicos. Este movimiento electroquímico es un proceso más-complejo que la difusión, que resulta únicamente de un gradiente de concentración, y los dos procesos no deberían confundixse. Al final de este capítulo se examina· rán con más detalle los iones y los gradientes el~cos. En resumen, la difusión es el movhnlento pasivo de moléculas no cargadas a favor de su gradiente de concenttactón, debido al movimiento molecular al azar. La difusíón e$ más lenta en distancias mayores y más lenta también para moléculas grandes. Cuando la concentJ:ación de las moléculas que difunden es la misma a través de todo un sistema, éste ha alcanzado el equilibrio químico, a pesar de que prosigue el mOVimiento de las moléculas al azar.

se duplica de 1 a 2, ¿cuántas veces más tiempo llevará la difusión? Respuesta en !a p. 172

135

de tiempo. Este hecho puede resultar obvio, pero tiene implicaciones importantes en la fisiología. Un ejemplo contundente de cómo un cambio de la superficie afecta la di· fusión es la enfennedad pulmonar llamada enfisema. A medida que se destruye el tejido pulmonar disminuye la superficie disponible para la difusión del oxígeno. En consecuencia, menos cantidad de oxígeno puede ingresar al organismo. En casos graves, el oxígeno que llega a las células no es suficiente para soportar la actividad muscular y el padente está destinado a la postración. 3. La veloddad de di{usi6n a través de una membrtUUl es inVersamente propordonal al espesor de la membrana. Cuanto más gruesa sea la membrana, más lenta será la ve_!oddad a la cual ocurre la difusión. En la mayoría de las membranas biológicas, el espesor es esencialmente constante. Sin em. bargo, la distancia de difusión entra en juego en determinadas condiciones pulmonares en las que el epitelio de intercambio del pulmón está engrosado por tejido dcatrizal. Esto retrasa la difusión de manera tal que el oxígeno que ingresa al organismo no resulta adecuado para las necesidades metabólicas. Las reglas para la difusión simple a través de las membranas se resumen en el cuadro 5-1. Pueden combinarse matemáticamente en una ecuación conocida como ley de la difusión de Fick, una relación que involucra a los tres factores que se acaban de citar para la difusión a través de membranas, más el factor del gradiente de concentración estudiado en el análisis general acerca de la difusión, realizada antes. De forma abreviada, la ley de Fick establece que: velocidad de difusión a

superficie gradiente de permeabilidad de la área x concentración x membrana espesor de la membrana

La figtua 5-61ll ilustra los principios de la ley de Fick.

La permeabilidad de la membrana es el más complejo de los cuatro términos de la ley de Fick, puesto que se ve afectado por muchos factores: 1) el tamafio de la molécula que difunde, Z) la solubiJidad de la molécula en lípidos y 3) la composición de la bícapa lipídica a través de la cual difunde la molécula. A medida que aumenta el tamafio molecular, disminuye la permeabilidad de la membrana. A medida que aumenta la solubilidad en lípidos de·ta mol~a que difunde, la penneabilidad de la membrana se incrementa. Las alteraciones en la composición lipfdica de la membrana modifican la facilidad de deslizam.tento de las moléculas que difunden entre los fosfolípidos individuales-. Por eJemplo, las moléculas de colesterol en las membranas quedan dentro de los espacios entre las colas de los ácidos grasos y retar· dan el paso a través de dichos espacios {Zlll' Fig. 3--4), hadendo a la membrana menos penneable. En la mayoría de las situaciones fisiológicas, el espesor de la membrana es una constante. En tal caso, puede eliminarse~ tér· mino espesor de membrana de la ecuación de la ley de Flck, y reordenar la ecuación según: velocidad de difusión superficie

gradiente x permeabilidad de concentración de la membrana

1

Transporte mediado por proteínas

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

136

137

r;;RamNAS--·1

Uquido extracelular

'DE MEMBRANA'

Concentración fuera de !a célula

1 pufl
Factores que afectan la velocidad de difusión a través de una membrana celular: oSolubilidad en lfpidos

oTamaño molecular • Espesor de !a membrana celular o Gradiente de concentración o Superficie de la membrana • Composición de !a capa lipídica

¡1Jla l!l~mbrana

' P>="'""l

~racii~nta,ct(

Comp0sici6ri de la capa li¡j_fdica

1

conOentraclóiÍ

dentro de la célula Penneab!!ldad de¡¡¡ membÍ'aña ·,,-

La ley de la difusión de Flck estab!eca que:

Veloeldaddedlfus!On;~erli~X~_de_~~-x;~tda_d:~~tl)~ es¡iasor"da·m~f.ma

1

1

Concentración

Uquido intmcefulM

· ··

~idad de la membrana oc so!ubiridad en lfpldos tamai\0 molecula!

La modificación de !a composición de !a capa lipk!ica puede aumentar o reducir la permeabilidad de la membrana.

¡¡¡¡ FIGURA 5·6 Ley de la difusión de Fick

Esta ley relaciona matemáticamente a los factores que influyen sobre la velocidad de difusión simple a trayés de una membrana.

Ahora, la ecuadón describe el flujo de una molécula a través de la membrana, puesto que se define flujo como la velocidad de difusión por unidad de superfide de membrana: flujo= gradiente de concentradón x permeabilidad de la membrana En otras palabras, el flu¡o de una molécula a través de una

membrana depende del gradiente de concentradón y de la permeabilidad· de la membrana a la molérula. Un punto para recordar es que los prindpios de la difusión examinados se aplican a todas las membranas biológicas, no sólo a la membrana celular. El movimientO de sustandas hada y desde los orgánulos sigue las mismas reglas. RE)IISIÓN

Y\ _¿,,6: ¿De dónde proviene la energfa para la difusión? 7. ¿Cuál de las siguientes moléculas tiene más probabili·

dades de atravesar una membrana celular por difusión simple: una molécula de ácido graso o una molécula de glUcosa? 8. ¿Qué !e ocurre a !a velocidad de difusión en cada uno de !os siguientes casos? a) el espesor de membrana aumenta b) el gradiente de concentradón aumenta e) la superfide disminuye 9. Dos compartimentos están separados por una membrana permeable solamente al agua y a las moléculas de un colorante amarillo. El compartimento Ase llena

con una solución acuosa de colorante amarillo y el compartimento Bse llena con una solución acuosa de una concentración igual de colorante azul. Si el sistema perman&e inalterado por largo tiempo, ¿qué co-lor t_endrá el compartimento A: amarillo, azul o verde? (Recuérdese que una mezda de amarillo y azul es de color verde.) ¿De qué color será el-compartimento B? 1O. ¿Qué hace que el oxigeno atmosférico no difunda ha· cia el interior del organismo a través de !a piel? (Suge--

renda: ¿qué tipo de epitelio es la piel?) Respuestas en la p. 172

TRANSPORTE MEDIADO POR PROTEiNAS En el organismo, la difusión simple a través de las membranas está limitada a las moléculas lipófilas. La mayoría de las ;noléot· las del organismo son lipófobas o tienen carga eléctrica y, por consiguiente, no pueden atravesar las membranas por difusión simple. La gran mayoría de los solutos atraviesa las membranas con la colaboradón de proteínas de membrana, un proceso que redbe el nombre de transporte mediado. Si el transporte mediado es pasivo y moviliza moléculas a favor de su gradiente de concentradón, y si el transporte neto se detiene cuando las concentradones son iguales a ambos lados de la mem· brana, el proceso se conoce como difusión facilitada. Si el trans· porte mediado por proteinas requiere energía del ATP o de otra fuente externa y movili7.a sustancias en contra de su gradiente de concentración, el proceso se conoce como transporte activo.

liil AGURA 5-7 Mapa conceptual de las protefnas de membrana Las categorras funcionales de !as proteínas de membrana comprenden a transportadores, proteínas estructurales, enzimas y receptores.

Las proteínas de membrana funcionan como proteínas estructurales, enzimas, receptores y transportadores

Enzimas Las enzimas de membrana catalizan reacciones químicas que acunen sobre la superfide externa de la célula o apenas dentro de la célula. Por ejemplo, las enzimas ubicadas sobre la superfide externa de las células que recubren el intestino delgado son responsables de la digestión de péptidos e hidratos de carbo· no. Las enzimas unidas a la superfide intracelular de muchas membranas celulares desempeñan un papel importante en la transferenda de señales desde el ambiente externo extracelular hada el dtoplasma, como se estudiará en el capítulo 6.

- El transporte mediado por proteínas a través de una memb~­ na se lleva a cabo por dos grupos de proteínas que atraviesan la membrana: transportadores y receptores. Para los fisiólogos, resulta má$ l1til dasifi_car a las proteínas de membrana de arui:rdo con su fundón que hacerlo según su estructura. Nuestro esquema · de d
138

Cap1tulo 5 Dinámica de las membranas

Transporte mediado por proteínas

139

más, se han identificado más de 100 tipos de canales iónicos. Los

1

Uquldo intracelular -

l!il. FIGURA 5-8 Receptores de la membrana celular La unión del ligando a un receptor de membrana inicia una res~

puesta celular.

intracelular y el líquido extracelular. Como muestra la figura 59b, los transportadores están abiertos hacia un lado u otro de la membrana, pero no hacia ambos lados al mismo tiempo, como lo están los canales proteicos. ¿Por qué necesitan las células canales y transportadores? La respuesta radica en las propiedades diferentes de los dos transportadores. Los canales proteicos permiten un transporte más rápido a través de la membrana, pero no son tan selectivos respecto de lo que transportan. A pesar de ser más lentos, los transportadores resultan mejores en la discriminación de moléculas estrechamen~ te relacionadas. Además, los transportadores pueden movilizar moléculas más grandes que los canales.

Los canales proteicos crean pasajes abiertos~ llenos de agua Los canales proteicos están constituidos por subunidades pro-

teicas que atraviesan la membrana y crean un grupo de cilindros que rodean a un poro angosto, lleno de agua (fig. 5~10 !!!). El movimiento a través de los canales proteicos está restringido principalmente a agua y iones. Cuando los canales llenos de agua están abiertos, decenas de millones de iones por segundo pueden pasar rápida y libremente a través de ellos. Los canales proteicos se denoinínan de acuerdo con la(s) sustanda{s) que dejan pasar. La mayoria de las células tienen canales de agua cons~tuidos por una proteína llamada acuaparina. Ade-

canales iónicospuedenserespedficos para un ióno permitir el paso de muchos iones de tamaño y carga similares. Por ejemplo, exis· ten canales de Na+, canales de K+ y canale; catiónicos marwvalentes ("una carga") no específicos que transportan iones Na+, K+ y litio (ti+). Otros canales iónicos que podrán encontrarse freruentemen~ te en el libro son los canales de CaZ' y los canales de Cl·. La selectividad de un canal está determinada por el di&metro de su poro central y por la carga eléctrica de los aminoáddos que lo recubren. ~i los aminoáddos del canal están cargados positivamente, los iones positivos serán repelidos y los iones negativos pasarán. Por el contrariO¡ un canal catiónico debe tener una carga negativa que atraiga a los cationes pero impida el paso de Cl" u otros aniones. Los canales proteicos se parecen a una entrada esttecha a la célula. Si la puerta está cenada, nada puede atraves~la. Si la puerta está abierta, existe un corredor continuo entre los dos ambientes conectados por él. El estado abierto o cerrado de un canal está determinado por regiones de la molécula de proteína que actúan como "puertas giratorias". De acuerdo con los modelos actuales, muchos canales son parte del lado dtoplasmático de una proteína de membrana (Fíg. 511 m). Puede imaginarse este tipo de compuerta como un balón unido a una cadena que se balancea y bloquea la boca del canal. Unos pocos canales tienen una compuerta en el medio de la y;oteína, y un tipo de canal en las_células nenrjosas tiene· dos compuertas diferentes. Los canales pueden clasificarse en los que tienen sus compuertas generalmente abiertas o generalmente cerradas. Los canales abiertos pasan la mayor parte del tiempo con su com-puerta abierta, lo que permite que los iones se desplacen a través de la membrana en ambos sentidos sin reguladón. Ocasionalmente, estas compuertas pueden fluctuar en un estado cenado, pero por lo general estos canales se ·comportan como sí no tuvieran compuertas. A veces, los canales abiertos se denominan canales pet· meables o poros, como los poros de agua. Los canales tipo compuerta pasan la mayor parte del tiempo cenados, lo que les permite regular el inovimiento de los ~ones a través de ellos. CUando se abre un canal tipo compuerta, los ionene desplazan a través del canal de la misma manera que lo hacen a través de los canales abiertos. Cuando un canal tipo· compuerta está cenado, como lo está la mayor parte del tiempo, no pennlte el movimiento de iones entre los liquidas intracelular y extracelular.

MuchoS canales están constituidos por múlt!p!es subunidades prQtelcas que se ensamblan en !a membrana.

proteica

de un canal

Canal a través del

centro de una protefna de membrana

Canal a través del centro de una

protefna de membrana,

visto desde amba

mFIGURA 5·10 Estructura de los canales proteicos Los aminoácidos hidrófilos de la proteína recubren el canal, lo que forma un conducto lleno de agua que pennite que iones y moléculas muy pequeñas {p. ej., el agua) lo atraviesen.

¿Qué controla la apertura y el cierre de los canales tipo compuerta? La compuerta puede ser controlada por moléculas de mensajeros intracelulares o por ligandos extracelulares (canales regulados por compuerta química), por el estado eléctrico de la célula (canales regulados por voltaje) o por un cambio físico, como el aumento de la temperatura o una fuerza que impone tensión sobre la membrana y produce la apertura del canal (canales .con compuerta mecánica). Durante el estudio de la fisiología, el lector encontrará muchas variaciones de estos tipos de canales.

ftE'~ISIÓN 11. Los iones con:carga positiva se denominan - y los

iones con carga negativa reciben el nombre de - . Respuesta en la p. 1n

los canales tipo compuerta en geneal están cerrados. Se aQren en respuesta a señales qufmicas, rmocánicas o eléctricas.

mRGURA 5-9 Proteinas transportadoras de membrana

mRG.URA 5~11 Compuertas de los cañales proteicos

La fibrosis qu!stica es una enfermedad "debRitanie causada pÓr · un defecto en un canal proteico tipo compuerta que normalmente transporta iones c;loruro (el"}. El canal proteico -denomi· nado regulador de_la conductanda tranSmerribrana de la fibrosis quístíca, o CFTR-está IOC
~ Las proteinas transportadoras cambian su conformación para trasladar moléculas El segundo tipo de proteína de transporte es la proteína transportadora. Éstas se unen a sustratos específicos y los conducen a través de la membrana mediante un cambio de conformación. Las moléculas orgánicas pequeñas (como la glucosa y los aminoácidos), que son demasiado grandes para pasar a través de canales, atraviesan las membranas utilizando los transportadores. Los iones como el Na+ y el K+ pueden desplazarse mediante transporta· dores al igual que a través de canales. Algunas transportan un solo tipo de molécula y se conocen como uniportadores (Fig. 5-12a lill ). Pero es común hallar transpor~ tadmes que movilizan dos o incluso tres tipos de moléculas. Un transportador que moviliza más de un tipo de molécula a la vez se denomina cotransportador. Si las moléculas que están siendo transportadas se mueven en la misma dirección, ya sea hacia adentro o hacia fuera de la célula, las proteínas transportadoras reciben el nombre de cot:ransportadores simportadores. Si las moléculas se transportan en direcciones opuestas, las proteínas transportadoras se denominan contratransportadores o cotransportadores bidireccionales (amrra.., opuesto). Los simporta,dores y los contratransportadores se muestran en la figura S.l2b y c. Los transportadores son proteínas complejas, grandes y con múltiples subunidades. El cambio de conformación que se exige a una proteína transportadora hace a esta forma de transporte transmembrana mucho más lenta que el movimiento a través de los canales Proteicos. Solamente de 1 000 a·I 000 000 de moléculas por segundo pueden ser.movillzadas por una proteína transportadora, mientras que decenas de millones de iones por segundo se desplazan a través de un canal protéico. Las proteínas transportadoras difieren de Jos canales proteicos de otra forma aún: los transportadores nunca crean un corredor continuo entre el interior y el exterior de la célula. Si los canales son como entradas, los transportadores son como puertas giratorias que penniten el movimiento entre el interior y el exterior, sin generar nunca un hueco abierto. Las proteínas transportadoras

140

Transpórte mediado por proteínas

capítulo 5 Dinámica de !as membranas

141

Cotransportadores 1

"'= """" ~

1 !&iiiA¡;;¡¡¡;¡¡ "'"'""'

\ttW~

. !&iiiA

~

1

-~::""lll

1

."

1 "

{a) Los uniportadores transportan sólo un tipo de sustrato.

{e) Los contratransportadores {b) Los cotransportadores simportadores movilizan sustratos movilizan dos o más sustratos en la misma en direcciones opuestas. dirección a través de la membrana.

8 FIGURA 5--121ípos de transporte mediado por proteinas transportadoras

En las ilustraciones de este libro, !aS protefnas transportadoras están representadas por formas sólidas en la membrana celular.

pueden movilizar moléculas en ambas direcciones a través de una membrana, al igual que una puerta giratoria de un hoteL o pUeden restringir su transporte a una sola dirección, como un molinete en un parque de diversiones, que permite salir del parque pero no _entrar nuevamente en él. Los transportadores forman corredores, pero éstos nunca están abiertos a ambos lados al mismo tiempo. Un lado está siempre cerrado, lo que impide el intercambio libre a través de la membrana. En este aspecto, las proteínas transpOrtadoras son como el Canal de Panamá (Fig. 5-13a Rll). Imagín~e el canal con só-

lo dos compuertas, una del lado del Atlántico y la otra del lado del Pacífico. Sólo una compuerta está abierta a la vez. Cuando la compuerta del Atlántico está cerrada, el canal se abre hada el Pacifico. Un barco ingresa al canal desde el Paófico, y Ja compuerta se cierra detrás de él. Ahora, el canal está aislado de ambos océanos, con el barco atrapado en el centro. Luego se abre la compuerta del Atlántico y el canal se comunica con el Océano Atlántico. Fl barco navega fuera de la compuerta hada el Atlántico'; habiendo atravesado la barrera de tierra firme sin que el canal nunca haya formado una conexión continua entre los dos océanos.

la d'lfusión facilitada Heva a la glucosa hacia el Interior

la difus¡ón alcanza el equilibrio cuando !as concentracionas de glucosa dentro y fuera de fa célula son iguales

de la célula a favor de su gradiente de coru:entración,

§FIGURA S.14 El movimiento neto de moléculas se detiene cuando la difusión fadlftada alcanza el equifibrio

Esta figura muestra el transporte de glucosa mediante la proteína transportadora GLUT.

El movimiento para pasar al otro lado de la membrana a través de una proteína transportadora es similar (Fig. 5·13b). La me. lécula para ser transportada se une al transportador en un lado de la membrana (el lado extracelular en nuestro ejemplo). Esta unión produce un cambio confonnadonal del transportador, de manera tal que la abertura se cierra. Luego de una breve transl· dón en la rual ambos lados están cerrados, el lado opuesto del transportador se abre hada el otro lado de la membrana. Entonces, el transportador deja a la molécula que está siendo transpor· tada en el compartimento opuesto, después de atravesr la membrana sin crear una conexión continua entre los compartimentos extracelular e intracelular.

jj~,~"l S 1Ó N

f[;s)2-1J2. Enumere cuatro funciones de las protefnas de mem-

Paso abierto hacia un lado

i Estado de transfción con ambas

compuertas

"""'"

l

{;;'T

brana.

·

13. ¿Qué tipo de partículas pasan a través de los canales

abiertos? 14. Enumere tres puntos por Jos cuales los canales difieren

de !as protefnas transportadOras. 15. Si un canal está retubierto con aminoácidos q_u.e po-

seen una carga neta negativa, ¿cuálfes de los siguientes iones se espera que pase/n libremente através del canal: Na+, cr-, K+, ca2~? 16, ¿Por qué no atraviesa la glucosa la membrana celular

por medio de canales abiertos?

Respuestas en la p. 172

Paso abierto hacia

el otro lado

mFIGURA 5--13 Difusión fadlitada por medio de.una.proteína transportadora

A! igual que el canal que se ilustra aquí, las protefnas transportadoras nunca forman un corredor continuo entre Jos Jfquidos extracefutar e intracelular.

La difusión fadlitada emplea prOteínas transportadoras Como se indicó más arriba, la difusión facilitada es un trans-porte mediado por proteínas en el cual no se necesita ninguna fuen~ de energía externa para movilizar las moléculas a través de

la .membrana celular, y el transporte activo es un transporte mediado por proteínas que requiere una fuente de energía externa. Veamos en primer lugar la.difusión facilitada. Algunas moléculas comunes parecen mov~ hacia el intPrinr y desde el interior de las células mediante 9ilUSIOn, iiWl ~:Udl:IU\.> se sepa a partir de sus propiedades químicas que son incapaces de atravesar fácilmente el centro lipídico de la membrana rt>lular. T.a soludón de esta contradicción aparente es que estas moleculil.'> polares atraviesan la membrana celular por difusión facilitada con la colaboración de transportadores específicos. Los azúcares y los aminoácidos son ejemplos de moléculas que ingresan a las células o las abandonan mediante difusión facilitada. Por ejemplo, una familia de proteínas transportadoras conocidas como transportadores GLUT movilizan la glucosa y las hexosas relacionadas a través de las membranas. La difusión facilitada tiene las mismas propiedades que la di· fusión simple (cuadro 5·1). Las moléculas transportadas Se mueven a favor de su gradiente de concentración, el proceso no re-quiere aporte neto de energía y el movimiento neto se detiene en el equili'brio,.ruando la concentradón en el interior de la célula se iguala con la concentración en el exterior (Fig. 5-14 El): fglucosa]l!qul 00 at=ciular -= fglucosaJlfquldQ mtraclulat'

Las células en las cuales ocurre la difusión facilitar' evitar alcanzar el equilibrio manteniendo baj~ la o de sustrato. Con la glucosa, por ejemplo, esto se lC'rla fosforilación (Fig. 5-15 B). Tan pronto como U...

glucosa ingresa a la célula es fosforilada a glucosa 6-t. mer paso de la glucólisis ( ~p. 105). La adición de un fato eVita la acumulación de glucosa dentro de la céluf~ también que la gluCosa abandone la célula.

.,,-

1.!1 este libro, la presencta de cordletes a aiD.bos lados del nombre de un so!Uto fn. dlat concentradón.

Transporte mediado por proteínas 142

Capítulo 5 Dinámica de \as membranas

El transporte activo moviliza sustandas en contra de sus gradientes de concentradón El transporte activo es un proceso que moviliza moléculas en contra de su gradiente de concentración; esto es, desde áreas de

1 mFIGURA 5-15 Difusión de glucosa· hada el interior de las células En muchas células, la difusión facilitada de glucosa no alcanza el equilibrio debido a que la célula convierte a la glucosa en glucosa 6-fosfato {G·6·P),Io que mantiene-baja la concentra· dón de glucosa.

RE;VISIÓN

( :-f;;;'h.Las células hepáticas son capaces de convertir glucó\':-1'- ·

geno en glucosa, haciendo así que la concentración intracelular de glucosa ~ea mayor que su concentración extracelular. ¿Qué cree usted que le sucec.le a la difu· sión facilitada de la glucosa cuando ocurre esto? Respuesta en la p. 172

menor concentración hada áreas de mayor concentración. En tu-. gar de crear un estado de equilibrio, donde la concentración de una molécula es iguala través de todo el sistema, el transporte ac· tivo crea un estado de desequilibrio haciendo que las diferencias de concentración sean más pronunciadas. El movimiento de las moléculas en. contra de su gradiente de concentración requiere el aporte de energía externa, del mismo modo que empujar un ba· Ión hada arriba por la ladera de una colina requiere energía ( Wl Fig. 4-2), La energía para el transporte activo proviene directa o indirectamente del enlace fosfato de alta energía del ATP. El transporte activo puede dividirse en doS tipos. En el transporte activo primario (directO), la energía para empujar a las moléculas en contra de su gradiente de concentración ptoviene directamente del enlace fosfato de alta energía_ del ATP. El ttans· porte activo secundario (indírecto) utiliza la energía potencial (~p. 92) almacenada en el gradiente de concentración de una molécula para desplazar a otras moléculas en contra de su p diente de concentración. Todo tipo de transporte activo secunda· río depende en última inStancia del transporte activo primario, porque los gradientes de concentración que impulsan el transpor· te secundario son creados usando energía del ATI'. El mecanismo para ambos tipos de transporte activo parece ser similar al de la difusión fadlitada. Un sustra~o para ser trans· portado se une a un transpOrtador de membraria y, entonces, el tral!SPortador cambia su conformación, liberando al sustrato en· el compartimento opuesto. El transporte activo se díferencia de la difusión fadlitada porque el cambio de conformación de la proteína tranSpOrtadora requiere aporte de ene¡gía.

activos pri.marios se conocen· como ATP~as. Usted recordará del capítulo 4 que el sufijo -asa hace referencia a una enzima, y que la raíz (ATP) es el sustrato sobre el cual está actuando la enzima (~p. 99). Estas enzimas hidrolizan ATP a ADP y fosfato inorgá· nico (PJ y liberan energía utilizable dtÍrante el proceso, La mayoría de las ATPasas que encontra!á durante el estudio de la fisiolo· gía están enumeradas en el cuadro 5-Z·!i:!. A veees, las ATPasas reciben el nombre de bombas, como por ejemplo la bomba de sodio y potasio, Na+-K+·ATPasa, mencionada anteriormente en este capítulo. La bomba de sodio y potasio es probablemente la proteína transportadora más importante en las células animales, puesto que mantiene los gradientes de concentración de Na~ y K+ a tra· vés de la membrana celular (Fig. 5-16 !§). El transportador está dispuesto en la membrana celular de manera tal que ·bombea 3 Na+ hada el exterior de la célula y 2 K+ hada su interior por cada ATP consumido. En algunas células, la energía necesaria para desplazar estOs lones consume 30% de todo el ATP producido por la

143 ·

NOMBRES

TIPO DE TRANSPORTE

Na+-K+·ATPasa o bomba de sodio y potasio

En ambas direcdones

(a2+.ATPasa

En una dirección

H+-ATPasa o bomba de protones

En una dirección

H+-K+·ATPasa

En ambas direcciones

célula. El modelo actual de cómo funciona la Na+-K+·ATPasa se ilustra en la figura 5-17 !il Transporte activo secundario El gradiente de concentración del sodio, con una concentración de Na+ elevada en el líquido extra-

Transporte activo primarÍa Puesto que el transporte activo primario utiliza A1P como fuente de energía, muchos ~dores

®~t La ¡:roternacan:oia '<;·. su conformación.

~'

la Na+-K+-AWasa utiliza la ertel!lfa de! AW para bombear Na+ hacia el exterior de la célula

y K+ hacia su interior.

@1 FIGURA 5- ~6 La bomba de sodio y potasio, Na+-·K+·ATPasa En este libro, las proteínas transportadoras que hidro!izan ATP llevan las letras ATP escritas-sobre 1~ proteína de membrana.

B FIGURA 5--17 Mecanismo de la Na+-·K+·ATPasa Erta.figura presenta,un modelo de cómo !a Na+-K+~ATPasa utiliza !a energía y e! fosfato inorgánico del ATP para movllizar iones a trav~s de una membrana.

1

Transpo~

144

mediado por proteínas

145

Capítulo 5 Dinámica de las membranas la energía es importada a la célula como energía almacenada en los enlaces qufmi90s de los nutrientes como !a glucosa Liquido intrace!u/at

SlMPORTADORES

1

CONTRATRANSPORTAOORES

TranSportadores 'dependientes desodio ·

,::A-Protefna SGLT

Na•-glucosa (SGLn

Na•-w

Na•-aminoácidos (varios tipos)

Na•-Ca 2"

~~tii~~g:2{~:.~~~!!lli~1~0Jl-5X{t;l· la energla de los enlaces qu!micos se convierte en enlaces de alta energía del ATP a través del proceso del metabo!lsmo.

[Na-l]b.eja [Glucosa] alta

Na•-K"-2(1- {NKCQ

1

Na•-sa!es biliares (intestino delgado)

l

Captación Na" -colina (r.§ulas neNio-

"')

Captación Na+-neurotransmisor (células nerviosas)

Transporte activO primario

la energfa de! enlace fosfato de alta ~!al de! A"TP se utHiza para movif!Zal' K+y Na+ en coo1ra de sus gradientes de concentración. Esto genem enetg{apotencial alrnacenacla en los gmdientesde ooncerrttación de los Iones.

tranSPortadores no de¡:Íendle~ tes de sodio-. HCW-CI" H+-K+

celular y baja dentro de la célula, es una fuente de energía poten· dal que la célula puede utiliZar para otras fundones. Por ejemplo, las células nerviosas emplean el gradiente de sodio para transmi· tir señales eléctricas, y las células epiteliales lo utilizan para impulsar la captadón de nutrientes, iones y agua. Los transportadores de membrana que utilizan la energía potencial almacenada en gradientes de concentradón para movilizar moléculas reciben el nombre de transportadores activos secundarWs. El transporte activo secundario hace uso de la energía cinética de una molétula que se mueve a favor de su gradiente de concentradón para empujar a ótras moléculas en contra de su gradiente de concentración. Las moléculas cotransportadas pueden desplazarse en la misma dirección a través de la membrana {simporte) o en direcciones opuestas (contratransporte). Los sistemas de transporte activo secundario más comunes están impulsados por el gradiente de concentradón del sodio. Amedida que el Na+ se moviliza hada el interior de la célula, arrasi.Ia úna o más moléculas consigo o intercambia lugares con m~l~allas que salen de la célula. Los principales transportadores dependientes de Na+-se enunieran en el cuadro 5-3 fa Nótese que las moléculas cotransportadas pueden ser otros iones o moléculas no cargadas, como la glucosa. El mecanismo del transportador Na•-glucosa (SGL1) se ilustra en la figuta 5-18 m. En este transporte activo secundario, tanto el Na+ como la glucQsa se unen a1?- proteína SGLT sobre el lado del líquido extracelular. El sodio se Wle en primer lugar y causa un cambio conformacional en la proteína, que genera un sitio de unión de alta afinidad para la glucosa Cuanclo la glucosa se une al SGLT, la proteína cambia nuevamente su conformación y abre su canal ha· cia el lado del líquido intracelular. El sodio se libera a medida que se desplaza a favor de su gradiente de conCentración. La liberadón del Na" de la proteína mo
~ "'Ciclo del ácido cftr!Co

la energta del gradiente de utilizarse para movmzar otras moléctllas a 1 través de la membrana celular en contra

~

de sus gradientes de concentración.

mFIGURA 5-19 Transferencia de energía en las células vivas transportadores GLUT movilizan a la glucosa hada adentro o hacia fuera de las células, en función de su gradiente de concentra·

mFIGURA 5-18 Mecanismo del transportador SGLT E:rte transportador utiliza la energ!a potencia! almacenada en el gradiente de concentración de Na+ para movl!izar a la glucosa en contra de su gradiente de concentración. trada de glucosa a la célula en contra de su gradiente de concentra· dón, lf:COplada al movimiento de Na+- hada el interior de la célula a favor de su gradiente de concentración. ¿Por qué tiene el cuerpo un transportador GLUT para la difusión facilitada y un cotransportador simportador SGLT Na+-glucosa? La respuesta sencilla es qUe los transportadores GLUT se encuentran en todas las células, mientras que los simportadores Na+-glucosa están restringidos a las células que ingresan glucosa hacia el interior del organismo desde el ambiente externo. Los

dón. Por ejemplo, cuando los niveles de glucemia son· elevados, los transportadores GLUT de las células hepáticas ingresan glucosa hada dichas células. Durante los periodos de ayuno, cuando caen los niveles de glucemia, las células del hígado convierten sus depósitos de glucógeno en glucosa. Cuando la concentración de glucosa dentro de las células hepáticas aumenta y excede a la concentradón de glucosa en el plasma, la glucosa abandona las células por los transportadores GLUI' reveisibles. Por el contrario, el simportador SGLT puede movilizar al sustrato sólo hada el inte. rior de la célula, puesto que la glucosa debe seguir el gradiente de Na•. En consecuencia, los simportadores SGLT se encuentran en las células epiteliales que captan glucosa hada el interior del or~mo desde el ambiente externo. La utilizadón de energía para impulsar el transporte activo se resume en la figura 5-19 o. El organismo importa energía del ambiente en los enlaces químicos de nutrientes como la glucosa Esta energía se transfiere a los enlaces de alta energía del ATP a .través de la fosforiladón oxldativa en las mitocondrias {1iill p. 108). La energía del ATP se utiliza luego para abastecer al transporte activo primario o para, crear gradientes de conceni.Iadón de iones para el transporte activo secundario. Por ejemplo, la N+-K+-ATPasa empuja al sodio hada fuera de la célula y al potasio hacia su interior. Amedida que

sucede esto, la energía del ATP se transforma en energía pOtencial almacenada en los gradientes de concentradón de iones. Esta energía potencial· puede ser utilizada por varios cotransportadores depeÍldientes de sodio, como el transportador W-K+-2Cl- (NKCC). La energía cinética del Na+ moviéndose hada el interior de la célula a favor de su gradiente de concentración está vinculada con el movimiento de K+ y ct hada la célula en contra de sus gradientes de concentración. A medida que el lector estudie los diferentes sistemas del ruerpo, encontrará que estos transportadores activos secundarioS partidp~ en muchos procesos fisiológicos.

,,_R!!¡VISIÓN ¡;i'~;t\1;~8. Enu~ere

lf;fJ'' ,

dos formas por !as que el transporte activo me-

diado por la Na"-K+·ATPasa (Fig. 5-17) difiere del transporte activo secundario dado por el SGlT (Fig. 5-18}. Respuesta en !a p. 112

El transporte mediado por proteínas transportadoras exhibe especificidad, competenda y saturadón Las fonnas pasiva y activa de transj;lqrte mediado por proteínas transportadoras muestran tres propiedades: especificidad, competencia y saturación. Estos coÍlceptos fueron presentados en el análisis de las interacciones entre proteínas ( g@ p. 43) y reflejan la unión de un sustrato a una proteína.

1

146

Transporte. mediado por proteínas

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

mFIGURA 5-21/nhibición colilpetitiva

1

LOCAI.IZACÓN TISULAR

GLUT1

(llucosa y Otras hexosas

Mayoría de los tejidos del cuerpo

GLUT2

G!uco~a y otras

H[gado y epitelio de transporte de intestino y riñón

Gltll:S

GlucóSa y otras hexOsas

Neuronas

GLUT4

G!uto~ (regula~o-¡Wr Insulina)

Tejido adiposo y múSculo esqueléticO

GLUT~

. ~ructósa.

~GtUTó a GLUT12 contim'ia~

Epitelio intestinal

Úquld~ fn~u/ar.

bajo investigadón

Especificidad Como se indicó en el capítulo 2, la especificidad es la capacidad de un -'transportador de movilizar sólo una molécula o sólo un grupo de moléculas estrechamente relacionadas. Un ejemplo de especificidad se observa. en la familia de transportado· . res GLUT, que movilizan sólo azúcares de seis carbonos (huosas), como glucosa, manosa, galactosa y fructosa (~p. 27), a través de las membranas celulares. Los transportadores GLUT tienell sitioS de unión qu.e reconocen y transportan h~qsas, pero no transpor· tarán <&sacárido maltosa o cualquier forma de glucosa qUe no se presente normalmente en la naturaleza. Por lo tanto, puede decir· se que los transportadores GLUT son específicos para los mono_.. sacárldos de seis cárbonos naturales. Dutante muchos años, los científicos dieron por sentado que debían existir düerentes isoformas del transportador de glucosa, puesto que habían observado que el transporte de glucosa estaba regulado por hormonas en algunas células pero no en otras. Pero en la década de 1980 se aisló el primer transportador de glucosa, y hasta el_momento se han identificado los genes de alrededor de 12 transportadores de difusión facilitada de glucosa y cinco pro_.. teínas GLUT han sido estudiadas detalladamente (cuadro 5-4 liil}. Las proteínas denominadas GLUT6 a GLUT12 están siendo investigadas aún. La resnicóón de los diferentes transportadores GLUT a distintos tejidos es una característica importante en el metabo_.. lismo y la homeostasis de la glucosa. Competenda La propiedad de colilpetenda está estredlamente reladonada con la especificidad. Un transpo¡tador puede movili· zar varios miembros de un grupo relacionado ·de sustratos, pero dichos sustratos competirán e"ntrní por los sitios de unión del transportador. Por ejemplo, los transportadOres GLUT movilizan a la familia de hexosas, pero cada subtipo de transportador GLliT diferente tiene "preferendan por una o más hexosas, basada en su afinidad de unión. Los resultados de un experimento que demuestra la campe· tenda se presentan en la figura 5·20 li!l. El gráfico muestra la velocidad de transporte de glucosa en fundón de la concentración de glucosa. La curva superior repreSenta el transporte cuando sólo la glucosa está presente; la curva inferior muestra qué le suce. de al transporte de glucosa si también hay galactosa presente. Puesto que la galactosa compite por los sitios de-unión de los transportadores GLUT, desplaza a algunas moléculas de glucosa¡"

{b}

del transporte cJ.e glucosa En este caso, el inhibidor es el disacárido maltosa, una molécula mucho más grande que la glucosa.

SUSTANOAS iRANSPORTADAS

hexosas

{a)

· 147

la maltosa es un tnh!b!dor competitivo que se une al transportador GWT. paro no puede ser transportada · a través de !a membrana.

El transportador GLUT movmz:a !a glucosa a través de las membranas celulares.

y en consecuencia disminuye la velocidad de transporte de gluco_.. sa hada el interior de las células. Aveces, la molécula que compite no es ttansportada sino simplemente bloquea el transporte de otra sustancia. Eil este caso, la molécula competidora es un inhibidorcompetitivo ( g@ p. 41). En el sistema de transporte de la glucosa, el disacárido maltosa es. un inhibidor competitivo (Fig. 5-21 §). Compite con la glucosa por el sitio de unión, pero una vez unida es demasiado grande para ser movilizada a través de la membrana. La competencia entre los sustratos transportados ha sido em· pleada con gran utilidad en la medicina. Un ejemplo es la gota, una enfermedad causada por niveles elevados de áddo úrico en el plasma. Un método para disminuir el ácido úrico plasmático consiste en facilitar su excredón en la orina. Normalmente, el transportador renal de aniones orgánicos (AOT) del riñón recupera el ácido úrico de la orina y lo regresa al plasma. Sin embargo, si ;¡e administra al padente un ácido orgánico llamado probenecid, el AC!f se une al probened.d en lugar de al ácido úrico e impide la reabsor· ción de éste. Como resultado, más ácido úrico abandona el organismo en la oñna y se reduce su concentración en el pl_asm<;t.

10 Concentración de glucosa (mM)

mFIGURA 5-20 Representaáón gráfica de la competenáa en el transporte · Este gráfico muestra la velocidad de transporte de glucosa en función de la concentración de glucosa. En un experimento, sólo estuvo presente la glucosa. En el segundo experimento se agregó una concentración constante de galactosa.

Saturación La velocidad de transporte de un sustrato depende tanto de la concentración del sustrato como del número de moléculas del transportador, una propiedad compartida por. las enzimas (~p. 98). Sin embargo, para un número fijo de trans· portadores, a medida.que aumenta la concentradón de sustra· to la velocidad de transporte se incrementa hasta un máximo, punto en el cual todos los sitios de unión del transportador es· tán ocupados con sustrato. En este momento, se dice que los transportadnres han alcanzado la saturación. En la saturadón, los transportadores trabajan a su velocidad máxima, y el au·mento adicional de la concentración de sustrato no tendrá ningún efecto. La figura S-22llil muestra una representación gráfica de la saturación. A modo de analogía, imagínese a los transportadores como puertas en una sala de conciertos. Cada puerta tiene un núme* ro máximo de personas que pueden pasar a la sala en un perío_.. do de tiempo dado. Supóngase que todas las puertas en conjun· to permiten que un máximo de 100 personas por minuto ingre· sen a la sala. Ésta es la velocidad de transporte máxima, también denominada transporte máximo. Cuando la sala de conciertos está vacía, 'tres empleados de mantenimiento ingre· · san por las puertas cada hora. La velocidad de transporte es de 3 personasl60 minutos, o 0,05 personas/minuto, bien por de· bajo del máximo. Para un recital de danzas regionales, alrededor de SO personas ingresan por las puertas por minJ,rto, aún bien por debajo del máximo. Cuando el grupo de rack más popular del momento aparece en concierto, sin embargo, miles de personas se reúnen afuera. Al abñrse las puertas, miles de personas gritan para poder entrar, pero las puertas permiten el in* greso a la sala de sólo 100 personasJminuto. Las puertas trabajan a la velocidad máxima, de manera tal que no importa si hay 1 000 o 3 000 personas tratando de entrar. La velocidad de transpórtese satura a 100 personas/minuto. ¿De qué manera pueden las células aumentar su capaddad de transporte y evitar la saturación? Una alternativa es incre-mentar el número de-transportadores en la membrana. Esto se* rla semejante a abñr. más puertas en la sala de conciertos. En det~adas ctromstancias, las células son capac~ de insertar

transportadores adicionales en sus membranas. En otros casos, una célula puede deshacerse de transportadores a fin de reducir el movimiento de una molécula hada adentro o hada afuera de la célula. Todas las formas de transporte mediado por transportadores exhiben especificidad, competencia y saturación pero, como se estudió anteriormente en el capítulo, difieren también en un aspecto importante: el transporte mediado pasivo -más conocido como difusión facilitada- no requiere el aporte de energía de una fuente externa; el transporte activo requíere· el aporte de energía del ATP, ya sea directa o indirectamente.

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1

Concentración extraceiular de sustrato -:--+ La velocidad de transporte es proporcional

a la concentración da. sustrato hasta que ros transportadores se saturan.

El FIGURA 5-22 Gráfico que muestra la saturad6n del transporte mediado por úansportadores

1

148

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

Transporte de vesículas

149 ·

ISIÓN 19. ¿Cómo denOminarla a un transportador,RUe moviliza a dos sustratos en direcciones opuestas a través de una membrana? 20. En _la analogía con las puertas de una sala de concier·

1

tos, se describió cómo puede aumentarse la velocidad de transporte máximo mediante el incremento del riú· mero de puertas que conducen a la sala. Empleando !a misma analogfa, ¿puede sugerir otra manera por !a cual una célula pueda aumentar su velocidad de trans-. porte máximo? Respuestas en la p. 172

®

so.

La fagocitosis crea veslcu/as uSando el dtoesqueleto Si el lector estudió -¡as Amoeba en ellaboratorto de biología,

habrá observado a estas criaturas unicelula!es ingerir sus alimentos rodeándolos e incluyéndolos en una vesiéula que se introduce en el citoplasma. La fagocitosis (phagein; Comer¡ cyte, célula; -sis, proceso) es el proceso mediado por actina por el cual una célula engloba a una bacteria u otra partícula dentro de una gran vesícula unida a la membrana denominada fagosoma (soma, cuerpo). El tagosoma se desprende de la membrana celular y se desplaza hada el interior de la célula, donde se fusiona con un Ji. sosoma ( §il" p. 66}, cuyas enzimas digestivas destruyen a la bacteria. La fagodtosis requiere energía del ATP para el mOVimiento del citoesqueleto y para el transporte intracelúlar de las vesículas. En los seres humanos, la fagocitosis ocurre sólo en determinados tipos de glóbulos blancos deÍJ.bminad~ fagocitos, que están especializ.ados en "ingerir" bacterias y otras partíoilas extrañas (Flg. 5-23 m).

La endocítosis produ~e vesículas más pequeñas La endocitosis, la segunda vía por la cual las grandes moléculas o partículaS se movilizan hacia el interior de las células, difie-

re de la fagocitosis en que en la endodtosis la superficie de membrana se invagina en lugar de sobresalir, y las vesículas fonnadas son mucho más pequeñas. Además, existe cierta endocitosis amstítutiva, esto es, constituye una función esencial que ocurre per· manentemente. Por el contrario, la fagocitosis debe ser impulsac da por la presencia de una sustancia que debe ser ingerida. La endodtosis es un proceso activo que requiere energía del ATP. Puede ser no selectiva, lo que permite que el líquido extrace:

1 .

"

a

TRANSPORTE DE VES(CULAS ¿Qué les sucede a las muchas macromoléculas que resultan de.. masiado grandes para ingreSar a las células o abandonarlas a través de canales proteicos o transportadores? Se desplazan bada adentro o hada afuera de la célula a través de vesículas semejantes a bw:bu· ¡as generadas en la membrana celulár. Las células util.izan dos meca· nismos básicos para importar moléCulas y partículas grandes: fago. dtosis y endodtosis. Alguna vez la fagocitosis fue considerada un tipo de endodtosis, pero a medida que los científicos aprendieron más acerca de los mecanismos subyacentes de ambos procesos ded· dieron que la fagodtosis era fuÍldamentalmente diferente.-I.as sustancias abandonan las células mediante el proceso conocido como exodtosis, un proceso similar a la endocitosis peró en sentido inver-

blan~ ;~co

8 glóbulo se ern:!H!nlta con una bacteria que se liilEI la membrana celu!at.

@~fagccito~su--~;oesqueleto para empujar su membrana

celular alrededor de la bacteria, -.

que

lo crea una gran vasfcula, el fagosoma.

-·---·

...>(;ji" ,, ~····.··

.-·-.... ·.•.'

_-,._,_, ··.·.•.··.•

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@~EÍ"tagosornaque:~

ci Complejo d9 GO!g!

:a !a bacterlasesepara~e !a Jl'lélllb!ana celular yse desplaza hada el citoplasma.

. ·i@;t

8 FIGURA 5--24 Endodtos;s mediada por receptor y exoátos;s los pasos 1 a 4 ilustran la endodtosis; los pasos 7 a 9 representan la exocitosis.

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E'fagosomasefuslonacon

--- los .... '""""'..as que contienen enzímas: digestivas. 1 . ... _.--·-.

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fiil FIGURA S..23

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@f. y~bacteria es~= digerida dentro 'de!av~ra.

Fagodtosis

lular ingrese a la célula -un proceso denominado pinocitosis (pi~ no, beber}- o puede ser altamente selectiva, permitiendo que sólo moléculas específicas ingresen a la célula. Dos tipos de endocitosis requieren que un ligando se una a un receptor proteico de la membrana: la endodtosis mediada por receptor y la potodtosis. Endodtosis mediada por receptor La endodtosis mediada por

receptor ocurre en regiones de la membrana celular conocidas como fositas recubiertas de datrina, invaginaciones en las que el lado dtoplasmático de la membrana tiene altas concentrado- · nes de la proteína clatrina (Fig. 5-24 m). En el primer paso del pro. ceso, los ligandos extracelulares que serán incluidos dentro de la célula se unen a sus receptores de membrana (paso
membrana permanece igual durante todo el proceso de endoctto. sis y reciclado. La superficie extracelular de la membrana se convierte en la cara interna de la membrana de la vesícula. ... La endodtosís mediada por receptor transporta uha variedad de sustancias al interior de la célula, como hormonas proteicas, factores de crecimi.ento, anticuezpos y proteínas plasmáticas que sirven de transportadores de hierro y colesterol. Las anormalidades en la elin:¡inación del colesterol de la sangre mediada por re.. ceptor se asocian con niveles elevados de colesterol plasmático y con enfermedad cardiovascular. Potodtosis y caveolas La forma de endocitosis conocida como potodtosis se distiniue de la endocitosis- mediada por receptor por el hecho de que la potodtosis utiliza caveolas ("pequeñas cuevas") en lugar de fositas recubiertas de clatrina para concentrar las moléculas unidas a receptor y llevarlas al interior de la célula. Las caveolas son regiones de membrana con balsas lipídicas ( ii:l!! p. 57), receptores proteicos de membrari~ y una familia de proteínas de membrana singulares denominadas caveolirias. Los receptores presentes en las caveoias son proteínas ancladas a lípidos. En muchas células, las caveolas aparecen como pequeñas indentadones de la membrana Celular.

150

Transporte transepite!ia!

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

1

empieza con un aumento de la concentración de Ca?-+ intracelular, que actúa como seftal. El eaz.. interactúa con una proteína que mide su concentración e inicia el anclaje y la fusión de ]a ve-. sícula secretora. Cuando el área fusionada de la membrana se abre, el contenido de la vesícula difunde hada el espado extrace· lular, mientras que la membrana de la vesícula se queda atrás y se toma parte de la membrana celular. Al igual que la endodtosls, la exocitosls requiere energía bajo la forma de ATP. La exodtosls ocurre de manera continua en algunas células, lo que la transforma en un piOceso constitutivo.Por ejemplo, las células caliciformes (~p. 75) del intestino liberan continuamente moco mediante exodtosis, y los fibroblastoS del tejido conectivo liberan colágeno ( ¡¡'¡3 p. 77). En otros tipos celulares, la exodtosls es un proceso intermitente que se inicia por medio de una señal. En muchas células endocrinas, las hormonas se almacenan en vesículas secretmas en el citoplasma y se libelan en respuesta a una señal proveniente del exteñor de la célula. La exodtosis es también el medio por el cual las proteínas de membrana pueden in· sertatse en la membrana celular, como se muestra en la figura 5· 24. Usted encontrará muchos ejemplos de exodtosls durante el estudio de la fisiología.

"REJÍÜIÓN f)LA21. ¿En qué difiere la fagocitosis de la endocitosis? f'!{;f 22. Enumere las dos famiflas de protelnas de membrana asodadas con la endodtosis. 23. ¿De qué maneJa movilizan las células las protelnas grandes hada su interior? ¿Y hada el exterior de la célula? Respuestas en la p. 172.

Las caveolas tienen varias funciones: concentrar e intemallzar moléculas pequeñas, contribuir en la transferencia de macromoléculas a través del endotelio capilar (véase Ftg. 5·27) y participar en la señálizadón celular. Las caveolas parecen estar involucradas en algunos procesos patológicos, como las infecciones virales y parasitarias. Dos formas de la enfermedad distrofia muscular están asociadas con anormalidades ell" la proteína caveolina. Actualmente, los científicos están tratando de descubrir más detalles acerca del papel de las caveolas en la fisiología nonnal y en la fi. siopatología.

La exocitosis libera moléculas demasiado grandes para las proteínas de transporte La exodtosis es lo opuesto a la endodtoSis. En la exodtosis, las vesículas intracelulares se desplazan hada la membrana celular, se fusionan con ella (Fig. 5-24, ®}y luego liberan su conteni· do al líquido extracelular ®.Las células utilizan la exodtosls para exportar moléCulas lipófobas grandes, como las proteínas sinteti· zadas en la célula, y para desprendeiSe de los desechos que permanecen en los lisosomas luego de la digestión intracelular. El proceso por el cual se fusionan las membranas de la célula y de la vesícula es similar en varios tipos celulares, desde las neuronas hasta las células endocrinas. La ·exocitosis involucra a dos familias de proteínas: Rab, que contribuyen en el anclaje de las vesículas a la membrana, y SNARE, que fadlitari la fusión de membranas. En la exodtosis regulada, el proceso generalmente

TRANSPORTE TRANSEPITELIAL Todos los procesos de transporte descritos en las secciones pre.. vias se ocupan del movimiento de las moléculas a través de una úni· ca membrana: la de la célula. Sin embargo, todas las moléculas que

ingresan al organismo y lo dejan a través de un epitelio deben atta· vesar dos membranas celulares. Las moléculas cruzan la primera "membrana cuando se desplazan hada el inteñor de una célula epi. telial desde el ambiente externo, y atraViesan la segunda cuarido dejan la célula epitelial para ingresar al úquido extracelular. El movimiento a través de las células epiteliales, el transporte transepitellal, utiliza una combinación de transporte activo y pasivo. Los epitelios de transporte del intestino y del riñón están especializados en el transporte selectivo de moléculas hada adentro y hacia afuera del otganismo.- Estas células epiteliales están conectadas entre sí mediante uniones adherentes y uniones estrechas ( ~p. 69) que actúan como barreras para minimizar la difusión no regulada de sustancias y elementos entre las células. Las utii9nes estrechas mar· can también la separación de la membrana celular en dos regiones, o polos. La superfide de las células epiteliales que se orienta hada la luz de un órgano se denomina membrana apical (apex, el punto más alto} (Flg. 5-251!1). Está frecuezitemente plegada en microvellosidades que aumentan su superllde. La membrana apical está separada del resto de la membrana celular por uniones estrechas. las tres su· perfides de la célula que se orientan hada el liquido exttacelular se denominan en conjunto membrana basolaterai (basal, base; latus, lado). La membrana apical también recibe el nombte de membrana

mFIGURA s-;.25 Células polarizadas

151

' o•o

de los epitelios de transporte las membranas apical y baso!ateral constituyen !os dos polos de la célula.

la unión~

evita el mov1mlento de sustancias entra las células.

Cé!u!aepite!ial de transporte.

La membrana basolateral m!ra hacia el líquido extrace!ufar.

•1

lo$ epitelios polarizados tienen ólferentes protefnaS dG transporte

sobro las membranas ap1ca1 y basolaternl. Esto permita el transporte dlreccfonal selectivo a través del epitelio. 8 transporte desde la luz

hacia ellfquldo emacelularse denomina absorción. 8 transporte desda elliqukk> extmcelular hacia la luz recibe el nombro de secreción.

mucosa; el término correspondiente para la membrana basolateral es membrana serosa. Se dice que las células epiteliales de transporte están polarizadas porque sus membranas apical y basolateral tienen propiedades muy diferentes. Determinadas proteínas de transporte, como la Na~-K+. ATPasa, están casi siempre ubicadas sólo sobre la membrana basolatezal, mientras que otras, como el simportador Na+-glucosa, se loca·Iizan sobre la membrana apical. Esta distribución polarizada de los transpOrtadores produce el movimiento unidirecdonal de ciertas moléculas a través del epitelio. El transporte de sustancias desde la luz de tm órgano hada el líquido extracelular se denomina absorción. Este proceso es el opuesto de la secredón, que constituye el movimiento de sustancias-desde el líquido extracelular hacia la luz. las células de los epitelios de transporte pueden alterar super~ meal5llidad mediante la inserción o la eliminación selectiva de proteínas de membrana. Los transportadores que son quitados de la membrana pueden ser destruidos en los llsosomas almacenados en vesículas dentro de la célula, disponibles para ser reinsertados en la membrana en respuesta a una sefial (otro ejemplo de reciclado de membrana). El movimiento transepitelial de moléculas requiere que las moléculas ingresen en primer lugar a una célula epitelial y luego la abandonen. Si la molécula puede ser transportada a través de tm ca· nal proteico o por transportadores, entonces el proceso de dos pasos tiene generalmente un paso '"'cuesta arriba" que demanda.energía y un paso "cuesta abajo" en el cual la molécula se desplaza pasiva· mente a favor de su gradiente. las moléculas que resultan demasiado grandes para movilizarse atravésde.proteínas de membrana pueden ser transportadas a tnvés de la célula én vesículas.

El transporte transepitelial de glucosa utiliza proteínas de membrana La movilización de glucosa desde la lUz de los túbulos renales o del ~testino hada el líquido extracelular es un ejemplo impor·

tante del movimiento direccional a través de un epitelio de trans. porte. El movimiento transepitelial de glucosa involucra tres sistemas de transporte: el transporte activo secundario de glucosa con Na+ desde la luz hada la célula epitelial en la membrana apical, seguido del movimiento de Na~ y glucosa hada el extérior de la célula y hada el líquido extracelular sobre el lado basolatezal de la célula. El sodio se desplaza hada fuera por transporte activo primario a través de una Na+.K+·A'IPasa, yla glucosa abandona la célula por difusión fadlitada.

Ósmosis y tonicidad

Capítulo 5 Dinámica de las membranas

152

La figura 5·26 ru muestra el proceso en detalle. la concentración de glucosa en la célula epitelial de transporte es mayor que la concentración de glucosa tanto en el liquido extracelular como en la luz del riñón o del intestino. Por consiguiente, la moviliza. ción de la glucosa desde la luz hacia la célula requiere el aport~ de energía; en este caso, energía almacenada en el gradiente de concentración del Na+. Los iones de sodio en la luz se unen al siroportador, como se describió previamente {véase Fig. 5-18), y arras. tran a la glucosa consigo hada el interior de la célula. La energía necesaria para movilizar a la glucosa en contra de su gradiente de concentración proviene de la energía cinética del Na+ moviéndose a favor de su gradiente de concentración. Una vez que la glucosa se encuentra en la célula epitelial, la abandona por medio de un desplazamiento a favor de su gradiente de concentración sobre el transportador GLUI' de difusión facilitada, ubicado en la membrana basolateral {® Fig. 5-26). El Na,. se bombea hada el exterior de la célula sobre el lado basolateral mediante la Na+-K+-ATPasa ®. El sodio está más concentrado en el líquido extracelular que en la célula; por consiguiente, estepaso requiere energía provista por el ATP. La eliminación de Na.. de la célula es esendal si debe continuar la absordón de glucosa desde la luz, puesto que el simporta-

1

dor Na+-glucosa depende de bajas concentradones intracelulares de Na... Si la Na+-K+-ATPasa basolateral se bloquea con QUQbaína (un compuesto relacionado con el fárm,aco digital), el Na+ que ingresa a la célula no puede ser bombeado hada afuera La concentración de Na+ dentro de la célula aumenta gradualmente hasta que se iguala con la concentradón en la luz. En ausencia de un gradiente de sodio, no existe fuente de energía para impulsar al simportador Na+-glucosa, y el movimiento de glucosa a través del epitelio se detiene. · El transporte transepitelial puede utilizar el movimiento de iones a través de canales además del transporte mediado por proteínas transportadoras. Por ejemplo, la membrana apical de un epitelio de transporte puede utilizar el simportador Na+-K+·ZCl· (NKCC) para transportar K.. hacia el interior de la célula en contra de su gradiente de concentradón, empleando la energía del gradiente de Na+. Puesto que la concentradón de K,. dentro de la célula es mayor que en el líquido extracelular, el K+ puede salir de la célula sobre el lado basolateral a través de canales permeables a K+ abiertos. El Na+ debe ser bombeado hada fuera por la Na+.K+· ATPasa. Mediante este simple mecanismo, el organismo puede absotber Na+ y K+ al mismo tiempo desde la luz del intestino o del riñón.

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~ Elslm;~~;,;~~;;ucosa!levaglucosa hacia el interior de la célula en contra de

._su gradiente de concentración empleando _la imeryla almacenada en el gradiente de · cqnceiltración de Na+

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c~:·ru·tr.ms~~:~~-~~~

élásvesf~:;:~

PR'EG UNTAS

':'!

" Vincule cada tmnsportador con su localización, 1. GLUT a) membrana apical 2. Slmportador b) memb~ basclateral Na+-glucosa 3. Na+.i(+.ATPasa " ¿Es el movimiento de glucosa a través de la membrana basolateral activo o pasivo? Explique. • ¿Porqué el movimiento de Na+ en !a membrana apical no requiere ATP?

rn FIGURA 5-26 Transporte transepitefial de glucoSa Este proceso involucra el transporte activo indirecto (secundario) de glucosa a través de la membrana apical y la difusión de la glucosa a través de la membrana baso!ateral. ·

1 <

éf-s.-~nienl~: ~;~~·~ulas

se Hbera hacia el~:~~~~~~tl~fal por exocltosis.

§FIGURA 5-27 Transdtosis a través del endotelio capilar .•.. ,R.E;~I S 1 Ó N

25. la ouabafna, un inhibidor de la Na+-K+·ATPasa, no ·puede atravesar las membranas celulares. ¿Qué le su· Cederla al transporte transepitelial de glucosa que se muestra en la figura 5-26 si se aplicara ouaba!na sobre el lado apical del epitelio? ¿Y sobre el lado basolateraf del epitelio? 26. ¿Que transportador GLUT se ilustra en la figura 5--26? (Sugerenda: véase el cuadro 54.) Respuestas en la p. 1n

~difusión facifrtada.

Célula epitelial

lacéMa

1_con la con~~~~-·~e·l-citoesqueleto.

1.-~glucosa alll.quklo éxtracelular la N-a't.K~ATP~ bombea Na+ hacia afuera de la célula, manteniendo baja !a -~ncentración de Na+ en el !fquk!o Intracelular.

~·----·--

proteínas plasmáticas se centran en las caveolas, que luego ufren endocitosis y fonnan vesículas.

~~~~~>~··

:!;y!)24. ¿Por que requiere energía el movimiento de Na+ des'· .,_. de el citoplasma hada el Uquido extracelular? Luz de riñón o intestino

153

La transcitosis emplea vesículas para atravesar un epitelio Algunas moléculas, como las proteínas, son demasiado gran·· des p¡ua atravesar los epitelios en transportadores de membrana. En su lugar, son movilizadas a través de los epitelios poi transcitosis, que es una combinación de endocitosis, transporte de vesículas a través de la célula y exodtosis (Fig. 5-27 lill). ~ este proceso, la molécula se transporta hada el interior de la célula epitelial por endocitosis mediada por receptor o potod.tosis. La vesícula resultante migra por los microtúbulos en el dtoesqueleto celu· lar y se transporta a través de la célula por un proceso conoddo como transporte de vesículas. En el lado opuesto del epitelio, el contenido de la vesícula se expulsa· ha~a el líquido intersticial por exodtosis. La transdtosis hace posible que grandes proteínas se despla· cen a través de un epitelio y permanezcan intactas. Constituye el medio por el cual los bebés absorben los anticuerpos maternos de la leche. los anticuerpos se absorben sobre la superficie apical en el epitelio intestinal del bebé y se liberan luego hada el líquido extracelular.

.-,RE·if¡ S IÓN

¡ !kf,%-27. Si se aplica un veneno que destruye los microtúbulos ',0!)-'

sobre una célula endoteliaf capilar; ¿qué sucede con fa transdtosis?

Respuesta en la p. 112

Ahora que se ha considerado cómo atraviesan los solutos las membranas celulares, se iniciará el estudio del movimiento del agua entre los compartimentos corporales.

ÓSMOSIS YTONICIDAD La distribudón de los solutos en el organismo depende de sí una SUStancia puede atravesar la membrana celular, ya sea por difusión simple, transporte mediado por proteínas o transporte de vesículas. El agua es capaz de desplazarse libremente hada adentro y hada afuera de casi cualquier célula en el organismo, atra· vesando canales iónicos llenos de agua y canales de agua _especiales creados por la proteína acuaporina. En esta sección se estudia la reladón entre el movimiento de solutos y el movimiento del agua- a través de las membranas celulares, un tema que suministra las bases para la utllizadón clínica de la terapia de líquidos intravenosos (IV).

El cuerpo e~ prindpalmente agua El agua es la molécula más importante en el cuerpo humano, puesto que constituye el solvente para toda la materia viva. Cuando se busca vida en partes diStantes del sistema solar, una de las primeras preguntas que se plantean Ios·ctentíficos acerca de un planeta es: "¿Dispone de agua?". Sin el agua, no puede existir la vida tal como la conocemoS. ¿Cuánta agua hay en el cuerpo humano? Debido a que un in· dividuo es distinto de otro, no existe una única respuesta Sin embargo, en fisiología humana se habla frecuentemente de valores estándar para fundones fisiológicas, basados en "el hombre de 70

154

capítulo 5 Dinámica de las membranas

Ósmosis y tonicidad

kg". Estos valores estándares derivan de los datos obtenidos del estudio de hombres blancos jóvenes cuyo peso promedio era de 70 kg. Asi, cuando se habla de valores estándares o promedio en fisiología, recuérdese que dichos números deben éstar ajustados a edad, sexo, peso y origen étnico del individuo en estudio. En un hombre "estándar" de 70 kilogramos el60% de su peso corporal total, o 42 kg, es agua. Cada kilogramo de agua tiene un volumen de 1 litro, de manera tal que el agua corporal total es de 42 litros. ¡Esto es el equivalente de 21 botellas de dos litros de refresco! Las mujeres tienen menos agua por kilogramo de masa corporal que los hombres porque tienen más tejido adiposo. Ob· sérvese nuevamente la figura 3-31 y nótese cómo las grandes gotas de grasa del tejido adiposo ocupan la mayor parte de la célula, desplazando al citoplasma, más acuoso. La edad también · influye sobre el contenido de agua corporal. Los bebés tienen relativamente más agua que los adultos, y el contenido de agua decrece en los individuos después de los 60 años. El cuadro 5-5 rn muestra el contenido de agua como porcentana en respuesta a un gradiente de concentración de soluto se deje del peso corporal total en pmonas de varias edades y de amnomina ósmosis. Durante la ósmosis, el agua. se desplaza para dí· bos sexos. En la práctica clínica, resulta necesario tener en cuenluir la solución más concentrada Una vez que las concentraciota la variabilidad del contenido de a"gua corporal cuando se presnes se igualan, se detiene el movimiento neto de agua. criben medicamentos. Puesto que las mujeres y las personas de Obsérvese el ejemplo que se muestra en la figura 5·29 mi, en-el mayor edad tienen menos agua corporal, tendrán mayor concencual dos compartimentos de igual volumen están separados por tración de un agente en el plasma que los hombres jóvenes, si a una membrana con penneabilidad selectiva, que es permeable al todos ellos se les administra igual dosis pOi kilogramo de masa agua pero que no permite el paso de la glucosa. En úl, los comparcorporal. timentos A y B contienen volúmenes iguales de soluciones de gíu. la distribución del agua entre los compartimentos del orgacosa. El compartimento B tiene más soluto (glucosa) por volumen nismo es menos variable. Cuando se analizan los volúmenes relade solución y, por consiguien~, resulta la solución más concentivos de los compartimentos corporales, el compartimento intratrada. Existe un gradiente de concentración para la glucosa a tra~ celular contiene alrededor de dos tercios (67%) del agua corporal vés de la membrana, pero ésta no es permeable a la glucosa, que (Fig. 5-28 §).El tercio ¡estante (33%) se divide entre el líquido inno puede difundir para igualar su distribución. tersticial (que contiene alrededor de 75% del agua extracelular) y Por el otro lado, el agua puede atravesar la membrana libreel plasma (que contiene alrededor de 25% del agua extracelular). mente. Se desplazará por ósmosis desde el compartimento A, que contiene la solución de glucosa diluida, hada el compartimento B, que contiene la solución de glucosa más concentrada. Así, el agua El cuerpo está en equilibrio osmótico se moviliza para diluir a la solución más concentrada (Fig. -S-29, ®). El agua puede desplazarse libremente entre las células y el li¿Cómo puede medirse cuantitativamente la ósmosis? Un méquido extracelular, y se distribuirá hasta que las concentraciones todo se representa en la figura 5·29, ®. Colóquese un pistón.den· de agua sean iguales en toda la extensión del organismo; en otras t;ro del compartimento B, qUe tiene una concentración de soluto palabras, hasta que el cuerpo se encuentre en un estado de equimás alta que el compartimento A. Al presionar sobre el pistón, librio osmótico. El movimiento de agua a través de una membrapuede evitarse que el agua .fluya desde A hada B. la presión que debe aplicarse al pistón para contrarrestar exactamente el movi· miento osmótico del agua hacia el compartimento B se conoce como p.tesión osmótica de la solución B. Las unidades para la presión osmótica, al igual que para otras presiones en fisiología, son las atm6s(eras (atm) o los milímetros de mercurio (mm Hg)."

1

EDAD

"HOMBRE.

MUJER

Bebé

. 65%

65%

1-9

62%

62%

11)-16

59%

57%'

17..;39

61%

. 51%

40-ó9

55%

47%

6ll+

52%

46%

Maptado de fOO!man y leibman, Ameri(;;n Jwmai of Medldné n;· 256-iri, 1939

100%-r-~----,-----------,

Plt'EGUI\!TAS " Con el volumen dellfquk!o

extracelu!ar que se muestrá aquí,

~

calcule los volúmenes del plasma y dellfquido intersticial. o ¿Cuál es el volumen total da agua corporal de esta individuo? o Utilfce sus respuestas a las dos preguntas anteriores para calcular el porcentaje da agua corporal total en el plasma y en ellfquldo intersticial.

1----· Uquido

intracelular

Lk¡uido extrace!u!ar

ffi FIGURA 5-28 Distribución del volumen de agua en los tres compartimentos Jlquidos del organismo

Esta figura muestra los volúmenes de los compartimentos para el hombre "estándar~ de 70 kg.

bos compartimentos están sepamdos por una membrana ·permeable al agua pero no aJá glucosa.

\¡¡

'

Se aplica una fuelza sobra B, . para oponerse exacta.rrwnta a !a ósmosis desde A hacia B.

La osmolaridad describe el número de partlculas en

solución Otra manera de predecir de forma cuantitativa el movimiento osmótico del agua es conocer las concentraciones de las soludones con las cuales se está trab
como el número de moles de soluto disuelto po.t litro de solución (mol/L). Recuérdese del capítulo 2 que un mol es 6,02 x 1()23 moléculas ( ;¡¡ p. 36). Sin embargo, el empleo de la molaridad para la descripción de las concentraciones biológicas puede resultar engañoso. El factor importante para la ósmosis es el número de partfcuias en un volumen de solución dado, no el núme.to de moléculas. ·Puesto que algunas moléculas se ~ocian en iones cuando se disuelven en una solución, el número de partículas en soludón no es siemp.te igual al núm~o de moléculas.. Por ejemplo, una molécula de glucosa· disuelta en agua corresponde a una partícula, pero un NaO disuelto en agua origina dos iones (partículas): Na* y a-. El agua se desplazará osmóticamente en respuesta a la concentración total de partículas en la solución. Las partículas pueden ser iones, moléculas no cargadas o una mezcla de ambos. En consecuencia, la concentración de las soluciones biológi· cas se exp¡esa'como osmolaridad, el número de partículas (iones o molérulas intactas) po.t litro de solución. La oSmolaridad se expresa en osmo(es po.t litro (osmol/L u OsM) o, para algunas pocas soluciones fisiológicas, miliosmoles/litro (mOsM). Para realizar la conversión entre molari.dad y osmolaridad, utilícese la ·siguj.ente ecuadón: molaridad (molJL) x núme.to de partícu4ls/molécula =osmolaridad (osmol/L)

f':'&P~Ión Osmótica es !a presión ! Que debe aplicarse a 8 para Contraitestar !a ósmosis.

• Una presión de 1 mm Hg es equivalente a la presión lúdrostática ejetdda sobre una superfide de 1 cmz por una columna de me!CUrlo de 1 mm de altura.

155

EiJ FIGURA 5-29 ósmosis

y p~ión osmótica

Obsérvense ahora dos ejemplos, glucosa y cloruro de sodio, y compárese su molaridad con su osmolaridad. Un mol de moléculas. de glucosa disuelto en agua suficiente para generar 1 litro de solución origina una solución 1 mola.t

1

156

Capítulo 5 Dinámica de !as membranas

Ósmosis y tonicidad

=

SOlUOóN A= 1 OSM GLUCOSA

SOLUOÓN B 2 OsM GLUCOSA

SOLUOÓN C:: 1 OsM NaCL

A es hiposmolar respecto de B

B eS-hipEiiOsmo!ar respecto ~e B

e es ísosmolar respecto de A

A es isosmo!ar respecto de C

B es hipe'roSrilo!ar resp~cto de C

e es hiposmolar respecto de B

(1M}. Puesto que la glucosa no se disooa en soluaón, la soluctón posee sólo un mol de partículas osmóticamente activas:

1

1 M glucosa x 1 partícula por molécula de glucosa

=1 OsM glucosa

A düerencia de la glucosa, el cloruro de sodio se disoaa en dos iones ruando se enruentra en solución.' Así, un mol de NaCl se disocia en solución para producir dos moles de partículas: un mol de Na+ y un mol de CI-. El resultado es una solución 2 OsM:

1 M NaCl x 2 iones por NaCI = 2 OsM NaCl

La osmolaridad describe sólo el número de partículas en la solución. No dice nada respecto de la composición de las partículas. Una solución 1 OsM podría estar constituida por glucosa pura o por Na+ y ct puros, o por una mezcla de los tres. · La osmolañdad p.ormal del cuerpo humano está entre 280 y 296 miliosmOles poditro (mOsM}. Para simplificar las eruaciones; en este libro se redondeará tal cifra levemente hada arnba a 300mOsM. Un término relacionado con la osmolaridad que usted puede oír es la osmolalidad. La osmolalidad es la concentración expresada como osmoles de soluto por kilogramo de ·agua. Puesto que las soluciones biológicas son diluidas y que el Soluto aporta sólo una pequeña parte de su peso, los fisiólogos utilizan a veces los términos osmolaridad y osmolafidad indistintamente. La osmolali· dad se emplea con frecuencia. en situaciones clínicas porque resulta fácil estimar el contenido de agua corporal de los individuos mediante la determinación de su peso.

,_"'R~g~ISIÓN

. ~~)-t%28. Una madre lleva a su bebé a la sala de emergencias ~:]f porque presenta diarréa y vómitos desde hace dos d[as. El personal pesa al bebé y deterniina que ha per· dido 1 kg de peso. Si se- da por sentado que toda la pérdida de peso se debe a la pérdida de agua, ¿qué volumen de agua h?l perdido el bebé? Respuesta en !a p. 172

Coinparadón de· las osmolaridades de dos soluciones La osmolaridad es una propiedad de cada solución. Pueden comparatSe las osmolaridades de distintas soluciones siempre y cuando las concentraciones estén expresadas en las mismas unidades, por ejemplo, _como miliosmoles por litro. Si dos soluciones contienen el • A los fines de este análisis, se datá por mttado que todos los so!utos que pueden disociarse !o hacen wmpletamente (dlsodación rompleta). la verdad=. ronstan· te de dlsodadón del NaO es de alrededor de 1,8.

mismo número de partículas de soluto por unidad de volumen, se dice que las soluciones son isosmolares {iso-, igual). Si la solución A posee una osmolartdad mayor (contiene más partículas por unidad de volumen, es más concentrada) que la solución B, se dice que la solución Aes hiperosmolar réspecto de lil. solución B. En el mismo ejemplo, la solución B, con menos osmoles por unidad de volumen, es hiposmolar respecto de la solución A. El cuadro 5-6 mmuestra algunos ejemplos de osmolaridades comparativas. La osmolaridad es una propiedad coligativa de las soluciones, lo rual significa que depende estrictamente del número de partículas por litro de solución. La osmolaridad no hace referencia a qué partículas son o cómo se comportan. Antes de que pueda pi'edecilse si la ósmosis tendrá lugar entre dos soluciones cualesquiera divididas por una membrana, deben conocerse las propiedades de la membrana y de los solutos a ambos lados de ella. Si la membrana es permeable sólci· al agua y no a ci.talquier otro. soluto, el agua se desplazará por ósmosis desde una solución menos concentrada (hiposmótica) hada una solución más concentrada (hiperosmótica), como se ilustra en la figura S-29. Sin embargo, la mayoría de los sistemas biológicos no son tan simples. Las membranas biológicas son selectivamente permeables y penniten que algunos solutos las atraviesen, además del agua. Pa· ra predecir el movimiento de agua desde y hada las células, debe conocerse la tonicidad de la solución, que se explicará en la próxi· masecdón.

La tonicidad (tJmíkos, concerniente al estiramiento) es un térmi· no fisiológico utilizado para describir una solución y c6mo ésta afee. ta al volumen celular. Si una célula colocada en la solución gana agua y se hincha, se dice que la solución es hipotónica para la célula. Si la célula pierde agua y se encoge ruando se la coloca en Ia solución, se dice que la soludón es hipertónica. Si la célula no cam,bia su tamaño en la solución, ésta es !sotóJJ.ica (cuadro S-7 m). Por convención. siempre se expresa. la tonicidad de la solución con respecto a la célula. La tonicidad describe el volumen celular una vez que la célula ha alcanzado el equilibrio con la solúctón. Entonces, ¿en qué difieren la tonicidad y la osmolaridad? 1. La osmolaridad describe el número de partículas de soluto disueltas en un volumen de solución. Tiene unidades como osmoles!litro. La osmolaridad de una solución puede medirse con un aparato llamado osm6metro. La tonicidad no tiene unidades; se trata sólo de un término comparativo. 2. La osmolaridad puede utilizarse paza comparar dos soluciones cualesquiera, y la relación es reóproca (la solución Aes

las) pueden ingresar a la célula, se denominan solutos penetran. tes. Las partículas que no pueden atravesar la membrana celular reciben el nombre de solutos no penetrantes. La tonicidad depende solamente de la concentración de los solutos no penetrantes. Veamos por qué esto es cierto. Primero, alguna información preliminar. El soluto no penetrante más importante en la fisiología es el NaCJ. Si se coloca una célula en una solución de Naa, el Na+ y el a- no atravesarán la membrana hada el interior de la célula. (En realidad, unos pocos iones Na+ podñan escaparse, pero son transportados inmediata· mente de regreso al líquido extracelular por la Na+-K+~A1Pasa. Por consiguiente, se considera al NaQ un soluto fimáonalmente no penetrante.) Por convención, se da por sentado que las células están llenas con otros tipos de solutos no penetrantes. En otras palabras, los solutos del interior de la célula son incapaces de abandonarla, siempre y cuando permanezca intacta la membrana ceiuloir. Ahora estamos en condiciones de ver por qué la osmolaridad sola no puede utilizarse para predecir la tonicidad. Supóngase que se conocen la composición y la osmolaridad de una solución. ¿Cómo puede imaginarse la tonicidad de la solución sin agregar una célula dentro de ella? La clave radica en conocer las concen. tradones relativas de los solutos no penetrantes en la célula y en la soludón. Acontinuación se indican las reglas para predecir la toniddad:

·¡:

'

'

,f e

.:¡:

"f

La toniádad de una s~luáón predice el cambio Pe l(Oiumen de una célula colocada en esa solución ·

hiperosmolar para la solución B; por consiguiente, la solu· ción B es hiposmolar paza la solución A). La tonicidad compára siempre a una solución con una célula y, por con· vención, la tonicidad se utiliza para describir sólo a la solu. dón; por ejemplo, "la solución A es hipotónica para los glóbulos rojos". 3. La osmolaridad sola no indica qué le sucederá a una célula dispuesta en una solución. Por definición, la tonicidad refiere qué le sucederá al volumen celular cuando la célula Se coloque en la solución. El tercer punto resulta generalmente confuso para los. estu· · diantes. ¿Por qué no puede utilizarse la osmolañdad para predecir la tonicidad? La razón es que la tonicidad de una solución de-: pende no sólo de su concentración (osmolaridad) sino también de la naturaleza de los solutos en soiuciOn. Naturaleza de los solutos hace referencia a si las partículas de soluto pueden atravesar la membrana celular. Si las partículas de soluto (iones o molécu·

A

1

A>

l.a'célula se.tiincha · La célUla no modifica su · tamafio:.

t.

!

157

e

La célula-Se encoge .

:es h!P'ótóriicá

· ·· La. SO_!i.ictón: A

.~ ·solud.ón .~·_es is~~ónica. , :Ja:_sjil~d?ri:t

es hipjljón.ka

l. Si la célula tiene una amcentradón de solutos no penetrantes mayor que la solucián, existirá un movimiento neto de agua

hada el interior de la célula. La célula se hincha y la soludón es hipotónica. 2. Si la célula tíene una concentrad6n de solutos no penetrantes menor que la solución, existirá movimiento neto de agua hada afuera de la célula. La célula se encoge y la soludón es hiperttmica. 3. Si las concentraciones de solutos no penetrantes son iguales en la célula y en la solución, no existe movimiento neto de agua en el equilibrio. La solución es isotónica para la célula.

Véanse ahora tres ejemplos de cómo funciona esto. Los prime· ros dos ejemplos serán simples, puesto que emplean sólo solutos no penetrantes o solutos penetrantes. El tercer ejemplo mostrará cómo la combinación de solutos penetrantes y no penetrantes puede complicar la situación. La célula en la parte superior de la figura S-30a 8 contiene seis partículas de soluto no penetrante en !litro de volumen celular. El litro de solución contiene tres partículas de soluto no penetrante por litro. Como en el tubo de ejemplo. de la figura 5·29, existe un gradiente de concentración para el soluto, pero el solu. to no puede atravesar la membrana celular para equilibrarse. Existe también un gradiente osmótico, y puesto que el agua puede atravesar la membrana, el agua se desplaza hada el interior de la célula hasta que las concentraciones de Soluto se han equilibrado (parte inferior de la fiiura 5·30a). la célula gana volumen en el equilibrio, lo que significa que la solución era hipotónica para la célula. Fsto podría haberse predicho utilizando la regla 1: si lacélula tiene una concentración de soluto no penetrante más alta que la solución, habrá movimiento neto de agua hada adentro de la célula.

'

1 '

El potencial de membrana en reposo 158

159

Capítulo 5 Dinámica de las membranas ~)

¡,¡

®~® ® ® ®.•® ®

H,O

®

la célula tiene 6 NIL La solución tiene 3 NA.. El agua se mueve hacia el Interior de la c.:élula.

1

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l

·~···· >

..

•<· .••.

Una célula con 4 PIL se coloca en 1 L de agua pura.

l

Dé por sentado que todos lossolutos intracelulares son no pene-trantes 2. Comparen las osmolaridades antes de que entren en contacto la célula y la solución, porque en el equilibrio el oontenido celular y la solución fuera de la célula serán isosmolares 3. La toniddad de una solución describe el cambio de vOlumen de una célula en el equilibrio (cuadro S.7) • 4. Determine la tonicidad comparando las oonreiltradones de los_ so-lutos no penetrantes en la célula y en la so!ucíón. B movimiento neto de agua será hacia el compartimento que tiene la in'ayor concentración de solutos no penetrantes S. Una solución que es hiposmo!ar respecto de una célula será siem~ pre hipotónica 1.

penetrantes y no penetrantes. En la figura 5·3la l!l,_la célula contiene seis partículas de soluto nO penettante en· un v:olu®G®®·®·· men de llitro. El litro de solución contiene también seis partí· ® ® . ... ®..... ®.o.•.··.··.··®···.··.·.········. ® .. culas de soluto: tres no penetrantes y tres penetrantes. Pues:to < ·'® . ® • que la célula y la solución tienen las mismas concentracioriés (seis partículas por litro), son isosmóticas, y no existirá despla· Los solutos penetrantes En el equffibrlo, la célula ganó zamiento de agua inicialmente cuando se dispongan las dos abanOOMn la célula por düusióri, volumen. Por OOII$lgulente, alcanzando el equilibrio a 2 PIL juntas (Fig. 5-31b). la solución era hlpotón!ca. No existe desplazamientO de Según las reglas de tonicidad presentadas antes, compáren~ agua, de manera tal que se las concentraciones de solutos no penetrantes en la solución la solución es Isotónica. yen la célula. Los solutos no penetrantes están más concentra· mFIGURA 5-30 La toniddad depende de las concentradones dos en la célula que en la solución (seis versus tres). Por consi· guíente, se predice que el agua se desplazará desde la solución relativas de los solutos no penetrantes El agua y los solutos penetrantes pueden atravesar la membrahacia la célula, aumentando el volumen celular. Sin embargo, na celular y !legar al equilibrio, pero los sa:lutos no penetrantes la solución es isosmótica para la célula, entonces ¿qué causará no pueden hacerlo. En las fig~:~ras superiores, la "célula" y la so-· la ósmosis? Usted sabe que los solutos penetranteS se desplazan libre· lución son de 1 litro cada una. mente hada y desde el interior de las células. En este efemplo existe un gradiente de concentración para el soluto penetrante: Considérese ahora una situación en la cual una célula con un 3/L en la solución versus 0/L en la célula. Por consiguiente, el volumen de llitro tiene cuatro partículas de soluto penetrante y soluto penetrante difundirá a favor de su gradiente de ccincen· se. coloca en un litro de agua pura {parte superior de la figura 5· tradón y se desplazará hada el interiOr de la célula. Tan pron· 30b). Sobre la base de la osmolaridad sola, podría pensarse que el to como una partícula se mueva, tendremos un total de cinco agua se movería hacia el interior de la célula porque la célula es-. solutos fuera de la célula y siete adentro de ella. Este desequili· tá más concentrada. Sin embargo, existe un gradiente de caneen~ brio de soluto altera el equilibrio osiÍlótico y genera un gra· tración para el soluto, y el sol~to es capaz de atravesar la mem~ diente osmótico {Fig. 5·31c). Una vez que se forma este gra· brana celular. Por consiguiente, el soluto se mt:wWza hada afuera diente, el agua se desplaza hada el interiqi de la célula y el vode la célula mediante difusión hasta que las concentraciones de lumen celular aumenta (el movimiento de Soluto no tiene efec~ soluto en la célula y en la solución alcanzan el equilibrio (parte to significativo sobre el volumen celular). E~ movimiento de irúérior de la figura S·30b). Una vez que el soluto penetrante está agua continúa hasta que las concentraciones de solutos no peen equilibrio, la célula y la solución tilmen osmolaridades iguales netnmtes son iguales, como en la figura S~3ld. Así, en este (dos partículasffl.tro) y el movip:úento neto de agua es nulo. En esejemplo, una solución isosmótica es hipotónica porque e:I vote ejemplo, la solución era isotónica. Podría haberse predicho es· lumen celular se incrementó (regla 1). toa partir de Ia regla 3 expresada antes: si las concentraciones de Si aún no cree en estas reglas, observe el siguiente ejemplo de solutos no penetrantes son Igualey en la célula y en la solución, manera matemática. Comenzamos con 1 L de solución en lacé-no existe movimiento neto de agua en el equilibrio y la solución lula y 1 L fuera de ella, un total de 2 L, y un total de 12 partícu· es isotónica. En este ejemplo, las concentraciones, de soluto no las, lo que constituye una concentración de 6 partículas!L. El sfs.. penetrante en la célula y en la solución eran en ambos casos igual tema no ganará ni perderá soluto o agua, de manera tal que la a cero. Sin embargo, recuérdese que se supone que las células rea· concentración global permanecerá en. 6 partículas!L. Cuando se ' les-contienen siempre solamente solutos no penetrantes. coloca la célula en la solución, los dos solutos penetrantes.se;desVéase ahora un ejemplo más complejo que ·combina solutos ·-~l

sotuaóN

TA!V!BiéÑ CONOCDA COMO

OSMOLAÍIIDAD

TONICDAD

So!udón salina* 0,9%

Soludó_n salina normal o solución fisiológica

Jsosmo!ar

Isotónica

05....-{o!ución salina 0,9%

5% dextrOsa.. en solución saUna normal

Hiperosmolar

Isotónica

o,w

5% dextrosa en agua

lsOsmolar

Hipotónica

Soludón salina 0,45%

Soludóo salina al medio de su coñcentración normal

Hiposmolar

Hipotónica

0 5-soludón salina 0.45%

S% dextroSa en solución s;;lina al medio de su ooncentradón normal

Hiperosmolar

H!potónka

Membrana

Compartimento B

• solución Sil!ina "' NaCI. u Dextrosa = glucosa

plazan hada el interior de la célula, alterando el equilibrio osmótico. El agua debe ~trar a la célula de forma tal que la concentra· ción se mantenga en 6 partículas/1: 8 partículas/? Uttos = 6 partículas/L

El volwnen celular en el equilibrio ser.i de 1,33litros: 8 partículas/1,33 L= 6 partículas/L. La solución ha perdido 0,33 litros de agua que se desplazó hada el interior de la célula: 4 partículas/(!- 0,33) L = 6 partículas/L

En el equilibrio, las concentraciones de la célula y de la solu· ción serán siempre las mismas. El aprendizaje de las reglas en lugar de la dependencia de cálculos matemáticos resulta importante para situaciones díni· cas, cuando usted no conoce los volúmenes exactos para la pet· sona que necesita los líquidos. El cuadro 5·8 I!!I enumera~ reglas que le ayudarán a distinguir entre osmolaridad y toniddad. La comprensión de la diferencia entre las dos propiedades es critica para la toma de decisiones clínicas correctas acerca de la te. rapia de líquidos intravenosos (IV). En medicina, la tonicidad de una solución es una consideración importante. Un propósito de . los líquidos IV es el de incorporar agua dentro de las células.des· hidratadas (en cuyo caso se emplea una solución IV hipotónica) o el de mantener líquido en el líquido extracelular a fin de reem~ plazar la pérdida de sangre (en cuyo caso se utiliza una solución IV isotónica). La elección del líquido depende de cómo desea el médico que los solutos y el agua se distribuyan entre los compar· timentos de los liquides extracelular e intracelular. El cuadro 5-9 m enumera las soluciones IV más comunes y su osmolaridad y toni· ddad aproximadas en relación con la célula humana normal. '·

· R,E,'if! S 1ó N ~\):id;

<./-,

29. ¿Cuál/es de las siguientes soluciones tiene/n la mayor cantidad de agua por unidad de volumen: glucosa 1 M, NaO 1M o 1 Nad OsM?

30. Dos oompartimentos están separados por una membra-na permeable a agua yu~a pero no aNaCI.¿Dequé manera se desplazará el agua cuando se agreguen a !os dos compartimentos !as siguientes soluciones?

Compartimento A a)Na01M b)urea 1M e) NaCI 1 OsM

1 1 1

NaC!10sM urea 2M

1

urea 1 OsM 31. Usted tiene una paciente que perdió 1 litro de sangre y debe restaurar el volumen rápidamente mientras espera que !legue una transfusión sangufnea desde e! banco de sangre. a) ¿Qué seria mejor administrar. 5% dextros,a (otro nombre para !a glucosa) en agua o 0,9% NaCI en agua? (Sugerencia: piense acerca de eómo se distri· buyen estos solutos en el organismo.} Justifique su elección. b) ¿Qué volumen de la solución elegida deberla ad· ministrar para volver la vo!emia a! valor normal? Respuestas en !a p. 172

EL POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Muchos de los solutos del organismo, entre ellos los compues. tos orgánicos como el piruvato y el lactato, son iones, y por consiguiente portan una carga eléctrica neta. El potasio (K+) es el principal catión dentro de las células y el sodio (Na+) domina en el líquido extraceiular (véase Fig. 5-3). Los iones cloruro (CI·) permanecen en su mayoría junto con el Na+ en el líquido extracelu. lar, mientras que los iones fosfato y las proteínas con carga nega· tiva son los aniones principales del líquido intracelular. Sin embargo, el compartimento intr?-celular no es eléctricamente neutro: existen algunos aniones proteicos dentro de las células que no tienen cationes que los neutralicen, lo que otorga a las células una carga neta negativa. Al mismo tiempo, el campar· timento extracelular tiene una carga neta positiva: algunos catio- . nes del líquido extracelular no tienen aniones que los neutralicen. Una consecuencia de esta distribución dispar de iones es que los compartimentos intracelular y extracélular no están en equi· · librio eléctrico. En lugar de ello, los dos compartimentos se encuentran en un estado de desequilibrio eléctrico (m p. 131). El concepto de desequilibrio eléctrico se ha enseñado tradicionalmente dentro de los capítulos acerca de la función de nervios y múscúlos, porque dichos tejidos generan sedales eléctricas conocidas como potenciales de acción. Sin emb~rgo, uno de los des-

160

Capítulo 5

Dinámica de las membranas

cubrimientos recientes más exdtantes de la fisiología es el reco. nacimiento de que otros tipos de células también utilizan señales eléctricas para su comunicación. ¡De hedJ.o, todqs los organismos vivos, inclusive las plantas, emplean señales eléctricas! Esta sección repasa los principios básicos de la electricidad y analiza qué genera el desequilibrio eléctrico en el organismo. El capítulo concluye con un enfoque de cómo utilizan las células beta del páncreas los cambios de distribución de los iones a través de las membranas celulares para desencadenar la secreción de insulina.

El

potencial de membrana en reposo

161

{a) La célula y !a solución están en equilibrio desde el punto de vista eléctrico y qu1mk:o.

C<Ma {a) La célula y la solución tienen concentraciones iguales, es decil; son isosmolares.

!1

® ® ® @; ®. Solución ®

Revisión de electriddad Los átomos son neutros desde el punto

1

¡;;:

de vista eléctrico (~p. 20). Están compuestos por protones car-

gados positivamente, electrones con carga negativa y neutrones sin carga, pero en proporciones equilibradas, de manera tal que· un átomo no es positivo ni negativo. La extracción o la adición de electrones a un átomo generan las partículas cargadas que conocemos como iones. Hemos estudiado varios iones importantes en el cuerpo humano, como Na~, K+ y lit. Para cada uno de estos iones positivos, en algún lugar del organismo existe un electrón que lo neutraliza, que se encuentra generalmente como parte de unión negativo. Por ejemplo,.cuando el Na+ del organismo ingresa bajo la forma de NaCL el electrón ufaltante"del Na+ puede hallarse en el ct. Es importante recordar los siguientes principios cuan~o se trata con la electriCidad en los sistemas biológicos: · l. La ley de conservación de la carga eléctrica establece que la cantidad neta de carga eléctrica producida por cualquier proceso es cero. Esto indica que para cualquier carga eléctrica positiva de un ión existe un electrón en otro ión. En su conjunto, el cuerpo humano es eléctricamente neutro. 2. Las cargas opuestas (+y-) se atraen entre sí, pero dos car~ gas del mismo tipo (+y+, o- y-) se repelen. Los protones y los electrones de un. átomo exhiben esta atracción. 3. Separar cargas positivas y cargas negativas requiere energía. Por ejemplo, se necesita energía para separar los protones y los electrones de un átomo. 4. Si las cargas positivas y negativas separadas pueden mover~ se libremente unas hacia otras, el material a través del cual se movilizan recibe el nombre de conductor. El agua es un buen conductor de la carga eléctrica. Si las cargas separadas son incapaces de moverse a. través del material que las separa, ésteredbe el nombre de aiSlante._ La bicapa de fosfo. Iípidos de la membrana celular es un- buen aislante, como lo es el recubrimiento plástico de los cables eléctricos. El término electriddad proviené de la palabra griega elekúon, que significa "ámbar", la r¡;sina fosilizada de los árboles. Los griegos descubrieron que, si frotaban una varilla de ámbar con un paño, el ámbar adquiría la capacidad de atraer el cabello y el polvo. Esta atracción {denominada electriddad estática) surge de la separación de la carga eléctrica que ocurre cuando los electrones se movilizan desde los átomos de ámbar hada el paño. Para separar estas partículas eléctricas, debe aportarse energía (trabajo) al sistema. En el caso del ámbar, el trabajo se realizaba al frotar la varilla. En el caso de los sistemas biológicos, el trabiljo se realiza generalmente por !a energía almacenada en el ATP y otros enlaces químicos.

,!B\., ·v (b} Cuando la célula se introduce en !a solución, no existe inic!a!mente movimiento de agua porque !a célula y la solución se encuentran en equiflbrio osmótico.

@0'®r¡¡¡® .®@

® ®

{b} Célula y solución en desequilibrio qu1mlco y eléctrico. Se u!illza energía para bombear un catión hacia afuera de fa célula, clejando

®@;

una carga neta de ·1 en lace1u!ayde+1 afuera de la célula.

@ ®

+

(e) Sin embargo, existe un gradiente

de concentración para el soluto penetrante @, que difunde hacia el interior de la célula. Esto altera el equilibrio osmótico, de manera tal que el agua sigue al soluto hacia adentro de la célula.

(d) 8 equilibrio se restablece cuando !as concentraciones de !os solutos no penetrantes son iguales en la célula y en !a solución. la célula ganó volumen en el equilibrio; por consiguiente, la solución era hipotónica.

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PREGUNTA Con la misma célula, indique la osmo!aridad relativa· y la tonicidad de las siguientes soluciones, slla solución posee eJ 6 particu!as no penetrantes " b) 6 partlculas no penetrantes y 3 partfculas penetrantes o e) 3 partlcu!as no penetrantes y 6 partic!J!as penetrantes

mFIGURA 5~31 En una soludón de so/utas mezdados, sólo la concentración de solutos no penetrantes contribuye a la toniddad de la soludón

La membrana celular permite la separadón de la

carga eléctrica en el organismo En el organismo, la separación de la carga eléctrica la ejerce la membrana celular. Este proceso se representa en la figura 5· 32 0. El diagrama muestra una célula llena de moléculas que se disocian en iones positivos y negativos, representados por sig.nos más y menos. Puesto que al prindpio las moléculas eran eléctricamente neutras, existen cantidades iguales de iones positivos y negativos dentro de la Célula. La célula se coloca en una solución acuosa, también neutra desde el punto de vista eléctrico, que contiene los mismos tipos de cationes y aniones. La bicapa de fosfolípidos de esta célula, al igual que la blcapa de !lila célula real, no es permeable para los iones. El agua puede atra· vesar libremente esta membrana celular, hactendo que las concentraciones de iones extracelular e intracelular sean iguales. En la figura 5-32a, el sistema se encuentra en equilibrio osmótico, quúnico y eléctrico. En la figura 5-32b, se inserta una proteína transportadora, activa en la membrana. Este transportador utiliza energía para movilizar iones positivos hacia afuera de Ia célula en contra de su gradiente de concentración. Los iones negativos de la célula in· tentan seguir a los iones positivos debido a la atracción entre las cargas positivas y negativas. Pero como la membrana es impermeable a los iones negativos éstos permanecen retenidos enlacélula. Los iones positivos fuera de la célula podrían tratar de desplazarse hacia el interior de la misma, atraídos por la carga negativa neta del líquido intracelular, pero la membrana no permite que estos cationes se filtren a través de ella. Tan pronto comp el primer ión positivo abandona ).a célula se altera el equilibrio eléctrico entre los líquidos intracelular y extraw celular: el interior de la célula tiene una carga neta de -1, mientras que el exterior celular posee una carga neta de +l. El aporte de energía para el transporte de iones a través de. la membrana ha creado un gradiente eléctrico, esto es, una diferenda entre lacar-

Uquido intracelular

Uquldo extratelular

'•k ;,;¡ :·.;;.;f ;;, . T.

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·1 /_,, ,/

Uquidil"~~ular

o +1 Escala de /_,, carga absoluta ,-' Uquklo

+2

~celular

ci;: ' ~ 1, ,. ·;;Í;;:o ,.,. ·:t.. ,~;;z¡ ;;

·2 ·1 +1 +2 Escala de carga relativa¡ !lquido extracelular lr¡ado en O(basaí) {e} En una escala de carga absoluta, el liquido extrace!u!ar estaJI.a en

+1 y el !fquldo intracelular en -1. Sin embargo, las mediciones ñsiológicas se hacen siempre sobre una escala relativa, en la cual se le asigna un valor de cero al !fquido extracelu!ar. Esto desplaza la escala hacia la izquierda y otorga a! intelior de fa célula una carga relativa de ·2.

mFIGURA 5-32 Separadón de la carga eléctrica la membrana celular actúa como un aislante para impedir e!

movimiento libre de iones entre los compartimentos intracelular y extracefular.

1

162

Capítulo 5 Dinámica de las membranas El potendal de membrana en reposo

ga neta en dos regiones. En este ejemplo, el interior de la célula se volvió negativo xespecto de su exterior. El transporte activo de iones positivos hacia,,afuera de lacélula genera también un gradiente de concentración: hay ahora más iones positivos fuera de la célula que dentro de ella. La combinación de los gradientes eléctrico y de concentración se denomina gradiente electroquímico. La célula permanece en equilibrio osmótico porque el agua puede desplazarse libremente a través de la membrana en respuesta al movimiento de solutos. Un gradiente eléctrico entre el líquido extracelular y el líquido intracelular se conoce como diferencia de potencial de membrana en reposo o, de manera abreviada, potencial de membrana. A pesar de que el nombre suena intimidatorlo, puede separ~elo en partes para estudiar qué significa.

1

en reposo de la expresión proviene del hecho de que este gradiente eléctrico se observa en todas las células vivas, incluso en aquellas que parecen estar sín actividad eléctrica. En estas células "en reposo", el potencial de membrana ha alcanzado un estado estacionario y no es cambiante. 2. La parte potencial del nombre deriva del hecho de que el gradiente eléctrico generado por el ~orte activo de iones a través de la membrana es una forma de energía almacenada, o potencial, al igual que los gradientes de concentración constituyen una forma de energía potencial. Cuando las moléculas de carga opuesta se juntan nuevamente, liberan energía que puede ser utilizada para realizar trabajo, del mismo modo que las moléculas que se desplazan a favor de su gradiente de concentración pueden realizar tia·· bajo. El trabajo realizado por medío de la energía eléctrica· comprende la apertura de canales de membrana regulados por yoltafe y el envío de señales eléctricas. 3. La parte di(erenda del nombre es para recordar al lector que el potencial de membrana representa una diferencia en la cantidad de carga eléqrica dentro y fuera de la célula. El ténnino diferenda se elimina generalmente del nombre, como se indicó anteriormente. 1. La parte

En los sistemas vivos, los gradi~tes eléctricos se miden en una escala relativa en lugar de sobre una escala absoluta. La figura S-32c compara ambas escalas. En la escala absoluta, el líquido -extracelular en nuestro ejemplo simple tiene Una carga neta de +1 proveniente del ión positivo qué ganó, y el líquido intrilcelular tiene una carga neta de -1 debido al ión negativo remanente, que ahora no está equilibrado. Sin embargo, en la vida real no pueden medirse las cargas como número de electrones ganados o perdidos. En lugar de ello, se utiliza un dispositivo que mide la diferencia de carga eléctrica entre dos puntos. Fste dispositivo fija artificialmente la carga eléc~ trica de un lado de la membrana. en el valor cero y mide la carga neta del segundo lado respecto del primero. En nuestro ejemplo, la fijación de la carga neta del líquido _extracelular nuevamente en cero arroja una carga neta del liquido intracelular en -2, y este valor recibe el nombre de potencial de meinbrana en reposo de la célula.

El equipamiento para la medición del potencial de membrana de una célula se ilustra en la figura 5-33 m. Los electrodos estári fa. bricados con tubos de vidrio huecos que terminan en puntas muy finas. F.
El potencial de membrana en reposo se_ debe

principalmente al potasio

·

¿Qué iones generan el potencial de membrana en reposo en las células animales? La célula que se muestra en la figura 5-32b emplea una proteína transportadora activa para movilizar un ión no especificado de carga positiva a traVés de una membrana que de otra manera seria impermeable a los iones. Pero ¿qué procesos ocurren en las células vívas para generar Un g!adiente eléctñco? Las células reales no son completamente impermeables· a ter ·dos los iones. Tienen canales abiertos Yproteínas transportadoras que permiten que los iones se desplacen entre el citoplasma y el líquido extracelulat Puede utilizarse una célula artificial diferente para mostrar cómo surge el potendal de membtana en reposo en una célula viva típica. La célula de la figura 5-34a mtiene una lil.embrana impermeable a los iones. Contiene K+ y grandes proteínas con carga negativa, que se representan como Pr. La célula se coloca en una SO· lución de Na+ y CI·. Tanto la célula como la soludón son eléctricamente neutras y el sistema está en equilibrio cléctríco. Sin embargo, no se encuentra en equilibrio químico. Existen gradientes de concentración para los cuatro tipos de iones en el sistema, y todos difundirian a favor de sus respectivos gradientes de concentración si pudieran atravesar la membrana celular. En la figura 5·34b, un ~permeable al K+ se inserta en la membrana, haciéndola permeable sólo al K+. Puesto que .inlcialmente no existe K+ en el líquido extracelular, parte del K+ se escapará hada afuera de la célula, moviéndose a favor de su gradien-

163

Un electrodO de medición

se coloca dentro de !a célula.

8 voltímetro mide !a diferencia de carga eféctrica entra el interior de una célula y la solución que !a rodea. Este valor es la diferencia de potencial de membrana, o Vm.

1 El registrador gráfico representa gráficamente los cambios del potencial de membrana a lo la¡go del tiempo.

0 FIGURA 5·33 Medfdón de la diferenáa de potenáal de membrana

En el laboratorio, un voltfmetro mide la diferenda en la carga eléctrica entre el interior de una célula y la solución que la rodea.

te de concentración. Cuando el K+ abandona la célula, las proteí~ nas cargadas negativamente, Pr, son íncapaces de seguirlo por-que la membrana celular no es permeable a ellas. Las proteínas generan gradualmente WJa carga negativa dentro de la célula, a medida que más K+ difunde hada su exterioL Si la única fuerza que actúa sobre el K+ fuera el gradiente de concentración, el K+ abandonaría la célula hasta que la concentración de K+ dentro de la célula igualara a la concentración df K+ fuera de ella. Sin embargo, la pérdida de iones positivos de la célula genera un gradiente eléctrico. Puesto que las cargas opuestas se atraen entre sí, las Pr negativas dentro de la célula ttatari. de arrastrar al K+ nuevamente hacia el interior de la célula. En un . momento durante este proceso, la fuerza eléctrica que atrae al K+ se vuelve igual en magnitud al gradiente de concentración quÍmico que impulsa la K+ hacia afuera de la célula. En dicho punto se detiene el movimiento neto de K+ a través de la membrana {Fig. 5-34c}.la velocidad a la cual el K+se moviliza hada el exterior de la célula a favor del gradiente de concentración es exactamente igual a la velocidad coi:t la que el K-1-se moviliza hada el interior de la célula a favor del gradiente eléctrico. · En una célula permeable sólo a unión, como la célula redén descrita, el potencial de membrana qqe se opone exactamente al gradiente de concentración del ión se conoce como potendal de equilibrio, o% (el subíndice ión debe reémplazatse por el símbolo químico del ió'n que se esté analizando). Por ejeniplo, cuando el gradiente de concentración es 150 mM K+ dentro de la célula y S mM K+ fuera de ella, el potencial de equilibrio para el potasio, o Ex. es -90 mV. El potencial de equilibrio para cualquier Ión a 37 •e (temperatura corporal del hombre) puede calcularse utiliza¡ldo la ecuación de Nemst:

'

_i!_l

~

"'"'ló~- Z og ~ón]adentro

Donde 61 es 2,303 RT/F a 37 •e,· Z es la cru:ga eléctrica del ión (+1 para el K+), y [ión]afum y [iónJadentro cqrresponden a la concentración del Ión afuera y adentro de la célula. Acontinuación utilizaremos la misma célula (K+y Pr adentro, Na+ y CI- afuera), pero esta vez la mem~a se hará permeable sólo al Na+ (Fig. 5-35 !iil). Puesto que el Na+ está más concentrado afuera de la ~uta, parte del Na+ Se moviliza bada el interior de la célula y se acumula alli. Entretanto, el ct que quedó atrás en el líquido extracelular otorga a dicho compartimento una carga neta negativa. Este desequÍI.ibdo crea un gradiente eléctrico que tiende a impulsar al Na+ nuevamente hacia el exterior de la célula. Cuando la concentración de Na+ es 150 mM afuera y 15. mM adentro, el potendal de equilibrio para el Na+ <E-r.J es +60 mV. En otras palabras, el gradiente de concentración que mOviliza al Na+ hada el interioÍ de la célula (150 mM afuera, 15 mM adentro) se encuentra contrapuesto exactamente por un potencial de membrana positivo de +60 mV. · En realidad, las células vívas no son permeables sólo a unión. la situación en las células reales es similar a una combinación de los dos sistemas artificiales descritos anteriormente. Si una célula es permeable a varios iones, no puede utilizarse la ecuación de Nemst para calcular el potencial de membrana. En su lugar, debe

' Res la constante de los gases ldea.les, Tes la temperatura abwluta y Fes la oons. tante de f;uaday. Para más fnformaS(ón véa:se el apmdlce A.

164

capítulo 5 Dinámica de las membranas

El potencia! de membrana en reposo

165

Célula {a) Célula cuya membrana es impenneable a los iones se llena con !(+y grandes aniones proteico$. Se coloca en una solución de Na+ y Gr. Tanto la célula

@ .• ll

® ®

como la solución son eléctricamente neutras.

lB:\~ ~~

@

®

1

{b) Un canal penneable al!(+ se inserta en la membrana. Elf<+ sale de la célula porque existe un gradiente de concentración de !(+.

Gana! penneableal K+

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~~-- ~·_,_ r.Eb.·"·.· .··.®.·c:r···.··.·.·

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·~"1!':

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En los cuadros blancos, escriba la carga eléctrica neta d.e los compartimentOs i!lt!'aWular y extracelular como se muestran.

® .

8 grnd1ente de concentración de Na+ qua aqul se muestra es contrapuesto exactamente por un potencia! de membrana de +60 mV, Por consiguiente, +60 mV es el ~a o potencial de equllibrio del Na+. !l,',l FIGURA 5-35 Potencial de equilibrio del sodio

t f, .i , } • .. • •

······®·i .•. • .® .• •.J;!; PA.,EGUNTA ¿Por qué no atraviesan la membrana el Na+, el cr y las protelnas {Prl?

Muchos transportadores, como el simportador Na+-K+-2Cl(NKCC), son eléctricamente neutros. Algunos realizan un intercambio parejo: por cada Carga que ingresa a la célula, una catga igual la abandona. Un ejemplo es el contratransportador HC0 -3 cr de los glóbulos rojos, que transporta estos iones en un inter" cambio uno..a-uno, eléctricamente neutro. Los transportadores neutros desde el punto de vista eléctrico tienen poco efecto sobre el potencial de membrana en reposo de la célula, ISIÓN

Agregue un canal permeable al ct a la célula que~ muestra en la figura 5-34a, y luego imagine de qué manera se desplazará el CJ· a lo largo de los gradien- · tes de concentración y eléctrico. ¿El potencial de equ¡.. llbrio del Cl" será positivo o negativo?

mFIGURA 5-34 Potencial de equilibrio del potasio El potencia! de equilibrio de! potasio, o EK, es el potencial de membrana en el cual los gradientes químico y eléctrico son iguales en magnitud y opuestos en díretdón, por lo que se produce ausencia de movimiento neto de K+.

33. ¿Qué le sucederfa al potencial de membrana en reposo de una célula en presencia de ouabalna (un inhibidor de la Na+-K+·A1Pasa)? Respuestas en la p. 173

Los cambios en la permeabilidad a los iones emplearse una ecuación relacionada que se denomina eCIUldón de Goldman y que considera los gradientes de concentración de los iones permeables y la permeabilidad relativa de la célula a cada ión. Para más detalles acerca de la ecuación de Goldman, véase el capitulo 8. La célula que se ilustra en la figt.!ra 5-36 m tiene un potendal de membrana en reposo de -70 mV. La, mayoría de las células son alrededor de 40 veces más permeables al K+ que al Na+ y, como resultado, el potencial de membrana en reposo de una célula está más cerca del~ de -90 mV que del E¡..,. de +60 mV. Una pequeñ.a cantidad de Na+ se escapa hada adentro de la célula, haciendo

P~EGUI\ITAS

En este libro, los canales iónicos están representados por poros abiertos sobre la membrana.

.. >\(/V. •' ~¡ •• .. • .. ·tf.i1.·'>·.·.•. ,.

{e) 8 potencial de membrana negativo atrae alf<+ nuevamente hacia el interior de la Wlula. Cuando el grad1ente eléctrtcO se opone exactamente al gradkmte de concentración de !(+, el poténcial de membrana en reposo es el potencial de equnibrio para elf<+ (El(}.

1

P~EGUNTA

que el interior celular sea menos negativo de lo que sería si el Na+ queda!a totalmente excluido. El Na+ adicional que se filtra hacia el interior es bombeado inmediatamente hada afue¡a por la Na+K+·ATPasa, como se describió anteriormente, Al mismo tiempo, los iones K+ que se escapan hada afuera de la célula son bombeados nuevamente hada su interior. La bomba contribuye al potenda! de membrana median~ el bombeo de 3 Na+ hada afuera por cada 2 K+ que bombea hacia el interior celular. Puesto que la Na+. K+·ATPasa ayuda a mantener el gradiente eléctrico, rectbe el nombre de bomba electrogénica. No todo el transporte de iones genera un gradiente eléctrico.

modifican el potenda/ de membrana . Como se estudió antes, dos factores afectan el potencial de membrana de una célula: 1) los gradientes de concentradón de diferentes iones a través de la membrana ·y 2) la permeabilidad de Ia membrana a dichos iones. Si se modifica la Permeabilidad de la célula a un ión, el potenclal de membrana de la célula cambia. Los cambios en el potencial de membrana se controlan mediante el empleo de los mismos electrodos de medición intracelulares que se utilizan para registrar el potencial de membrana en reposo (Fig, 5-33). la figura 5-37 19 muestra un registro del potencial de mem~ brana grafi.cado en función del tiempo. El potencial.de membra-

e¿Qué fuerza(s) promueve(n) la fuga de Na+ hacia el Interior de la Wlula? o ¿Qué fuerza(s) promueve(n) !a fuga de )(+" hacia el exterior de la célula? !§

FIGURA 5·36 Potencial de membrana en reposo en una

célula real

La mayorfa de las células de! cuerpo humano son alrededor de 40 veces más permeables al K+ que al Na+; y el potencial de

membrana en reposo es de alrededor de -70 mv.

na fYm) comienza en un valor estable de reposo de -70 ~V. Cuando el trazo se desplaza hacia arriba (se vuelve menos negativo), la diferencia de potencial entre el interior de la célula y el exterior (fijado en OmV) disminuye, y se dice que la célula se ha despolarizado. El regreso al potenctal de membrana en reposo se denomina repalartzad6n. Si el potendal de reposo se aleja de OmV. el Potendal de membrana se toma más negativo, la diferenda de potendal ha aumentado y la célula se ha hiperpalarizado. Un punto principal de confusión cuando se hace referencia a los cambios en el potendal de membrana es el empleo de las fra. ses "el potencial de membrana disminuyó" o "el potenctal de membrana se incrementó". Normalmente, se asocia el "incre* mento" con el hecho de volverse más positivo y la "disminución" con el hecho de tomarse más negativo; lo opuesto a lo que sucede en nuestro análisis respecto de la célula. Una forma de evitar la confusión es agregar el término diferenda antes de potencial de membrana. S! la diferencia del potendal de membrana está aumentando, el valor de Vm debe estar alejándose del valor cero y se tornaóa más negativa. Si la diferencia del potencial de membrana está disminuyendo, el valor de V111 se es~ acercando al valor de OmV y se volvería menas negativa. CuatrO iones contribuyen principalmente a los cambios en el potencial de membrana; Na+, Ca2+, a~ y K+. Los primeros tres están más concentrados en el liquido extracelular que en el cttosol,

166

Capítulo 5 Dinámica de las membranas +40

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Integración de los procesos de n:embrana: la secreción de insulina '

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mAGURA. 5-37 Terminologia asoáada con los cambios en el potenáal de membrana Si el potendal de membrana se vuelve menos negativo, la célu· la se despolariza. Si el potencial de membrana se toma más negativo que el poten da! de reposo, }a célula se hiperpo!ariza.

y la célula en reposo es mínimamente permeable a ellos. Si una célula se vuelve repentinamente más permeable a cualquiera de dichos iones, entonces éstos se desplazarán a través deJa membrana hada el interior de la célula. La entrada de eaz.. o Na+ despolarizará a la célula (hará que el potencial de membrana sea más positivo). La entrada de Cl" provocará la hiperpolatización de la célula (hará que el potencial de membrana sea más negativo}. La mayoría de las células en reposo son bastante permeables al K+, pero al hacerlas más permeables se facilita que aún más K+ escape de ellas. La célula se hiperpolarizará hasta que se acerque al potencial de equilibrio para el K+. El hecho .de hacer a la célula menos permeable al K+ permite que menos K+ se fugue hada afuera de la célula. Cuando la célula retiene K+ se toma más positiva y se despolariza. El lector encontrará ejemplos de todos estos cambios de permeabilidad durante el estudio de la fisiología. Resulta importante recordar que tÚJ. cambio significativo en el potencial de merqbrana requiere el movimiento de muy pocos iones. No es necesario invertir el gradiente de concentración para modi· ficarel potencial de membrana. Por ejemplo, para cambiar el potencial de membrana en 100 mv; sólo.debe ingresar a la célula o dejarla uno de cada lOO 000 K+. Ésta es una .fracctóll tan diminuta del número total de K+ en la célula,.que la concentración permanece esenctalmente inalterada.

INTEGRACIÓN DE LOS PROCESOS DE MEMBRANA: LA SECRECIÓN DE INSULINA Durante muchos años se ha sabido que el movimiento de Na+ y K• a tiavés de las membranas celulares desempeñan un papel en la generación de señales eléctrtcas en los tejidos excitables. Estos procesos se estudiarán detalladamente en los capítulos sobre los sistemas nervioso y musculat Sin embargo, recientemente se ha logrado comprendeJ: que pequeños cambios en el potencial de membrana actúan como señales en Íos tejidos no excitables, como las célulaS

endocrinas. Uno de los ejemplos mejor estudiados de este proceso involucra a la célula beta del páncreas. La hberacl.ón de la hormona insulina por parte de las células beta demuestra· cómo los procesos de membrana, entre ellos difusión facilitada, exod:tosis y apettura y áerre de canales fónicos· por acción de ligandos y del potencial de membrana, trabajan en conjunto para regular la función celular. • Las células beta del páncreas sintetizan la hormona proteica insulina y la almacenan en vesículas secretoras dtop!asmáticas ( gg p. 66). Cuando aumenta la glucemia, como luego de una comida, las células beta hberan insulina por exocitosis. Posteriormente, la insulina dirige a otras células del organismo para que capten y utilicen glucosa, llevando las concentraciones en sangre nuevamente a los niveles previos a la comida. Una pregunta clave acerca del proceso que permaneció sin res· puesta hasta hace poco tiempo es "¿cómo sabe una célula beta que los niveles de glucosa han aumentado y que debe liberar insulina?". La respuesta, hemos aprendido aho~ vincula al metabolismo de la célula beta con su actividad eléctrica. La figura 5-38a §1 muestra una célula beta·en reposo. Recuérdese de secctones anteriores de este capítulo que las compuertas de los canales de membrana pueden abrirse o cerrarse por acción de señales químicas o eléctricas. La célula beta tiene dos de estos cariales que contribuyen a controlar la liberación de insulina. Uno de ellos es un canal de Ca2+ regulado por voltaje. Este canal está cerrado en presencia del potencial de membrana en reposo de la célula (® en la figura 5-38a). El otro es un caruil permeable al K+ (esto es, el canal está generalmente abierto) que se cierra cuando el ATP se tule a él. Recibe el nombre de canal de K+ activado por A'IP, o canal Km· En la célula en reposo, cuando las concenttadones de glucosa son bajas, la célula fabrica menos ATP G) a®. Existe poco A1P para unirse al canal KATI" y el canal permanece abierto, lo que permi· te que el K+ se escape fuera de la célula®. En presencia del poten· dal de membrana en reposo, los canales de Q¡Z+ regulados por voltaje están cenados y no existe secreción de·Jnsulina ®. La figura 5-38b muestra lUla célula beta secretando insulina. Luego de una comida, los niveles de glucosa plasmática ascienden a medida que la glucosa se absorbe desde el intestino@.. La glucosaque alcanza las células beta difunde hada el interior de·la célu. la con la colaboración de un transportador GLUT. El incremento de glucosa en las células estimula las vías·metabóllcas de la glucólisis y del ciclo del ácido cítrico ( g,.¡ p. 103), y aumenta la producción de ATP®, ®.CUando el ATP se une al canal KATP' la compuer· ta que comunica con el canal se cierra, evitando que el K+ se escape hada el exterior de la célula®. La retención de K+ despolariza a la célula ®, lo que entonces produCe la apeitura de los canales de eau sensibles al voltaje®. Los Iones de caldo ingresan a la célula desde el líquido extracelular, desplazándose a favor de su gradiente electroquímico. El Ca2+ se une a proteínas que. inician la exodtosis de las vesículas que contienen insulina, y la insulina se libera hada el espado extracelular ®. El descubrím1ento de que células distintas de las células ner· viosas y musculares utilizan cambios en el potencial de membl:ana como seiiales para respuestas fisiológicas modifica el pensamiento tradicional acerca del papel del potencial de membrana en reposo. En el próximo capítulo se describirán algunos otros tipos de señales que utiliza el cuerpo para la comunicación y la coordinación.

167

(a) Célula beta en·reposo. 8 canal K..,w está abierto y la célula se encuentra en su potencial de membrana de reposo

$2)

1

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de glucosa rNiveles· bajos en !a sangre. ·

@}-~@r--· . ab~~;os f l 1reposo; no hay Í~·.-" .¡ libetaeión da insulina.

8 metabo-l El ATP Se Célula con potencial , lismo se disminuye, canales KATP. ¡ de membrana en !_!

j en!entece. l !. ¡

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No hay secreción deJnsuflna

{b) Célula beta secretando Insulina. El cierre del canali
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0

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o. 0 la señal de cV 0 Ca2t

0 0

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0

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~~::s~ y la Insulina se secreta.

8 FIGURA 5·38 Procesos de secreción y transporte de membrana de fa insulina

1

168

capítulo 5 Dlnámica de las membranas

Resumen del capítulo

-- --- --· -·-

.,.,

·------

..

~~··~ ··~~~~··-

169 ~~·

RESUMEN DEL CAi'iTUI.O FIBROS!S QUÍSTICA En este tema relacionado, usted aprendió que la fibrosis-qufstica, una de las enfermedades hereditarias más comunes en los Estados Unidos, está causada por un defecto en el caOil! protei~ co conocido como CFTR que regula el transporte de iones-doru· ro fuera de !as células epiteliales. Puesto que los CFTR se encuentran en !as membranas de las células epitelialeS de varios órganos .:.glándulas sudoríparas, pu!niones y páncreas-, la fibrOsis qufstica puede afectar muchos procesos diferenteS del organismo.

1

Parte de la investigación más interesante acerca-de la fibi"osis qulstica emplea ratones genéticamente modificados. Estos modelos animales pueden criarse para tener CFTR totalmente no funcionales o CFTR que tienen funciones alteradas; corresponditintes a las mutaciones del gen CFTR en el ser humano. Puede encon-

PREGUNTA El CFTR, ¿es un canal proteico

trai'se una excel_ente revisión, ~_Th_e-~F-_mouse: a~ imPOrtarittool for studying cystic fibrpsisn, en lfne~ en: la revista ~pert_R.eviews in_Mofecu/ar Medidne en_ http:tfVNM;:ermi:n.Cbcu.cám.a- -, ·· cuk/01002551hhtm:(12d~·-_marzo9é:~(}0_1_):_:_ ----"'- · _._ .__. La fibrosis Qufstica es _una de tár~~fer~ed~~e"s¡:i_~f~das'cual~ ~ · están realizando ensayos dfnicos para determina_r si la terapiagénica puede restaurar exitosamente_la_fundón normal de los.CFTR afectados. Para aprender _m¡¡s aéerca de la "terapia_ génica y del_es-._ tado de la investigación actuál, Olrijase al sit_io w~b fle Cystic Fibrosís Foundation (www.cff.org) y haga clf~ _sobre ~l_yfn
EV!DENOAS

· tos canales n!g~ládoS por compuerta qufini-

reg u!ado por compuerta qufmi-

ca se abrén <.u;mdo_ un ligando se une a

ca, regulado por voltaje, o con compuerta n:'ecánica?

ellos. Los canales regulados po'r voltaje se abren _con una modificación del potencial de membrana de la célula. Los cariales <.on com~ pueita me'cánica Se abren cu:ando u_i1~ fuerza física abre el canal. Los CFTR se abren en respuesta a la unióh de nudeóticfos.

2 De acuerdo con !a información dada, ¿el CFTR se !'lncuentra sobre la superficie apical o basolateral del epitelio de la glándula sudorfpara? ¿Por qué la falla del transporte de iones cloruro hada la luz de las vlas aéreas sería la causa de que el moco secretado fuera espeso? (Sugerenda: recuérdeSe que el agua se desplaza para dl-. luir la región más concentrada.) 4 ¿Por qué morirá Daniel de· inanición si no consume enzimas pancreáticas artificiales? ·

INTEGRAOÓN Y-ANÁLISÍS. :_:

LoS nucleótid0s,s0n·ligái1~óS cj~finii:OS: por· _consiguiente.- los CfTR son cailales'P.rOteicoS regulado ·por t:óinpuerta_-_q~imi_ca.

En los individuos normales, los CFTR mOvili~ - la SUPemdi!_e'pitelial que in\r~ ~-aciá'ia:lu_z zan.ct- desde el Sudor hada las- células epite- · . de !_a glándúla sudorípara, _que cont_iene el _sudor, es· fá membrana·apica_l._ ~or ~~nsi-_ liale~ guiente, l~s cfrR se ~ilcuentran_-sobre !úu~ · perficie apica1. · · Si el cr {seguido por el Na+) se secreta hada la luz de las vfas aéreas, la concentración de soluto en el !fquido de las Vfas aéreas au~ menta, El agua se moviliza en respuesta a · los gradientes de concentración.

Nomiai~enté, el_ffioyirriiimto 9-é cfy _ Na+ 'génerá _u~- gradiente :Osnlóti((); de fonila tal que el agua ta"tnblén _ingÍ"esa ·a la_ fui i:le)a_:·vfa a·érea,_cre~n_d? -~-~a- so_l_ucióñ _Sá!iri?:-que;-_. dU~ye ,el p,oco _espeSo:_' Si el _cr,.,no puedé _se-cretarse liadci !as v-las aéreas, no· existirá ma-·. viffiíeiltO'de ifQUid.oS Para di!U_ir: el-moco: :,

E!. páncreas secreta moco y enzimas digesti-

Sin las_'e~ztinai digeStiVas~ oaÍ1ie! no púe.de ·_dig<erir los alim_ent?S _qúe con~m~, Su_pérdi:.~a d_e Peso durante los, ófti~os s~is m,eseS ·_ -. sugiE!~~ qu~ ert_0 Ya ~a llegado a ser,urt.PiO: b!ema; _ La_administfad9~ ~-e enzirn:as ~rtifi­ dales le permitirá digerí~ sus_alimen~os: .,

vas hada los co:nductos que se-vac!an·e~-el

intestino de!ga_do. En la fibros_is.qulstica; el moco de los conductos es espeso debido_. a ta fafta de secreción de cr ylíquido~ ESte moco espeso bloquea los conductos e irripide que las "enzinias digestivas alcanCen el intestino delgado.

En este capítulo se estudió de qué manera actúa la membrana celular como una barraa para crear distintos compartimentos intra- y exttacelula· res, en una repetldón del tema de ctJmpartimentad6n lntroduddo en los capítulos 3 y 4. La movilizadón de materiales desde un compartimento a otro ilustra un nuevo tema, el flujo de masas. E! flujo de masas a través de las membranas celulares octme en respuesta a gradientes osmóticos, químicos (de concentradón) o eléctricos. La permeabilidad selectiva de la membrana celular crea una resistenda al flujo de masas que puede supem-se modificando la composidón de los Jípidos de membrana o·insertando proteínas de membrana que actúan como ca_r~ales o transportadores. E! movimiento de sustancias en el organismo requiere energía de diferentes orígenes: movimiento molecular, gradientes de roncentradón o enlaces químicos. Finalmente, el tema de las interacdones entre protefnas se ejem· plifica con la unión de sustratos a los transportadores.

Equilibrio de masas y homeostasis Uquldos y electroHtos: Introducción a los lfqu!dos corporales 1. La ley de equilibrio de masas establ&e que, slla cantidad de una sustancia en el organismo debe permanecer constante, cualquier aporte debe ser rompensado por una pérdida igual. (p. 129; Fig. S-1). 2. La entrada de una sustancia al organismo proViene del metabolismo o del ambiente externo. La salida ocurre a través del metabolismo o de la excreción, (p. 130; Fig. 5-2) 3. El clearance es la velocidad a la cual se elim1na una sustanda de Já sangre a través de excreción, metabolismo o ambos. E! hígado, los tifiones, los pulmones y la piel depuran sustanCias de la sangre. (p. 130) 4. La veloddad de entrada, producción o salida de una sustancia .::t se expresa como flujo de masas, donde flujo de masas= concentración x flujo volumétrico. (p. 130) . S. Las células y el liquido extracelular mantienen la bomeostasi.s, pero sin estar en equilibrio entre sí. La mayoría de los solutos están concentrados en uno de los dos compartimentos, lo que genera un estado de desequill"brio químico. (P. 130; Fig. S-3) 6. Los cationes y los aniones no tienen igual distribudón entre los com· partimentos corporales, lo que crea un estado de desequilibrio eléctrico. (p. 131) 7. El agua se moviliza libremente entre las células y el liquido exttacelular, Jo que genera un estado de equih1lrlo osmótico. (p. 130)

Difusión 8. La membrana celular e,s una barrera selectivamente permeable querestringe el intercambio libre entre la célula y el liquido intersti~al. E! moVimiento de una sustancia a través de la membrana depende de la permeabilidad de !a membrana a dicha sustancia. (p. 132) 9. El movimiento de las moléculas a través de las membranas puede da· sificarse de acuerdo con los requerimientos de energía o los medios físicos que emplea la molécula para atravesar la membrana. (p. 132; Fig.5-4) 10. Las sustancias liposolubles pueden difundir a través de la blcapa fosfolipídka. Las moléculas menos liposolubles requieren la asfstenda de una proteína de membrana para atravesar la membrana. (p. 132) 11. E! transporte pasivo no requiere aporte de energía. (p. 132) 12. La difusión es el movimiento pasiVo- de moléculas a favor de un gra-

diente químico (de concentración), desde un área de mayor concen· tradón hada un área de menor concentradón. E! movimiento neto se detiene cuando el sistema alcanza el equih"brlo, a pesar de que el movimiento molecular continúa. (p. 133; Fig. S.S) 13. La velocidad de difusión depende de la magnitud del gradiente de concentradón. La difusión es lenta a través de grandes distancias, está directamente relacionada con la temperatura o inversamente reladonada con el tamaño molecular, (p. 135)

14. La difusión simple a través de una membrana es directamente própordonal a la superficie de la membrana, al gradiente de concentradón y a la permeabilidad de la membrana, e inversamente propordonal al espesor de la ~erobrana. (p. 135; Fig. S-6)

Transporte mediado por proteínas

. 1

15. La mayoría de las moléculas atraViesan las memb.ranas con la colabo· radón de proteínas de membrana, (p. 137) ;o·" 16. Las proteínas de membrana tienen cuatro papeles fundonales: las pro- ' teínas estructmales mantienen la fonna de la célula y c_oustituyen las ' unlones celulares; las enzimas asociadas a manbrana catalizan reacciones químicas y contribuyen en la transf&enda de señales a través de : la membrana; las proteínas receptoras son parte del sistema de señali· 2adón del organismo, y las protefnas de transporte movilizañ muchas moléo.IJ.as hada o desde la célula. (pp. 137-138; Fig. 5-7) 17. Los canales proteicos forman conductos llenos de agua que vinculan los compartimentos intra- y extracelular. Los canales tipo compuerta regulan el moVimiento de sustancias a través de ellos mediiDte su

apertura y derre. Los canales tipo compuerta pueden estar regulados por ligandos, por el estado eléctrico de la célula o por cambios físicos como la presión. (pp. 138-139; Fig. 5·11) 18. Las proteínas transportadoras nunca forman una conexión continua entre el liquido intracelular y el líquido exttacelular. Se unen a sustratos y cambian su conformadón. (p.)38; Fig. S.9b) 19. La difusión mediada por proteínas recibe el nombre de difusión facilitada. Tiene las mismas propiedades que la difusión simple. (p. 141; cuadro 5-1; Figs. 5-13, 5·14) 20. El transporte activo moviliza molé<:ulas en contra de su gradiente de concentradón y requiere una fuente externa de energía. En el transporte activo primario (directo), la energía proviene directamente del A"IP. El transporte activo secundarlo (indirecto) ut!fua la energía potendal almacenada en un gradíente de ooncentradón y está im· pulsado indirectamente por la energía del ATP. (p. 142) 21. E! transportador activo primario más importante es !a ATPasa de sodio y potasio (Na•-K•·ATPasa), que bombea Na~ hada afuera de la célula y K+ hada su interior. (pp. 142-143; Flg. 5-16) 22. La mayoría de los sistemas de transporte activo secundario están im· pulsados por el gradiente de concentradón del sodio. (p. 144; cuadro 5-3; FJ.g. 5·17) Z3. Todo el transporte mediado por transportadores exhibe especifid· dad, competencia y saturación. La espedfiddad se refiere a la capa· ddad de un transportador de movilizar sólo una moléo.IJ.a o un grupo de moléculas estrechamente reladonadas. Las moléculas reJadonadas pueden competir por un único transportador. 'La saturadón octme cuando un grupo de transportadores de membrana trabaja a Velocidad I!láxima. (pp. 145-147; Figs. 5-20, 5-22)

Transporte de vesículas 24. Las macromoléculas y partículas gí-andes Ingresan a las células por fagocitosis y endodtosis. Las sustancias y los elementos abandonan las células por exodtosls. Cuando las vesículas que llegan al citoplasma por endodtosis regresan a la membrana celular, el proceso recibe el nombre de reciclado de .~p.embrana. (p. 148; Hgs. 5-23, 5-24) 25. En la endodtosis mediada por receptor, los ligandos s~ unen a receptores de membrana que se concentran en fositas recubiertas de clatrina, el sitio de la endodtosts. En la potocltosis, los receptores se localizan en caveolas que poseen una cubierta proteica distinta de la datrtna, (pp. 149-150; Fig. 5-24) 26. En la exodtosis, la membrana de la vesícula se fusiona con la mem· branacelu!ar antes de liberar su contenido bada el espado extracelu!ar. La exodtosis requiere ATP. (p. 150).

170

Capítulo S Dínámica de las membranas

Preguntas

Transporte transepite/ial

El potendal de membrana en reposo

?.7. Los epitelios de tranSporte en el intestino y el riñón tienen diferentes proteinas de membrana sobre sus superficies apical 'Y basolateral. Es. ta polarizadón permite el mOVimiento unld!recdonal de moléculas a través de! epitelio. (pp. 150-151; Figs. 5-25, 5-26) 28. Las moléculas más grandes atraviesan los epitelios por transdtosis, que incluye el transporte de vesículas. (p. 153; FigS. 5-2Z)

33. A~t de que el organismo en su conjunto es eléctricamente neutro, la difusión y el transporte activo de Iones a través de la membrana celular crean un gradiente eléctrico, con el interior de las células negativo con tespecto al líquido extracclular. (p. 162; Fig. 5-33) 34. El gradiente eléctrico entre el líquido extracelular y el líquido intzaceiu!ar se conoce como diferencia de potendal de membrana en réposo. (p. 162) 35. El movimiento de un ión a través de la membrana cclular está afectado por el gradiente electroquímico de dicho ión. (p. 162) 36. El potencial de membrana que se opone exactamente al gradiente de concentradón de un lón se conoce como potendal de equili'brlo ~- El potencial de equilibrio para cualquier ión puede calcularse mediante el empleo de la ecuación de Nernst (p. 163; Fig. 5-34) 37. En la mayoría de las células vivas, el K+ es el principal ión que determina el potencial de membrana en reposo. {p. 163) 38. Los cambios en !a permeabilidad de membrana alones como K+, Na+, Ca2+ o CI- alterarán el potendal de membrana y generarán señales eléctricas. (p. 166)

ósmosis y tonicidad 29. El movimiento de agua a través de una membrana en respuesta a un grad!ente de concentración se denomina ósmosis. (p. 154; Flg. 5-29) 30. Para comparar la concentración de soluciones, se expresa la concentración en términos de osmolarldad, el número de partículas (tones o moléculas intactas) por litio de solución, expresado como millos· moles por litro (mOsM). (p. 156) 31. La ton_iddad de una solución describe el cambio del volumen cclular que ocurre cuando la célula se coloca en tal solución. Las células se hinchan en soluciones hipotónicas y se encogen en soluciones hi· pertórúcas. Si la célula no cambia su tarnaiío en el equilibrio, la solución es isotónica. {p. 157) 32. La osmolarldad de una solución no puede utilizarSe pata determinar su tonicidad. Las concentraciones relativas de solutos no penetrantes en la célula y en la solución determinan la tonicidad. Los solutos penetrantes contribuyen a la osmolaridad de una solUCión p&O no a su tonicidad. (p. 1S7; Figs. 5·30, 5-31)

1

Integración de los procesos de membrana: la secredón de insulina 39. El empleo de señales eléctricas pata inidar una respuesta celular es una propiedad universal de las células vivas. Las células beta pancreá· ticas ·libetan insulina en respuesta a un cambio en el potencial de membrana. (p. 166; Fig. 5-38)

I'REGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Enumeij! las cuatro funcioneS de las proteínas de membrana, y dé un

ejemplo de cada una. 2. Indique las diferencias entre el transporte activo y el transporte pasivo. 3. ¿Cuáles de los siguientes procesos son ejemplos de transporte activo, y cuáles lo son de transporte pasivo? Difusión simple, fagocitosis, difusión facilitada, exocttosls, ósmosis, endocttosls, potocitosls. 4. Enumere cuatzo factores que incrementan la veloCidad de difusión. S. Relacione los canales de me¡nbrana con las descripciones apropiadas. Las respuestas pueden ser utilizadas una vez, más de una vez, o no ser empleadas. · a) canal regulado por 1. canal que pasa la mayor parte del compuerta química tiempo en el estado abierto b) poro abierto 2. canal que se abre en respuesta a una seíl.al e) canal regulado porvoltaje 3. canal que se abre cuando se modifica el potendal de membrana en reposo d) canal con compuerta 4. canal que se abre cuando un mecánica · ligando se une a él 5. canal que se abre en respuesta a un estitamfento de la membtana 6. canal a través del cual puede pasar claSU'

6. Enumere los tres métodos físicos por los cuales las sustandas pueden ingresar a las re!ulas. 7. Un cotransportador es una protclna que moviliza más de una molécula a la vez. S! las moléculas se desplazan en la misma dire«ión, los rotransportadores se denominan - , si las moléculas son transporta:das en direcciones opuestas, los cotransportadores reaben el nombre·

de---. Una proteína de transporte que moviliza sólo un sw:trato se denomina-. 8. Los dos tipos de transporte activo son-, que obtiene energía diJec. tamente del ATP, y-, que acopla la energía Cinética de una molécula que se desplaza a favOr de su gradiente de concentración almovimiento de otra molécula en contra de su· gradiente de concentración. 9. Se dice que una molécula que se mueve libremente entre los compartimentos intracelular y extracelular es un soluto - . Una molkula que es incapaz de ingresar a las células se denomina sotuto -,-. J-0. Ordene los Siguientes individuos de a<;nerdo a cuánta agua cóq;oral contienen, desde el más alto al más bajo: a) un hombre de 70 kg. de 25 aftos; b) una mujer de 50 kg. de 25 años; e) una mujer de 50 kg. de 65 aftos y d) un varón de 1 año. 11. ¿Qué detenQina la osmolartdad de una soluctón? ¿En qué unidades se mide frecuentemente la osmolaridad del organiSmo? 12. ¿A qué se bace referencia cuando se dice que una sohldón es hipotónica para una célula? ¿Hipertónica para la ¡;njsma célula? ¿Qué determina la tonicidad de una solución respecto de una célula? 13. Con sus propias palabras, enuncie los cuatro principios de la electrlddad que resultan Importantes en fisiologia. 14. Relacione cada uno de los siguientes ítems con su papel prindpal en la actividad celular. a) Na•-K•·ATPasa l. canal iónico 2. catión. extracelular b) proteínas e) unidad de medida del 3. fuente de energía potencial de membrana 4. anión intracelular d) K• e) a5. catión Intracelular 6. milivoltios Q ATP g) Na• 7. bomba electrogénica 8. anión extracelular 9. mlliosmoles

15. El potenCial de membrana en el cual el ~diente elfutico se opone exactamente al gradiente de concentración de unión se conoce como 16. Un material que pennite el movimiento libte de las cargas eléctricas rea'be el nombre de-, mientras que un material que impide dicho movimiento se denomina-.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 17. Genere un mapa conceptual del transporte a través de las membranas celulares empleando los siguientes términos. Si lo desea, puede agre. gar témllnos adicionales. transporte activo Na~-K•-ATPasa proteína transportadora transporte. pasivo caveolas bicapa fosfolipfdica potodtosis fosita recubierta de clatrina receptor gradiente de concentración endocitosis mediada por receptor. gradiente electroquímico transporte activo secundario exoátosis difusión simple difusión factl!tada molécula polar pequeña glo<m< """
""'"

'"''

ósmom 1& Dibuje un rectángulo grande que represente el volumen corporal total. Empleando la lnfurmactón de la figura 5-28, divida el recuadrQ proporcionalmente en compartimentos que representen los distintos compartimentos del organismo. Utilice la lnformición de la figura 53 y agregue solutos a los compartimentos. Emplee letras grandes para los solutos con concentractones altas, y letras pequeñas para los solotos con concentraciones bajas. Marque las membranas celulares y la membrana endotelial. · 19. ,'Qué factores influyen sobre la velocidad de difusión a través de una membrana? Explique brevemente cada uno de ellos. 20. Defina los Siguientes términos y explique cómo se diferencian entre sf: espedfictdad, competencia, saturación. Aplique estos ténnlnos en una breve explicación acerca de la difusión facUltada de la glucosa. 21. Se suspenden glóbulos rojos en una solución de NaCL Las <:aulas tienen una ~molarldad de 300 mOsM, y la solución tiene una osinoJaIidad de 250 mQsM, a) la soluctón es (hipertónica, isotónica, o hipotónica) para las células. b) El agua se desplazaría (hada adentro de las células, hada afuern, o no lo harfa). . · 22. Dos COmpartimentos están separados por una membrana pen;ne3ble a la glucosa. cada compartimento se llena con glucosa 1 M. Luego de 6. horas, el compartimento Acontiene glucosa 1,5 My el compartimento B contiene glucosa 0,5 M. ,"Qué tipo de transporte ocurrió? 23. Una solución de NaCI2 My una solud6n de glucosa 2M se colocan en dos compartlmlentos separados poi una membrana penn.eable al agua pero no al NaCI ni a glucosa. Los Siguientes enunCiados, ¿son verdaderos o falsos? Justifique cada respuesta con una oractón breve. (a) la solución salina es isosmolar para la solución de glucosa: (b) La soluctón salli1a es hiperoSmolar para la soludón de glucosa. (e} El agua se desplazará desde la solución salina hadá la solución de

""""

aumentará del.Jado de la membrana en que se encuentra la glucosa. 24. Con teferen.cta a la pregunta anterior, mQdifique la molartdad de las soluciones de sal y azúcar a fin de que cada enunciado falso se vuelva Verdadero. 25. Explique las diferencias entre .un "gradiente químico, un gradiente eléctrico y un gradiente electroquímico. (d) El volumen

171

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 26. Las glándulas sudoríparas secretan hada la luz un líquido idéntico al líquido intersticial. Amedida que el üquido fluye a través de la luz en su camino bacta la superlide de la piel, las células del epitelio de las glándulas sudoríparas hacen al líquido hipotónico al eliminar Na~ y conservar agua. Diseñe una célula epitelial que reabsorba Na~ pero no agua. Puede ubicar poros acuosos, canales permeables al Na+, canales permeables al K+ y Iá Na•-K+·ATPasa en la membrana ap!cal, en la membrana baso!ateral, o en ambas. 27. La insulina es una hormona que promueve el movimiento de glucosa hada el intedor de muchos tipos de células, disminuyendo as! la glucemia. Proponga un mecanismo que explique cómo ocune esto, em-~ p!eando sus conocimientos respecto del transporte en la membrana celular. 28. Los Siguientes términos han sido aplicados a las moléculas de trans- . porte de membrana: espectf!ddad, competencia, saturadón. Estos tét· minos pueden emplearse también a las enzimas. ¿Cómo se modifica

·-·-----~- :

ticas químicas comparten las enzimas y las moléculas de transporte que permiten el uso de estos términos en ambos casos? 29. El NaCI es un soluto no penetrante y la urea es un soluto penetrante para las células. Se colocan glóbulos rojos en cada una de las soluCiones que se mendonan abajo. La concentración intracelular de soluto no penetrante es 300 mOsM.¿Qué le sucederá al volumen celular en cada solución? Marque cada solución con todos los términos que se aplican a ella; hipertónica,_ isotónica, hipotóntc:a, hiperosmolar, hiposmolar, isosmolar. (a) NaCllSO mM más urea 150 mM (b) NaCllOO mM más urea 50 mM (e) NaCllOO mM más urea 100 mM (d) NaCllSO mM más urea 100 mM (e) NaCllOO mM más urea 150 mM 30. Las glucoproteinas integrales de membrana reciben el agregado de sus azúcares a medida que las proteínas pasan a través de la luz del retículo endoplasmático y del complejo de Golgi. Con esta información, ¿dónde esperarfa encontrar las "colas" de azúcar de las proteínas: sobre el lado cltoplasmáttco de la membrana, sobre el lado extracclulru; o sobre ambos? Explique su razonamiento.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALiTICOS 31. El agregado de solutos disueltos al agua disminuye su punto de cOngelamiento. Una solución 1 OsM reduce el punto de congelamiento del agua en 1,86 •c. Si el plasma de una paciente muestra una reducción del punto de congelamiento de 0,550 •e, ¿cuál es la osmolaridad del plasma? (Considere que 1 kg agua= 1 L.) 32. La paciente del problema antertor tiene un volumen de agua corporal total de 42 L, un vohunen de líquido extracelular de 12,5 L y un volumen plasmático de 2,7 L. a) ¿Cuál es el volumen de líquido intracelular de la pactente? ¿Y el volumen de líquido interstictal? b) ¿Cuánto soluto (en osmoles) existe en todo su cuerpo? ¿En su líquldo extracelular? ¿En su líquido intracelular? ¿En el plasma? (Sugerencia; concentración =cantidad de so!uto/volumen de solu·
...

172

Capítulo 5 Dinámica de !as membranas

Respuestas Página 16532. El CJ· se desplazará hada el interior de la célula a favor de su gradiente de concentración, lo que haría al interior celular negativo. Lascargas positivas que permanecen afuera atraerían al CJ; nuevamente hada el exterior. El poteitctal de equilibrio sería negativo. 33. Al pasar el tiempo, el Na+ se escaparía hada el interior de la célula, y

e) el volumen del líquido extracelular y del líquido Intracelular d) la osmolaridad del liquido extracelular y del líquido intracelular

35. El Siguiente gráfico muestrn los resultados de un $XPaimento en el cual se colocó una célula en una solución de glucosa. La célula no tenía glucosa en su Interior al prindpio, y su membrana es capaz de transportar glucosa. ¿Olfi~es) de los siguientes procesos se ilustran en este experimento? a) difusión simple b) saturadón e) competencia d) transporte activo

..!!! 1,5

~~

15..!!!

~ ~ 1.0

••

(if~

S!.

1

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el potencial de membrana en reposo se tomaría más positivo.

'

Respuestas a las preguntas de las figuras

1/

--Tiempo-

=

RESPUESTA§

t!/Respuestas a las pregun~s de revisión Página 130 1. El miligramo de sal remanente pennane:e en el organiSmo. 2. El metabolismo de la glucosa agrega COz y agua al organismo, alte· rando el equilibrio de masas de estas dos sustanCias. Pala mantener el

Página 148 19. Un contratransportador moviliza sustratos en dltecdones opuestas. 20. Las puertaS más grandes podrían permitir el paso de más personas. Esto sería análogo a una célula que Sintetiza una nueva isoforma del

equilibrio de masas, ambos metabolitos deben ser excretados o continuar su metaboli2adón.

transportador que permitirla al transportador movilizar más sustrato por segundo.

Página 132 3. La ráíz que prettde al sufijo ..:as-a es el nombre del sustrato sobre el cual actúa la enzima; por consiguiente, el ATP es un sustrato para esta enzima. 4. El liquido Intracelular tiene una alta concentración de K+ y concentraciones bafas de Na~, CJ; y ca2+, Página 135 S. Si se duplica la distancia, la difusión tarda o.~atro veces más. . Página 136 . 6. La energía para la difusión proviene del movimiento molecular. 7. Puesto que es lipófllo, el ácido graso tiene mayor probabilidad de atravesar la membrana por difusión simple. 8. La velocidad de difusión a) disminuye, b) aumenta, e) disminuye. 9. El compartimento Apennanece amarillo y el compartimento B se tor-

na verde. 10. La matriZ extracelular gruesa de la piel es genetalmente impermeable al oxígeno. Además, el oxígeno requi~tre una superll.de húmeda para

difundir efectivamente a través de una membrana. Página 139 11. Los Iones positivos son cationes y los Iones negativos son aniones. Página 141 12. Las proteínas de membrana actúan Corno proteínas estructurales, re-

ceptores, enzimas y transportadores. 13. Los iones y las moléculas" de agua ~desplazan a través de canales abiertos. 14. Los canales proteicos forman conexiones continuas entre los dos lados de la mémbrana, transportan moléc:ulas más Iápidamente y se unen de maneta menos intensa a sus sustratos. 15. Un canal recubierto por cargas positivas atraerá aniones, que en este ejemplo corresponden al Cl". • 16. La glucosa es demasiado grande para pasar a través de un canal. Página 142 17. La dirección de la difusión fadlitada de la glucosa se invlerte,.y la glucosa abandona la célula. Página 145 18. La ATPasa es un contratransportadory el SGLT es un Simportador. La.

ATPasa requiere energía del ATP para modificar su confonnadón,

Página 150

21. En la fagocitosiS, el dtoesqueleto empuja a la membrana hacia afue. ta pata englobar una partkula en una vesícula grande.. En la endod· tosis, la superll.de de la membrana se invagina y la vesícula es mUcho más pequeña. 22. Las proteínas asociadas con la endodtosis son clatrlna y caveolina. 23. Las proteínas Ingresan a las células por endodtosiS y salen de ellas por exodtosiS. Página 153 24. El movimiento del sodio hada afuera de la célul3. requiere energía porque la direcdón del flujo lónlco es en contra del gra_diente de con· centradón. 25. La ouabaína aplicada sobre el lado apical no tendrla efecto porque no existen moléollas de Na+-K+·ATPasa en ese lado. La ouabaína aplicada del lado basolateral detendrá la boinba. El transporte de glucosa continuará durante un tiempo hasta que el gradiente de Na• entre la célula y la luz desaparezca debido a la entrada de Na• a la célula. 26. Se ilustra el transportador GLUT2. Página 153

27. La transdtosis se detendrá porque el transporte de vesículas por par· te del citoesqueleto depende de los miaotúbuios fundonantes. Páglna156 28. El bebé ha perdido !litro de agua. Página 159 29. NaCll M= NaC12 OsM. La glucosa 1 M(= 1 OsM) y el NaCil OsM tienen la mayor cantidad de agua. 30. a) El agua se desplaza hada A porque Aes 2 OsM; b) no existe movimiento neto porque la urea difunditá a través de Ia membrana hasta. que alcance el equilibrio; e) el agua se desplaza hada A, porque Atiene tma mayor_CI?ncenttadón de solutos no penetrantes. 31. a) La solución de NaCJ es·mejor, aun cuando ambas soluciones sean isosmolates para el organismo (CW!.dro S-9). Puesto que la sangre se pierde desde el com¡íartimento extracelular, !a mejor soluctón de reemplazo debería pennanece:r en el líquido extracelular. As!, la glucosa no es una elección tan buena porque ingresa lentamente a las células, llevando agua consigo. b) Si se perdió 1 L, debería reemplazarse al menos 1 L.

Página 155 Flg. 5-28: 1) 25% de 14L = 3,5 L de plasma. 7S% = 10,5 L de líquidointerstidal. 2) Agua corporal total= 42 L. 3) 3,5 L{42 L"' 8,3% de plasma; IO,S IJ42 L 25% volumen intersticial

=

Páglna160 Flg. 5-31: a) isosmolar e Isotónica; b) hiperosmolare Isotónica¡ e) hiperos. molar y hipotónica.

nos K+.

Página 164 F!g. 5·34: líquido intracelular= -1 y liquido extracelular = +l.la membrana celular no es permeable a Na•, cr ni proteínas.

se estabiliza en una linea horizontal. Página 152 Flg. 5-26: a) 1 = b; 2 =a¡ 3 = b. b) El transporte basolateral de glucosa

mientras que el SGLT utiliza la energía almacenada en el gradiente de concentración del Na+.

es pasivo porque la glucosa se desplaza a favor de su gradiente de concentración. e) El movimiento de Na+ a través de la membrana apica! no requiere ATP porque el Na• se desplaza a favor de su gradiente de concentración.

Página 131 Fig. S-3: 1. El plasma contiene proteínas y aniones grandes que .no se encuentran en el líquido intersticial. 2. El compartimento extracelular contiene más Na•, CJ· y bicarbonato que el compartimento in!Iacelular, y me-

Página 147 Flg. 5-22: Debería marcarse el eje de las x en el punto en donde la curva

=

173 -

Página 165 Flg. 5-36: 1) La fuga de Na• hada el interior de la célula está promovida por los gradientes de concentradón y eléctrico. 2) La fuga de K+ hada

afueta de la célula está promOVida por el gradiente de concentración.

1

Comunicadón entre células

Comunicadón, integración y homeostasis (omunkm:ión

mttn~ cékd~;s

175 las uniones en hendidura crean puentes citoplasmáticos 176 las señales dependientes del contacto necesitan el

contacto entre las células 176 Las señales paracrinas y autocrinas llevan a cabo las comunicacioneS locales 176 las señales neuronales, las hormonas y las neurohormonas son responsables de la comunicación a larga distancia

176 las citodnas pueden actuar como señales locales

o de larga distancia

Vías de sei\ales 178 las proteínas receptoras están ubicadas dentro de la célula o en su membrana 179 las proteínas de membrana facilitan la transducción de señales

182 Las enzimas receptoras tienen actividad de proteindnasa o de guanilil ddasa 183 la mayoría de los sistemas de transducdón de señales usan proteína G 183 El sistema adenilil cidasa
Moléculas cle s~fit~l m..!E;vas 185 El caldo es una importante señal intracelular 186 Los gases son moléculas de señal efímeras

188 Algunos llpidos son importantes señales paracrlnas

f\11odubt.:km de iJ-s. vi<J;, tk s0ñah:: rel="nofollow"> 189 Los receptores presentan saturación, especificidad y competencia 190 · La regulación por incremento y la regulación por disminución permiten a la célula modular sus respuertas 191 Las células deben ser capaces de terminar las vías de señales 191 Muchas enfermedades y tratamientos tienen como objetivos las proteínas de transducdón de señales

Vi(.IS de wntml; rr:srn¡e:;t<J~ y bw:lo:; eh~ rQtto¡-:dimerrtad6n 192 194

197 198

199 200 200 202

203

Los postulados de Cannon describen las variables reguladas y los sistemas de control fisiológico la homeostasis puede mantenerse mediante vlas locales o de larga distancia los bucles de respuesta comienzan con un estímulo y finalizan con una respuesta los valores de control pueden variar Los bucles de retroalimentación modulan los bucles de respuesta El control por prealimentación permite al organismo anticipar un cambio y mantener la estabilidad los ritmos biológicos son el resultado de cambios en un valor de control los sirtemas de control varfan en velocidad y especificidad las vías de control reflejo complejas tienen varios centros de integración

Son.I!JS Ocho de la mañana, y Mar~ín Garc.lá;·ae ~Ó_ a~OS,-.tiene_ hambre. HacOncurrido al consultoÍ'Ío de~sU mé¡:lico dé..cabecera . "ant~s'·de! desaru~o pa~ so_rileterse a· u~~ ~rueb
- ·.

·•~ Dlf~1~f1Irí11!lj~;¡~~~ En 2003, los National Institutes of Health de los Estados Unidos

se embarcaron en un ambidoso proyecto con el objetivo de promover la aplicación de las conclusiones de la investigación básica en los tratamientos médicos y las estrategias para la prevención de las enfermedades. Quienes contribuyen con el NIH Roadmap (http://nihroadmap.nih.gav) compilan información sobre las vías biológicas en un esfumo por comprender cómo se comunican las células entre sí - y cómo mantienen al cuerpo en el estado de salud. Este capítulo es. tudia los mecanismos básicos de comunicación entre las células y muestra cómo la coordinación de las funciones depende de las señales químicas y eléctri:cas.la combinación de difusión simple a través de pequeíías distancias, amplia distribución de moléculas por el sistema circulatoño y llegada rápida y especifica de mensajes p:rr parte del sistema nervioso permite que cada célula del organismo se comunique con muchas otras y se mantenga la homeostasis.

COMUNICACIÓN ENTRE CÉLULAS En los últimos años la cantidad de información disponible sobre la comunicación entre las células se ha multiplicado como re-

{a) Las uniones en hendidura

o comunicantes forman conexiones directas entm los citoplasmas de células

adyacentes.

sultado de los avances en las tecnologías de investigación. Se sabe ahora que las vías de señales, que una vez parecieron bastante simples y directas, son redes increíblemente complejas de transferencia de infonnadón. En las próXimas secciones presentaremos lo que se conoce hoy sobre la comunicación entre las células, en forma de esquemas básicos que usted puede aprender y reconocer cuando los encuentre al estudiar fisiología. Según las estimadones el cuerpo humano está formado por unOs 75 billones de células: .Esas células enfrentan una tarea inti· midante: comunicatse ~as con otras en forma rápida y que in· duya una enorme cantidad de información. Sorprendentemente, existen sólo dos tipos básicos de señales fisiológícas:3!léctricas y químicas. Las señales eléctricas son cambios en el potencial de meffibrana ( &.lp. 162). las señales químicas son moléculas se. cretadas por las células en el líquido extracelular.las señ~es quí· _micas son responsables de la mayor parte de la comunicación del ofgánismo. Las células que reciben las señales eléctricas o· químicas se llaman células diana o células blanco. Nuestros cuerpos utilizan cuatro métodos básicos para la comunicación entre células: 1) uniones en hendidura o comunicantes, que penniten la transferencia citoplasmática directa de señales químicas o eléctricas entre células adyacentes, 2) señales dependientes del contacto, que ocurren cuando las moléculas de superfide de una membrana celular se unen a las moléculas de superficie de la membrana de otra célula, 3) comunicaciones lo.cales mediante sustancias químicas que difunden a través.dellí· quido extracelular, y 4) comunicaciones a larga distancia mediante una combinación de señales eléctricas transportadas por nervios y señales químicas transportadas por la sangre. Una mo.lécula dada puede fundonar como señal en más de un método. Por ejemplo, una molécula puede actuar cetca de la célula que la liberó (comunicación local) y en lugares distantes del cuerpo (comunicación a larga distancia).

Las uniones en hendidura crean puentes dtoplasmáticos La forma más simple de comunicación entre células es la transferencia directa de señales químicas y eléctricas a través de las uniones en hendidura o comunicantes canales proteicos que forman puentes dtoplasmáticos entre células adyacentes (Fig. 6-1a fil) ( §il p. 69), Una unión en hendidura se forma a partir de la unión de proteínas que sobresalen de la membrana, llamadas tXJ..

{b) Las señales dependientes del contacto requieren la Interacción entre moléculas de membrana de las dos células.

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175

{e) Las señales autoc:rlnas actúan sobra la misma cél~a que !as secretó. Las seflales parac:rinas son secretadas por una célula y cflfunden a células adyacentes.

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&ñ FIGURA 6-1 Contacto d;redo y comunicadón local entre células la c?municadón local puede producirse medi~nte señales autocrinas o paracrinas.

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176

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

nexinas, en dos células adyacentes. Las conexinas unidas generan un canal proteico (canex6n) que puede abrirse yserrarse. Cuando el canal está abierto, las células conectadas funcionan como si fuesen una sola célula con varios núcleos (un sindüo). Cuando las uniones en hendidura están abiertas, los iones y las moléculas pequeñas como los aminoácidos, el ATP y el AMP cíclico difunden dtrectamente desde el citoplasma de una célula al de la otra. Al igual que en otros canales de membrana, las ~oléculas más grandes no pueden pasar a través de 111$ uniones en hendidura. Además, este tipo de unión es el único medio por el cual las señales eléctricas pueden pasar directamente de una célula a otra. El movimiento de las moléculas a través de las uniones en hendidura puede modularse o impedirse por completo.. No t~das las uniones en hendidura son iguales. Los científicos han descubierto más de 20 isoformas diferentes de conexinas que pueden combinarse o acoplarse para formar estas uniones. La variedad de isoformas de conexinas hace que la selectividad de las untones en hendidura varíe de un tejido a otro. En los mamífetos, estas uniones se encuentran eQ. casi todos los tipos celulares, incluidos el músculo cardiaco, algunos tipos de músculo liso, el pulmón, el hígado y las neuronas.

1

Las señales dependientes del contacto necesi~n el contacto entre las células Para algunas formas de comunicadón entre las células es necesarto que las moléculas de la membrana de una de ellas se unan a proteínas de la membrana de la otra (Fig. 6-lb). Estas seiiales depen· dientes del contacto apare@! en el sistema inmunitario y durante el crecimiento y el desarrollo, como cuando las células nerviosas envían largas extensiones que deben crecer desde el eje central del cuerpo hasta los extremos distales Qejanos) de los miembros. Se ha demostrado que las CAM, moléculas de adhesión celular (siglas en inglés), cOnocidas inicialmente por su papel en la adhesión entre cé.. lulas { ~p. 69), actdan también como receptores en las señales entre células. Las CAM se wen al citoesqueleto y a las enzimas intracelulares. Mediante estos vínculos, las CAM transfieren- señales en ambas direcciones a través de las membranas celulares.

Las señales paracrinas y autOcrinas llevan a cabo las comunicaáones locales La comunicación

local se logra mediante señales paracrinas y autocrinas. Unasefial paracrina (para-, a un lado; kinen, secretar) es una sustancia química que actúa en células ubicadas en la región vecina a la célula que la secretó. Si una señal química actúa sobre la miSma célula que la secretó, se denomina señal autocrina (auto-, sobre sí mismo): En algunos casos, una molécula puede actuar a la ·vez como señal paracrina y como señal autocrina. Las moléculas de las señales paracrinas y autocrinas alcanzan a sus células diana difundiendo a través del líquido intersticial (Fig. 6-lc). Como la distancia eS un factor limitante para la d.ifu. sión, el alcance efectivo de las señales paracrinas se restringe a las células adyacentes. Un buen ejemplo de molécula paracrina es la histamina, una sustancia química liberada por las células dañadas. Cuando uno se raspa con un elemento puntiagudO, la pá.pula roja y elevada que se forma se debe en parte a la liberación local de histamina del tejido lesionado. La histamina actúa como señal

Vías de señales

paracrina, difundiendo a los capilares del área inmediata a la lesión y haciéndolos más permeables a los glóbulos blancos y los anticuerpos del plasma. También sale líquido de los vasos sanguíneos, que se acumula en el espado interstidal, causando la hin· chazón que rodea al área lastimada. Varias clases importantes de moléculas actúan como ~eñaÍes locales. Las dtodnas son péptidos reguladores que generalmente actúan en lugares cercanos a donde fueron secretados. Los eicosanoides (~p. 29) son moléculas de señal paracrinas y autocrinas derivadas de lipidos. Las citodnas y los eicosanoides serán presentados con detalles más adelante.

Las señales neuronales, las hormonas y las neurohormonas son responsables de la comunicaáón a larga distancia Todas las células del organismo pueden liberar señales paracrt· nas, pero la mayoría de las comunicaciones a larga distancia entre células son responsabilidad de los sistemás nervioso y endocrino. El siStema endocrino se comunica mediante las hormonas (homwn, excitar), señales químicas que son secretadas en la san· gre y distribuidas por todo el cuerpo con la circulación. Las hormonas entran en contacto con la mayoría de-las células del cuer· po, pero solamente aquellas que tienen los receptores apropiados son su diana (Fig. 6-Za lil). El sistema nervioso utillza una combinación de señales químicas y eléctricas para comunicarse a largas distancias. La señal eléc· trica viaja a lo largo de la célula nerviosa (neurona) hasta alcanzar su extremo, donde se traduce en una señal química secretada por la neurona {neurocrina). Si una molécula neurocrina difunde de la nemona a través del estrecho espado extracelular para llegar a la célula diana y generar un efecto rápido, se llama neurotransmisor (Flg. 6-Zb). Si la neurocrtna actúa más lentamente, como si fuese una señal auto'crina o paraatna, se denomina neuromodu· lador. Si la neurocrina hberada difunde a la sangre desde donde se distribuye, se llama neutobormona (Fig. 6-2c). Las semejanzas entre las neurohormonas y las hormonas clásicas secretadas por el sistema endocrino desvanecen la distinción entre los ·sistemas · nervioso y endocrino, presentándolOs como un continuo en lugar de dos sistemas diferentes (véase la Fig. 6-31).

Las cítocinas pueden actuar como señales locales o de larga distancia Las cttodnas están entre las moléculas de comunicación iden· tificadas más recientemente. Al principio, el término dtvcina se refería solamente a proteínas que modulaban 1~ respuestas in· munológicas, pero en los últimos años la definición se ha ampliado para incluir a varios péptidos reguladores. Todas las células nudeadas sintetizan y secretan citodnas·en respuesta a estímulos. Las citodnas controlan el desarrollo de la célula, su diferencia· dón y la respuesta inmunitaria. En el desarrollo y la diferencia· dón, las dtocinas actúan como señales autocrinas o paraainas. En el estrés y la inflamación, algunas de ellas pueden actuar sobre dianas relativamente lejanas y ser transportadas a través de la dr· culadón, al igual que las hormonas. ¿Qué diferencia a las citodnas de las hormonas? En general, las dtodnas actúan sobre un grupo más amplio de células diana.

{a} Las hormonas son secretadas por glárldulas·o céllllas endocrinas hacia la sangre. So!amenttl !as células diana con receptores para la hormona respooderán a ia señal.

177 ·

{f) neurotransmisor

· (g) paracrina

2. ¿Cuáles de las moléo.Jlas de señales enumeradas en la pregunta anterior son transportadas por el aparato cir· culatorio? ¿Cuáles están asociadas con !as neuronas? 3. Un gato ve un ratón y se abalanza sobre éL ¿Conside-

raque la orden interna para el salto puede haber sido transmitida por una señal paracrina1 Mencione dos motivos que expliquen el porqué de su respuesta. Respuestas en la p. 209

• v

{b)-los neurotransmisores son sustancias qulmicas secretadas por neuronas que difunden através de una pequeña wparación hacia la célula diana. Las neuronas utillzan también seilaleS eléctricas.

~~

;,""~;" .. \, ~ ~ ~ (e} Las neuroho.rmonas son sustancias qulmicas liberadas por las neuronas hacia !a sangra, para que actllen sobre dianas aleladas.

VÍAS DE SEÑALES Las señales quimícas en forma de moléculas y hormonas para· erinas y autocrinas se liberan de las células al compartimento ex· tracelular. Ésta no es una forma muy específica de llegar a sus dianas, porque las sustancias que Viajan por la sangre llegan a casi todas las células del organismo. Aun así, no todas las células res· ponden a cada señal que les llega. ¿Por qué algunas de ellas res. ponden a una determinada señal quúnica mientras que otras la ignoran? La respuesta está en las proteínas receptoras de la célula diana, a las cual~se unen las señales químicas ( &1 p. 137). U1111

cilula no puede responder a tma señal química si carea del las proteínas receptoras adecuadas para esa señal (Fig. 6-Za). Si la célula diana tiene un_ receptor para la molécula señal, la llllión de ésta al receptor iniciará una respuesta. Todas las vías de las señales comparten las siguientes características comunes (Fig. 6-3 1\íi): l. La -molécula Señal es un ligando que se une al receptor. Elli·

gando también se conoce como pn'mer mensa¡'ero porque trae la información a la célula diana.

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mFIGURA 6-2 Corilunicadón entre células a larga distanda Además, no son producto de glándulas especializadas (como lo son las hormon3s) y se sintetizan según su dernimda. Pot el contrario, la mayoría de las hormonas prot~cas o peptídicas se prcr ducen por adelantado y se almacenan en la célula enqoaina hasta que se las necesita. Sin embargo, la distinción, entre unas y otras a veces es borrosa. Por ejemplo, la eritropoyetina, la molécula que controla la síntesiS de eritrocitos, se considera tradicicr nalmente una hormona pero por su función encaja con la definición de cttocina.

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en estos procesos. Los pasos en las

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sus !conos.

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:;;J_,,-¡jt' Relacione cada método de comunicación de la columna ~1;,;/7 de la izquierda corl su propiedad en la columna derecha. {a) autocrina

la comunicación ocurre mediante:

{b) citodna

1. señales químicas 2. señales eléctricas

(e) unión en hendidura hormona {e} neurohormona {d)

3. señales tanto qufmicas como eléctricas

¡¡¡¡ AGURA 6-3 Vías de señales

•f.;

l ._.

178

Vías de señales

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

2. la unión del ligando al receptor activa a éste último,_ 3. El receptor a su vez activa una o más moléculas de señ'al in· tracelula:res. 4. la última molécula señal de la vía inicia la síntesis de proteínas diana o modifica las proteínas diana existentes para crear una respuesta. F.n las próximas secdones, describiremos algunas vías de seña· les básicas. Pueden parecer complejas al pñndpio, pero siguen pa· trones que encontrará una y otra vez a medida que estudie los sistemas y aparatos del cuerpo. la mayoría de los proces.os fisiológicos, desde el latir del corazón hasta el aprendizaje y la memoria, utilizan alguna variante de estas vías. Una de las maravillas de la fisiología es la importancia fundamental de las vías de señales y la forma en que se han conservado en los animales, desde los gusanos hasta los seres humanos.

1

Las proteínas receptoras están ubicadas dentro de la célula o en su membrana Las señales químicas se dividen en dos amplias categorías, de acuerdo con su solubilidad en lípidos: lipofílicas o lipofóbicas. Los receptores de la célula diana pueden estar en el núcleo, en el

átosol o en la membrana de la célula como proteínas ihtegradas.

>

179

l .

El lugar donde se une la señal química con el receptor depende principalmente de su capacidad de entrar en la éélula (Fig. &4 m).

Las mcléculas de señallipofüicas pueden difundir a través de la bi· capa de fosfolipidos de la membrana celular ( ~ p. 135) y unirse a receptores dtoso1iais o receptxJres nucleares. En estos casos, la activaciófl del receptor a menudo activa un gen y hace que el núcleo sintetice nuevo mRNA {transcripción; ~p. 115). El mRNA constituye entone~ un molde para la síntesis de nuevas proteínas (traducción; ~ p. 118). Este proceso es relativamente lento, y la respuesta de la célula puedé no evidenciarse durante una hora o más. En algunos casos el receptor puede también desactivar, o reprimir, la actividad del gen. Muchas de las moléculas de señallipofílicas que siguen es. te esquema son hormonas, por lo que pospondremos la explicadón detallada de su acción hasta el próximo capítulo. Las moléculas de señal Iipo(6bicas son incapaces de difundir a través de la bicapa fosfolipídica de la membrana celular. En lugar de ello, permanecen en el liquido extracelular y se unen a protei· nas receptoras de la membrana. (Algunas moléculas de señallipofílicas también se unen a receptores de la membrana celular.) Eb general, el tiempo de respuesta de las vías vinculadas con proteínas receptoras de la membrana es muy rápido, y pueden verse 'las consecuencias de su acción en milisegundos a minutos.

<

1 La unión con el ligando abre o cierra el canal.

La unión del f¡gando a una La unión del ligando a un recept1 enzima.receptor activa una asociado a !a protefna G abre un canallónico o modifica la enzima Intracelular. actividad enzimática.

la unión del ligando

a integri.nas receptoras modifica el citoesquefeto,

mFIGURA 6-5 Cuatro categorías de receptores de membrana

\...

_J:

~

Molécula deseílal

C: ._T) Receptor 1

Q

ó

Los receptores proteicos de las moléculas de señ.al tienen un . papel importante en la fisiología y la medicina. Aproximadamente la mitad de los fármacos utilizados hoy actúa sobre alguna proteína receptora. Los receptores de membrana pueden agruparse en cuatro categoñas principales, .ilustradas en la figura 6--5 mLos receptores más simples .so.n canales tónicos regulados por compuertas químicas (activados par ligando) llamados receptores-canales (m p. 139). La unión del ligando abre .o derra el canal y altera·el flufo de Iones a través de la membrana. En la figura 6--S se muestran otros tres tipos de receptores: enzi. · mas-receptmes, receptoro; asociadM aprotefna Gy recep-int
cWRE.'ÍÍISIÓN {1~~-%"4. Enumere cuatro componentes de las vfas de señales. y¿;,• S. Nombre tres ubicaciones de los receptores en las célu· las. Respuestas en la p. 209

Las proteínas de membrana faCilitan la transducdón de señales · ¡¡¡¡ AGURA _6-4 Réceptores de la célula diana

Los receptores son proteínas de membrana o están ubicados en el dtosol o el núcleo.

La transducdón de seüales es el proceso por el cual una molécula de señal extracelular activa un receptor de membrana que a su~ vez modifica a otras moléculas intracel~ para generu

una respuesta La molécula de señal extracelular es el primer mensajero, y las moléculas intraceluiares forman un sistema de segundo mmsa;ero. El ténnlno transáucd6n áe señales viene del ver· bo transáucir, que significa "guiar a través" (trans, a través; ducere, guiar o conducir).

180

Capftulo 6 Comunicación, integrnción y homeostasis

Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de señal en otra forma diferente. Por ejemplo, un radio es un transductor que convierte las ondas,Pe radio en ondas de sonido (Fig. 6-6 0). En los sistemas biológt-· cos, los transductores convierten el mensajes de las mQ., Jéculas de señal extracelulares en mensajes intracelulares que dispaian umi. respuesta. En los sistemas biológicos, al .igual que en un radio, la señal original no solamente se transfonna sino que además se amplifica (amplificare, hacer más grande). En las células, la amplifi.cactón de la señal transforma a una sola molécula de señal en muchas moléculas de segundo mensajero. El proceso comienza cuando el ligando se combina con su receptor (Fig. 6-7 ~·El complejo receptor-ligando activa entonces a una enzima ampli· ficadoia, una molécula que activa a varias otras. Al fi. nalizar el proceso, el efecto del ligando se ha amplificado mucho más que si hubiese una relación 1:1 en cada paso. La amplificación le da al organismo umás rendimiento por el mismo dinero" penpitiendo que una pequeña cantidad de ligando genere un gran efecto. El esquema básico de la vía de transducción de señales en biología se muestra en la figura 6-8 my puede desglosarse en los siguíentes eventos.

Vías de señales ~~ ,.

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QMolécu.la

()Molécl.l!a deseñal

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U¡vido

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J.j. \

In"'"""'": . @)@) ®

. llll!\~ ·4/lJJ¡!Al\\\\

0®GG:~.QQ,GQ~QOOGGGG ,

Un ligandO es amplffictido a mUchas moléculaS lntfficelurares

181

y

~L deseñal

f:i"·. :·--" Receptor

Receptor

~

;;¡: ~. :~" ~ Jntracelu~

~.';';~"

Intracelulares

~ Protefnas diana

- Protefnas dian,a

~Respuesta Uquido Intracelular

1

mFIGURA 6-7 Amplificadón de señales

La transducclón de sefiales convierte una t0rrn·a:-d9-Séñ8l en· otra. diferente. -" - '- ·:(--

t

Ondas de radio

... j

""'· 1 r urr

Ondas de sonido ii FIGURA 6-6 Transducdón de señales

Un ejemplo de transducción de señales en el mundo de la física es el proceso que tiene lugar en un radio. El radio contiene un trans. ductor que convierte las ondas de radio en ondas de sonido.

l. Una molécula de seftal extracelular se une a un receptor de

membrana proteico o glucoproteico y lo activa. 2. El receptor de membrana a su vez activa a rus proteínas asociadas. Estas proteínas pueden: a) activar proteincinasas, que son enzimas que trasfieren un grupo fosfato del ATP a una proteína ( !11ii!p. 100). La fosforiladón es un método bioquímico importante de regulación de los procesos celulares. b) activar enzimas de amplificación que generan segundos mensajeros intracelulares. Las enzimas de amplificación y los segundos mensajeros más comunes se enumeran en los cuadros 6-1 my 6.2 m. 3. Las moléculas del segundo mensajero pueden entonces: a) alterar la abertura de canales de iones. La abertUra o el dene de éstos genera seiiales· eléctricas modificando el potendal de la membrana celular ( ~p. 162). b) incrementar el caldo-intracelular. La unión del caldo a las proteínas modifica su función, generando una res-puesta celular. · e) cambiar la actividad de enzimas, especialmente de las proteindnasas o- proteinfosfatasas, enzimas que remueven un grupo fosfato.-La fosforiladón o des(osfari· lad6n de una proteína puede cambiar su configuración y generar una respuesta. Algunos ejemplos de cambios que ocurren con la fosforilación son el aumento o el descenso de la actividad enz:imática y la abertura o el derre de los canales iónicos. · 4. Las proteínas modificadas por unión con caldo y fosforiladón pueden controlar algunos de los siguientes elementos:. a) enzimas metabólicas, b) proteínas motoras para la contracción de los músculos y el movimiento-del citoesqueleto, e) proteínas que regulan la actividad de genes y la síntesis de otras proteínas y d) proteínas de membrana de transporte y receptoras.

lil FIGURA 6-8 Transducd6n de

señales biológicas

,, Si piensa que esta lista incluye casi todas las actividades de una célula, ¡tiene razón! Puede verse en este esquema básico que los pasos de una -vía de transducdón de señales forman una cascada (Fig. 6-9 m) que comienza cuando un estímulo (la molécula señal) convierte a la molécula inactiva A (el receptor) en su forma activa. La molécula A activa convierte a B inactiva en B activa, ésta hace lo mismo con la molécula C~ y así sucesivamente, hasta que en el paso final

un sustrato se convierte en producto. Muchas vías de señales intracelulares son cascadas. La coagulación de la sangre es un ejem~ plo importante de cascada extracelular. En la siguiente sección se verán con mayor detalle los cuatro ti~ pos prindpales de recetores de membrana (véase la figura 6-5). Tenga en mente que estos receptores pueden responder a cualquiera de los distintos tipos de molé<:ulas de señal: honnonas, neurohormonas, neurotransmisores, citocinas, paracrinas o autocrinas.

Rec-eptor Í!sociado a !a proteína G_

182

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeonasis

Vias de señales

183

§FIGURA 6·10 Tlrosincinasa~

SEGUNDO MENSAJERO

ACOÓN

ejemplo de enzima receptora la tirosincinasa (TI<} transfiere un grupo fosfato del ATP a una tirosina (un aminoácido) de una proterna.

EFECTOS

Iones

-c.>•

1

Se une a la calmodu!ina Se une a otras proteínas

Altera actividad enzimática Exodtosis, contracción muscular, movimiento del citoesqueleió, apertura de canales

(~,-..__)Molécula

"r· "'""" Receptor r-~

l /· · :

r·

•

Activa proteindnasas, especialmente proteincinasa A

Fosforila proternas

Se une a canales iónicos

Modifica la apertura de canales

Activa proteindnasas, especialmente protelndnasa G Se une a canales iónicos

Fosforlla protelnas Modifica la apertura de canales

Libera (32+ de los depósitos intracelulares

Véanse los efectos del Ca2~

OAG

Activa proteincinasa C

Fosforila protelnas

La mayor/a de los sistemas de transducdón de señales usan proteína G

--~; r:=-:~cc-:--¡ /_,.Estimulo -, !nlcial )

REVISIÓN 6. ¿Cuáles son los cuatro pasos de la transducción de señales? 7. ¿Qué ocurre en la amplificación? 8: ¿Por qué las hormonas esteroideas no necesitan la transducción de señales ni !os segundos mensajeros para ejercer su acción? (Sugerencia: ¿los esteroides son lipofóbicos o !ipofílicos?.) Respuestas en !a p. 209

Las enzimas receptoras tienen actividad de proteincinasa o de guanilii ciclasa Las enzitnas receptoras tienen dos regiones: una región receptora del lado extracelular de la membrana, y una región enzi. mática del lado citoplasmático (véase la figura 6-5). En algunos casos, la región receptora y la región enzimátlca son parte de la misma molécula proteica. En otros, la región enzimática es una proteína separada. La unión del ligando activa a la enzima. Las enzimas de este tipo son proteindnasas, como la tirosindnasa (Fig. 6-10 &1), o guardlil de/asas, la enzima amplificadora que convierte al GTP en GMP cíclico (cGMP) (~p. 32). Son ligandos pa~ ra las enzimas receptoras muchos factores de crecimiento y dtodnas, así como la hormona insulina.

't,

j\it#I<$~Qa.

Intracelulares

6

Derivados de Upldos IP3

Moléculas de señal

¡

~Aactivo t ~Bactivo B inactivo t ~e Cinactivo

A inactivo

PREGUNTA Utilizando ~cuadros 6-1 y 6-2, cree una cascada que Incluya ATP, cAMP. adenilll clclasa, una protefna

fcsfori!ada y prote1ncinasa. A. Relacione estas moléculas con !os pasos mostrados en esta figura ·

lB AGURA 6-9 Pasos de una cascada

Los receptores asociados a la proteína G son una gran y com· pteja familia de proteínas que atraviesan la membrana, cruiando la bicapa de fosfolípidos siete veces (véase la figura 6-5). El extremo citoplasmático de la proteína receptora está unido a una moléa.ila transductora de membrana de tres partes conocida como proteína G. Se han identificado cientos de receptores asociados a la proteína G, y la lista continúa creciendo. Los tipos de ligandos que se unen a los receptores asociados a la proteína G son, entre . otros~ hormonas, factores de crecimiento, moléculas olfatorias, pigmentos visuales y neurotransmisores. En 1994, Alfred G. Gil· roan y Martin Rodbell recibieron el premio Nobel por el descubrl-

UquTdo fntracefufar

1

miento de la proteína G y su papel en la transmisión de señales celulares. La proteína G tiene este nombre debido a que se une a nucleó- · tidos de guanosina (~p. 32). La proteína G inactiva se une a di· fosfato de guanosina {GDP). El intercambio de GDP por trifosfato de guanoslna (GTP) activa a la proteína G. Entonces, puede ocu· rriJ: que 1) se abra un canal iónico en la membrana, o 2) que se modifique la actividad enzimática del lado dtoplasmático de la membrana celular. La proteína G sumada a las enzimas amplificadoras conforman la mayoría de los mecanismos de transducdón de señales ronocj.dos. Las dos enzimas amplificadoras más frecuentes para los receptores unidos a proteínas Gson la adenilil dclasa y la fosfolipasa C. Las vías de estas enzimas amplificadoras se describen a contínuadón.

El sistema adenilil ddasa·cAMP lleva a cabo la transducción de señales de muchas hormonas lipofóbicas El sistema adenilil dclasa-<:AMP asociado a la proteína G fue la primera vía de transducdón de seiíales identificada (Fig. 6-11 Si). Fue descubierto en la década de 1950 por Earl Suthezland mientras estudiaba los efectos de las hormonas en el metabolismo de los hidra· tos de carbono. Este descubrimiento resultó ser tan importante para nuestro conodmiento sobre la transducdón de seiíales que en 1971 Suthezland fue galardonado con el premio Nobel por su trabajo. En el sistema adenilil cídasa-cAMP, la adenilil de lasa es la enzima amplificadora que convierte al ATP en el segundo mensajero 4MP cíclico (cAMP). El AMP dclico activa a su vez a la proteínd:nasa A (PK-A), que posteriormente fosforila a otras proteínas in· tracelulares como parte de la cascada de la señal. El sistema de adenllil ciclasa
Los r~ceptores asodados a la proteína Gutilizan también segundos mensajeros derivados de lípidos Algunos receptores asociados a la proteína Gse .unen a una enzima de amplificación diferente: la fosfolipasa e (Fxg. 6-12 m).

184

Mo!~u!as

Capftulo 6 Comunicación, integración y homeostasís

de señales nuevas

185

@la mol~j;d;~al se une · a un receptor asociado a la protefna G, que activa a esta proteín~~~·

@ la proteína e;-;;;¡~ a la adenílil

ciclasa, una enzima amplificadora.

1

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Liquido intracelular

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REFERENCIAS PL..C "' fosfo!ipasa e

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ElElEI~ ':1o\\ &EIQ ':.?e~~

Las proteínas que atraviesan la membrana conocidas como integrinas {~p. 70) median la coagulación de la sangre, la reparación de heridas, la adhesión celular y el reconocimiento en la res. puesta inmunológica, y el movimiento de las células durante el desarrollo. Del lado extracelular de la membrana, las integrinas se unen a proteínas de la matrlz extracelular (~p. 68) o a ligandos

"' retículo endoplasmático

Las vías de señales más rápidas cambian el flujo de iones a través de los canaleS Los canales iónicos regulados de ligandos son los receptores más simples, y la activación de un canal-receptor inicia las res. puestas celulares más rápidas. Por esta razón estOs receptores se ubican a menudo en los tejidos excitables de los nervios y ló~ músculos. Cuando una molécula de señal extracelulai: se une a la proteína del receptor-cima!, las compuertas del canal se abren o se cierran, cambiando la permeabilidad de la célula para un deter· minado ión. Un ejemplo de receptor-canal es el canal de cationes activado por la acetilcolina en los músculos esqueléticos. El neurotransmisor aceti1cclina de una neurona adyacente se une al re-ceptor y abre el canal, generando una cascada que inicia la con· tracción muscular.

(PL·CJ, una enzima

amplificadora.

diacilg!icero! {DAG), que permanece en la membrana, e !Pa, que difunde al citoplasma.

·ooooo ·ooo

como los anticuerpos o las moléculas participantes de la coagula. ción de la sangre. Dentro de la célula, las integrblas se unen al d· toesqueleto mediante protefnas de anclaje (Fig. 6··5). La unión del ligando con el receptor hace que la integrina active enzimas in· tracelulares o altére la organización del dtoisqueletó. La importancia de los receptores integtinas se demu~tra en las enfermedades hereditarias en las cuales están ausentes. EÍ1 una de ellas, las plaquetas (fragmentos celulares que participan en la coagulación de la sangre) carecen de llÍl receptor integrina. Como resultado, la coagulación de estos indi~duos es defectuosa.

~ 81Pa cal!Sa la liberación de e&!+ de los orgánulos, creando una seña! que fosforita protelnas. deCa2+.

@ la protefna Gactiva @ la PL..C transforma los @ El DAG activa a la fosfolípldos de membrana en proteincinasa C {PK-G), ata fosfo!lpasa e

protefna G asociada

. 00000 000 00 000.00

Éste fue el primer sistema de segundo mensajero descrito.

Los receptores integrinas transfieren información desde la matriz extracelular

la molécula de sei'ial activa al receptO!" y a ra

QQ QOO 00

mFIGURA 6-11 El sistema adenilil ddasa asodada a la protefna G·cAMP Cuando una molécula de señal activa a esta vía, la fosfolipasa C (PL-C) convierte a un fosfolipido de la membrana ({osfatidilinosi.tol di{os{ato) en dos moléculas diferentes que actúan como segundos mensajeros: diacilglicerol e inositol trifosfato. El diacilglicerol {DAG) es un diglicérido no polar que permanece en la porción lipídica de iá membrana e interactúa con la p.roteincinasa C {PK-C), una enzima activada por el Ca2+ acopla. da a la cara dtoplasmática de la membrana celular. La proteindnasa C fosforila proteínas dtosólicas que continúan con la cascada de señales. El inositol trifosfato (IP;¡ es una molécula mensajera soluble en agua que entra en el citoplasma. Allí se une a un canal de caldo del retículo endoplasmático. La ~ón del IP3 abre el canal de eaz.., permitiendo que este ión difunda fuera del orgánulo hada el citoplasma. El caldo es en sí mismo una importante molécula de señ.al, como se mostrará ~ás adelante.

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DAG
0 FIGURA 6·12 El sistema de la fosfolipasa C ·En este sistema de segundo mensajero asociado a !a proteína G la fosfo!ipasa C {PL·C) convierte un lfpido de membrana en dos segundos mensajeros: diad!g!icero! {DAG) e inosito! trifosfato {!P3).

El aumento o la disminución de la permeabilidad de un canal iótúco modifican el potencial de membrana de la célula {~p. 165). Por ejemplo, la abertura del canal iónico de cationes activa· do por la acetilcolina ya descrito permite que entre Na+ al dtosol siguiendo su gradiente electroquúnico. La entrada neta de cationes despolariza a la célula, generando una señal eléctrica que altera las proteillas sensibles al voltaje (Fig. 6-13 !m). Nótese que no todos los canales iónícos regulados de ligandos son receptotes·canales que se activan directamente por moléculas de señal extracelulares. Algunos de ellos están controlados por se-gundos mensajeros intracelulares, como el cAMP. Otros se unen indirectamente a los receptores mediante la proteína G. 1S 1Ó N

9. Nombre las cuatro categorías de receptores de membrana. 10, ¿Cuál es la diferencia entre un primer mensajero y un segundo mensajero? 11. Coloque los siguientes términos en el orden corree· topara una vía de transducdón de señales:· a) respuesta celular, receptor, segundo mensajero, ligando b) enzima de amplificación, respuesta celular, pro-terna fosforitada, proteindnasa, segundo mensajero 12. En cada una de !as siguientes situaciones, ¿la célula se despolarizará o se hiperpolarizará?

{a) se abre el canal de C!· {b) se abre el canal de K+ {e) se abre el canal de Na+ Respuestas en l_a p. 2G9 La figura 6-141lil es un mapa de resumen de la transducdón básica de señales, que muestra las relaciones generales entre los pñmeros mensajetos, los receptores de membrana, los segundos mensajeros y las respuestas celulares.

MOLÉCULAS DE SEÑAL NUEVAS En los capítulos 7 y 8 se aprenderá más sobre hormonas y neurotransmisores·y sus vías de transmisión de señales. Las siguientes secciones presentan algunas moléculas de señal poco CO;ffiU· nes que son importantes en fisiología y medicina. SOn un ión (Ca2+), dos gases y una familia de mensajeros derivados de lípidos. Los procesos controlados por estas moléculas se conocen desde hace años, pero las señ.ales de control en· sí mismas se descubrieron en aftos relativamente recientes.

El caldo es una importante señal intracelular Los iones caldo son los mensajeros iónicos más versátiles (Fig. 6·15 m!). El caldo entra en el dtosol a través de canales de eaz.. re.

1

186

Moléculas de seña! nuevas

capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

1 mFIGURA 6--13 Cómo los iones aean señalés eléctricas guiados por voltaje, de canales regulados por ligandos o por cana· les con compuerta mecánica. El calcio también puede liberarse de Jos compartimentos intracelulares por acción de segundos men· sajeros, Como IP3• La mayor parte del Cal+ intracelular se almacena en el retículo endoplasmático (~p. 67), donde se concentra mediante transporte activo. I.a..liberadón del caz.- hacia el dtosol (desde cualquiera de las fuentes mencionadas) crea una señal de caz.., un "chispazo", que puede registrarse con técnicas por imágenes especiales para este ión (véase el recuadro Biotecnologia: uMedidón de las sefiales de caldo"). Los iones caldo se combin
transportadores o canales de iones. 2. El calciO se une a otras proteinas reguladoras y modifica el movimiento de proteinas contráctiles o del dtoesqueleto, como los roicrotúbulos. Por ejemplo, la uni.ón del caz.. a la proteína reguladora tToponina inicia la contracción muscular en la célula muscular esquelética. 3. El caz.. se une a proteinas reguladoras para disparar la exodtosis de vesículas secretoras ( ~ p. 148). Esto se mostró en el capítulo 5, en la descripción de la liberación de insulina en las células beta del páncreas. ·

4. El caz.. se une directamente a los canhles de iones para mo. dificar su apertura. Un ejemplo es el canal de K.. activado

Uquido lntmcelufar

por el Ca2+ que se encuentra en las células nerviosas. 5. La entada de eaz.. en el óvulo fertilizado inicia el desano-llo del embrión.

~~~•.dí'lslóN

:::,,_.) ·13. la concentración promedio t;le Ca 2_,_ extracelu!ar es de ·2,5 mmo!JL la concentración de Ca2... 1ibre en el citosol es de aproximadamente.0,001 mmoi/L Si una cé-

lula debe mover iones calcio desde su citosol al liquido extracelular, ¿utilizará transporte activo o pasivo? Explique su respuesta. Respuesta en la p. 209

Los gases son moléc.ulas de señal efímeras El óxido nítrico (NO), un gas soluble, es una nóvedosa molécula de señal paracrina y autocrina que actúa en lugares_cercanos a donde se produce. Su identificación llevó muchoS años, pOrque se degrada rápidamente, con una vida media o semivida de solo 2 a 30 segundos. (la vida media osemivida es el tiempo necesario para que la señal pierda la mitad de su actividad). F.n los tejidos, el NO se sintetiza por acctón de la enzima óxido n(trico sintasa (NOS) sobre el aminoácido arginina: Arginina + O· 6:ddo nflTiaJ sintasQ: l 2 NO+ dtrulina (un aminoácido)

9 FIGURA G.14 Resumen esquemático de los sistemas de transducdón de señales

187

Modulación de las vías de señales

Capftulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

188

~ÍJberado de los

~depósitos !ntra·!l----- rel="nofollow"> celulares de

c,2•

_L, /Señal \

' qufmica / '-·• .__.~u..-'

Uquido intracelufar

ha sido la identificadón de receptores huérfanos, receptores que no tienen un ligando conocido. Los científicos están tratando de investigar hada atrás las vías de transmisión dé señales para encontrar los ligandos que se unen a estos receptores huérfanos. Como resultado de este tipo de investigación, se ha reconocido redentemente la importanda y la universalidad de los eicosanoides, señales paracrinas derivadas de lípidos que tienen un papel importante en muchos procesos fisiológicos. Todas las moléculas de eicosanoides derivan del ácido araquidónico, un ácido graso de 20 carbonos. El proceso de síntesis es una red que se conoce como cascada del áddo araquidónico (Fig. 616 8). Para simplificarla, dividiremos esta cascada en pasos. El áddo araquidónico se produce a partir de tos fosfolípidos de membrana por acción de una enzima, la fosfolipasa Az (PLA2). La actividad de esta enzima está controlada por hormonas y otras señales. El áddo araquidónico puede por sí mismo actuar directamente como segundo mensajexo, modificando la actividad de canales de iones y enzirilas intracelulares. Puede también convertirse en una de varias dases de moléculas elcosanoides paracrinas. Estas moléculas Iiposolubles pueden difundir fuera de la célula y combinarse con receptores de células vecinas para ejercer su acción. Existen dos grupos principales de moléculas paracrinas derivadas del ácido araquidónico que deben considerarse: 1. Los leucotrlenos son moléculas producidas pór acdón de

ffil FIGURA 6-15 El caldo como mensajero intracelular Las señales de calcio se producen en el citoplasma cuando el caz+ entra en la célula o es liberado desde los depósitos intrace.

lulares.

la enzima lipoaxigenasa sobre el ácido araquidónico (leuco, blanco; trientJ, una molécula con tres dobles enlaces entre átomos de carbono). Los leucotrienos son secretados por ciertos tipos de leucocitos. Tienen un papel importante en el asma, una enfermedad pulmonar en la cual el músculo liso de las vías aéreas se contrae dificultando la respiración, y en la reacción alérgica grave conodda como anafilaxia. Por este motivo, la industria farmacéutica ha estado desa-

Las drogas anti.inflamatorlas no esteroides (AINE), comO la aspirina y el ibuprofeno, ayudan a atenuar la inflamadón inhibien· do las enzimas COX y disminuyendo la síntesis de prostaglandinas. Sin embargo, los AINE no son fármacos específicos y pueden tener muchos efectos colaterales no deseados, como el sangrado gástrico. El descubñmiento de las dos isoenzímas de la COX, COXl y COX2, permitió el desarrollo de nuevos medicamentos que apunten a la isoforma deseada. Inhibiendo solamente la coxz, la enzima que produce las prostaglandinas inflamatorias, los médicos esperaban tratar la inflamadón con pocos efectos colaterales. Sin embargo, estudios recientes mostraron que los padentes que tomaban inhibidores de la COXZ durante largos-periodos de tiempo tenían un riesgo elevado de padecer ataques cardíacos e infartos; por lo tanto sigue en discusión si estos agentes se deben seguir usando o no. ~,,

REcVI S 1ó N /-'".

¡~~~~'>:;-14. ~asándose en t',;:.~

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lo aprendido sobr: !as moléculas de senal, ¿dónde deberla actuar un fármaco que bloquea la acción de los leucotrienos? ¿Y una que bloquee su síntesis? Respuesta en la p. 209

MODULACIÓN DE LAS VÍAS DE SEÑALES

El NO produddo en esta reacdón dllunde hada las células diana, donde se une a un receptor que activa la forma dtosólica de la guanilil dclasa y genera la formadón del segundo mensajerocGMP. El óxido rútrico en el cerebro actúa como neurotransmisor y neuromodulador. En los vasos sanguíneos, el NO es produddo por las células endoteliales que recuJ>ren las paredes. Luego dllunde hada las células de músculo liso adyacentes, hadendo que se relajen y dilaten el vaso. En 1998, los premios Nobel de fisiología y de medicina se otorgaron conjuntamente a Robert Furchgott, Louis Ignarro y Ferid Murad pOr su trabajo sobre el NO como molécula señal en el aparato cardiovascular. El monóxido de carbono (CO), un gas conocido principalmente por sus efectos tóxicos, también se produce en muy pequeñas cantidades para actuar como molécula de señal en algunas células. Al igual que el NO, el CO activa a la guanilil dclasa y al cGMP, pero también puede generar efectos de manera independiente. Las dianas del monóxido de carbono son el músculo liso y el tejido nervioso.

Algunos lípidos son importantes .señales paracrinas Uno de los desarrollos más intexesantes de la secuendadón del genoma humano y del uso de los genes para hallar prot:eínis

rrollando activamente fármacos que.bloqueen la síntesis o la acdón de los leucotrienos. 2. Los prostanoides son moléculas producidas cuando la enzi. ma cicloox.igenasa (COX) actúa sobre el ácido araquidónico. Los prostanoides son las prostaglandinas y los tromboxanos. Fstos eicosanoides actúan sobre muchos tejidos del organismo, entre ellos el músculo liSo de varios órganos, las plaquetas, el riñón y el hueso. Además, las prostaglandinas partidpan en el sueño, la inflamación, el dolor y la fiebre.

mFIGURA 6-16 La cascada del áddo araquidónico produce mensajeros lipídicos

189

Especificidad y competencia: ligan dos múltiples para un receptor Los receptores_ tienen sitios de unión para sus ligandos, al igual que las enzimas y los transportadores. Como resultado, moléculas diferentes con estructmas similares pueden unirse al mismo receptor. Un ejemplo clásico de este prindpio involucra a dos moléculas neurocrinas responsables de la respuesta frente al peligro: el neurotransmisor noradrenalina y su pariente, la neurohormona adrenaliruz. Ambas moléculas se unen a una clase de receptores llamados receptores adrenérgícos (adrenérgico es el adjetivo para lo relacionado con la adrenalina). La capaddad de los receptores. aQre-~ nérgicos de unirse a estas moléculas neurocrinas, pero no a otras, demuestra su especifiddad. La adrenalina y la noradrenalina también compiten por un mismo tipo de receptor. Ambas moléculas se unen a subtipos de receptores adrenérgicos denominados alfa (o:) y beta $). Sin embargo, los receptores a tienen mayor afinidad de unión por la no- ' raderenallna, mientras que el subtipo P2 tiene mayor afinidad por la adrenalina. Agonistas y antagonistas Cuando un ligando se une con un receptor, ocurre uno de dos eventos. Puede ser que el ligando active al receptor y genere una respuesta, o que ocupe el sitio de unión y evite que el receptor responda (Fig. 6-17 El). Los ligandos que activan a los receptores se conocen como agonistas, y los que bloquean su actividad se llaman antagoniStas. Los farmacólogos utilizan el principio de los agonistas competitivos (ti p. 40) para diseñar fármacos que tengan una acdón más prolongada y sean más resistentes a la degradadón enzimática que los ligandos endógenos. Un ejemplo es la familia de los estrógenos modificados (hormonas sexuales .femeninas) en las píldoras anticonceptivas. Estos agentes son agonistas de los-estrógenos naturales, .pero tienen grupos químicos agregados que los protegen de la degradadón y prolongan su vida activa.

Varios receptores para un ligando Durante muchos años los fisiólogos no pudiexon explicar la observadón de que una misma molécula de señal pudiese tener diferentes efectos en distintos tejiComo hemos visto, las vías de señales de una célula pu~den dos. Por ejemplo, la adrenalina, la neurohormona que describiser muy complejas. Para hacer el tema aún más complicado, las mos antes, dilata los vasos sanguíneos en el músculo esquelético distintas células pueden responder de nianeras diferentes a una · pero los contrae en el intestino. ¿Cómo puede una sustancia químolécula de señal determinada. ¿Cómo puede una molécula dismica tener efectos opuestos? La respuesta se hizo evidente cuanparar la respuesta Aen el tejido 1 y la respuesta Ben el tejido 2? do los dentificos descubrieron que los receptores, como otras Para la mayoría de las moléculas de señal, la respuesta de la célula proteínas, se presentan como familias de isoformas reladonadas diana está determinada par el receptor y se asocia con las vías intrace· (iiilp.40). lulares, no con el ligando: Dada la importancia de las víaS de señaLa respuesta celular que genera la unión de una molécula de les, las células usan a los receptores para mantener la flexibilidad señal con un receptor depende de qué isoforma del receptor esté de sus respuestas. involucrada. Por ejemplo, los receptores o:- y ¡3-adrenérgicos para la adrenalina que_ describimos antes son isoformas entre sL Los receptores presentan saturación, especificidad_y Cuando· la adrenalina se une a los receptores o: del músculo liso competencia · en los vasos sanguíneos del intestino, estos vasos se contraen (Fig. 6-18 m). Cuando se une a los receptores p de dertos vasos del Los receptores son proteínas¡ por ende, la unión entre el remúsculo esquelético, éstos se dilatan. En otras palabras, la resceptor y el ligando presenta las características de unióri de las propuesta de los vasos sanguíneos a la adrenalina depende de la isoteínas de espedfiddad, competencia y saÍUtaciQn (~p. 43). Se forma del receptor, no del ligando que lo activa. Mu¡,:hos fármahan estudiado propiedades similares para las enzimas en el capí· cos se diseñan de manera tal que se unan espeóficamente a una tulo 4 (~p. 96) y para los transportadores en el capítulo S( ~ isoforma del receptor. p.138).

190

Vías de control: respuestas y budes de retroalimentadón

Capftulo 6 Comunicación, integración y homeostasis 43). Este fenómeno puede observarse con las enziínas, los trans-

El FIGURA 6~17 Agonistas ¡"antagonistas

-

RE-VISIÓN 5. ¿Qué propiedad de receptores, enzimas y transporta· dores explica por. qué todos ellos muestran sa.tura; clón, especificidad y competenda? . 16. la insulina aumenta el número de transportadores de giU<9$<1 en las <élulas del músaJ!o esquelético pero no eri la membrana de las células hepáticas. Mendone dos posibles me

La regufadón p~r in~remento y fa regulación por

disminudón permiten a la célula modular sus respuestas El término saturación de las proteínas se refiere al hecho de que la actividad de éstas alcanza una velocidad máxima porque la célula contiene un número limitado de estas moléculas (¡¡¡ji p..

portadores y los receptores. La capacidad de una célula para responder a una señal química, por lo tanto; puede estar limitada por el número de receptores que reconocen esa seftal. Una sola célula tiene entre 500 y 100 000 receptores sobre la superfide de su membrana, más los que existen en el dtosol y éi núcleo. En cualquier célula, el número de receptores puede cambiar con el tiempo. Los receptores viejos se retiran de la membrana por endocitosis y se degradan en los lisosomas. Receptores nuevos se insertan en la membrana por exodtosis. Los receptores intracelulares también se sintetizan y degradan. Fsta flenbilidad le pennite a lacélula variar su respuesta frente a las señales químicas según las condiciones extracelulares y sus necesidades internas. ¿Qué ocurre cuando una molécula de sei'lal está presente en el organismo en concentraciones anormalmente elevadas durante mucho tiempo? Inicialmente, el nivel elevado de la señal genera una respuesta aumentada. A medida que esta respuesta se mantie· ne, las células diana pueden intentar volver a la normalidad mediante una regulación por disminuci6n de lbs receptores correspon~ dientes ( ~ p. 43). La regulación por disminución puede tomar dos formas: reducción en el número de receptores o reducción en la afinidad de unión. La célula puede quitar físicamente receptores de la mem~ brana mediante endocitosis ( ~ Fl:g. 5-24). Una forma más fácil y rápida de regulación por dismin~ción reversible, ~ada desensibilización, puede logmse mediailte la unión de un modulador quúnico a la proteína receptora. Por ejemplo, los receptores Jl-a· drenérgicos descritos en la sección anterior pueden desensibillzar· se mediante fosforiladón. El resultado de la disminución del número de receptores o de su afinidad de unión es la menor respues~ ta de la célula diana, aun cuando la concentración de la molécula señal siga siendo elevada. La regulación por disminución es una explicación para la apa· rición de tolerancia a Jos fármacos, una álteradón en la cual la res· puesta a una dosis dada disminuye a pesar de la exposición continua al agente. El desarrollo de tolerancia a los opiáceos, como la morfina o la codeína, aparece cuando los receptores para ellos su· fren una regulación por disminu~ón.

#Mi pádre se-inyecta insuuna'poi- su d!á~tes",-:diée Martfn. #¿Qué hace_!a insulina?~ ta:enf_ei1Jl_e_ra-le exP!_¡~- que _la·inSidi~a normahnente ayuda á muchas cétuta_s a (a~_U!ry uti_U~á_r la.gl~­ cosa. En ambos tipos de diabetes, sin_einbargo,· !as _ coil_c~ntracio­ iles de glucosa en-sangre:! en_a~it_as_so_ii'e!evadaS pb'rq:uirlaS_c~ · lulas no -'a: está_n caf,tandÓ de_ m(!n,era adecu'acJa. Si -~1 ¡)adente'_ con dia~ ?e tipo 1 recibe irisulina~ sU gfu_Cemt~ O_ismintiye. si : el padente_ con. ~i~b,e~e_s_ de tipo _2 redbé insulina, s.u gluCem!~ puede variar muy iicx:o. · PregÜÍtta2:

_, --.--_ -_

-

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Si la concentración del ligando disminuye, la célula diana puede recurrir a la regulación por incremento para colocar más receptores en su membrana en un intento por mantener la respuesta en un nivel nonnal. Por ejemplo, si una célula nerviosa se daña y no puede libetar las cantidades nonnales de neurotransmisor, su célula diana aumentará el número de sus receptores. Esta regulación por incremento hace que la célula diana se haga .más sensible a cualquier neurotransmisor que esté presente. La regulación por incremento también existe de manera programada durante el desarrollo como un mecanismo que le permite a lacélula variar su respuesta a los factores de crecimiento y otras moléculas de señal. REV-'15 IÓN

' -. ___,,;·~,·'17. Para lograr una regulación por disminución en la afi· nidad de unión de un receptor, una célula puede (seleccione todas las respuestas posibles): (a) sintetizar una nueva isoforma det receptor (b) quitar receptores de la membrana (e) .insertar nuevos receptores en la membrana (d} utilizar un modulador covalente (Sugerenda:

m p. 4t rel="nofollow">

Respuesta en fa p. 209

[¡.

!'

Las células deben ser capaces de terminar las vias de señales La adrenallna pueda unirse a distintas isofonnas del receptor adrenérgico

mFIGURA 6-18 La respuesta de la diana depende del receptor En este ejemplo, la adrenalina puede dilatar o contraer los vasos sanguíneos, según el receptor que se encuentre en éstos.

de las enzimas en el espado extracelular. Un ejemplo de ello es la degradación del neurotransmisor acetilcolina, Otros primeros mensajeros, en especial neurotransmisores, pueden ser retirados del liquido extracelular mediante el transporte hada células vect. nas. Un tipo de antidepresivos muy usados llamados inhibidores selectivos de la recaptad6n de serotonina, o ISRS, alargan la vida útil del neurotransmisor serotonina haciendo más lenta SI.! eliminación del líquido extracelular. Una vez que el ligando está unido a su receptor, la actividad también puede detenerse por endodtosis del complejo ligandoreceptor. Este proceso se ilustró en la figura 5-24 ( @l p. 149). Cuando la vesícula está dentro de la célula, el ligando se separa y los receptores pueden retomar a la membrana por exodtosis.

,·_ ·._~-,.

¿En qué_ tipo de_diafl{4~s es mAs ftrób'ab!e: é¡ue_loS ~ée/JtOreS_--, para fa Jnsufinúlifran reguladón_por lnae~etJtO? :--: -· · ·

,·.,;·"

191

En el organismo las señales se activan y desactivan, por lo que las células deben ser capaces de reconocer cuándo esta actividad culmina. Por ello es necesario que los procesos de sefiaüzación tengan mecanismo_s de terminación incluidos. Por ej~plo, para detener la respuesta a una señal del caldo, la célula elimina iones CaZ+ del citosol bombeándolos nuevamente hada -el retículo endoplasmático o hada el líquido extracelular. La actividad de un receptor puede detenerse de varias maneras. El_ primer mensajero extraceluiar puede degradarse por acción

1 .

~

Muchas enfermedades y tratamientos tienen como

objetivos las protelnas de transducdón de señales A medida que saben más sobre las vías de las señales en las cé~ lulas, los científicos comprenden cómo muchas enfermedades están ligadas con problemas de sei'lalizactón. Las enfermedades pueden estar causadas por alteraciones de Jos receptores, por problemas con la proteína G o con las vías de los segundos mensajeros (véanse algunos ejemplos en el cuadro 6-3 !iil). Un solo cambio en la secuencia de aminoácidos. de una proteína receptora puede alterar la forma del sitio de unión, anulando o alterando así su actividad. Los fannacólogos utilizan la información sobre los mecanis· mos de las señales para dis~ar fármacos para tratar enfermedades. Algunos de amplio uso son los antagonistas de los receptores de la angiotensina, los bloqueantes de receptores beta-adrenérgi~ cos y los bloqueantes de los ~ales de caldo para el tratamiento de la hipertensión arterial, los -moduladores selectivos de los receptores de estrógenos para los casos de cáncer dependiente de estrógenos, y los antagonistas de receptores histamínicos H1 para reducir la secreción ácida en el estómago. Encontraremos a muchos de estos fánnaoos nuevamente· cuando estudiemos los sisté· mas sobre los cuales actúan.

ViAS DE CONTROL: RESPUESTAS Y BUCLES DE RETROALIMENTACIÓN En el capítUlo 1 aprendimos que la homeostasis es la capad· dad del organismo de mantener un medio interno relativamente estable ( 1ii! p. 3). La homeostasis es un proceso continuo que uti· liza un sistema de control fisiológico para controlar las funciones principales, o vari.a;bles reguladas. En su forma más simple, cualquier sistema de control tiene tres compohentes: 1) una señ.al de entrada, 2) un controlador, que está programado para responder a la entrada de ctertas sena~ les y 3) una señal de salida {~ F¡g. 1-6). Los sistemas de control fisiológicos son un poco más complejos. La señal de entrada consiste en la variable regulada y en un sensor especializado. Si la variable sale del rango de valores deseables, el sensor se activa y envía una señal al controlador (Fig. 6-19 m). El controlador actúa CO· roo centro integrador, que evalúa la información que llega des·

.

192

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

Vías de control: respuestas y bucles de retroalimentación

193

B"cóiltfol tónico régu!a·!os pirámetros lislo!ó¡llCI)S ~eváridolos 9,~escend!éndolos,

Receptores anormales heredados genéticamente REO:PTOR

ALTERAOÓN ASIOLÓGICA

TRASTORNO RESULTANTE .

Receptor de la vasopresina (defecto ligado al cromosoma X)

Acorta la vida media del receptor

Diabetes insfpida congénita.

Sensor del caldo en la glándula paratirpides

No responde al aumento del ca2+ plasmático

Hipercalcemia familiár

Receptor de la rodopsina en la retina

Plegado incorrectO de la protefna

Retinitis pigmentaria

TOXINA

EFEUO FISIOlÓGICO

TRASTORNO RESUlTANTE

Toxina de Bordetella pertussis

Bloquea la inhibición de !a adenilil cid asa (es Tos convulsa dedr, la mantiene activa)

Toxina del cólera

Bloquea la actividad enzimática de las protef· Seaedón de iones a la luz del intesnas G; mantiene a la célula produciendo tino, que causa diarrea masiva
de una neurona ""'""''"'"""'~ 1 1 1 1 1 l. 1

TiempoUna señal moderada hace qua el vaso tenga un diámetro intermedio.

Gambio en la Señal

1

Toxinas que afectan las vfas de señales

'

11111111111111111 Tlempo-

de el sensor e inida la respuesta de manera tal de llevar nueva. mente la varíable regulada a los valores deseados. El centro integrador a menudo es una célula nerviosa o endocrina. Los músculos y otros tejidos controlados por centros integradores se conocen como efectores, porque los que efectúan el cambio.

Los postulados de Cannon describen las variables reguladas y Jos sistemas de control fisiológico Walter Cannon, el padre de la fisiología estadounidense, describió algunas de las propiedades de los sistemas de control homeostático en la década de 1920 basándose en sus observadones del cuerpo en la salud y en la enfermedad.' Estas propiedades se encontiarán repetidamente a medida que se estudien los distintos sistemas de órganos del cuerpo. Los postulados de Cannon son: Variable

regulada

e! FIGURA 6-19 Los sistemas de control

fisiológico mantienen las variables reguladas dentro de los valores deseado~ durante la homeostasis

l. El sistema nervioso tiene un papel en la conservación del buen estado del medío interno. El buen estado .en este caso se refiere a las condiáones que son compatibles con una fundón normal. El sistema nervioso coordina e integra el volumen, la osmolaridad y la presión arterial de la sangre y la temperatura corpora~ entre otras variables reguladas.· 2. Algunos sistemas y aparatos del cuerpo están bajo control tónico (del tono). Citando a Cannon, "puede existir un agente con una actividad moderada que pueda aumentarse o disminuirsen. Este tipo de control es como el control de volumen de un radio, qué permite hacer que el nivel de sonido sea más alto o más bajo girando una simple perilla. Un ejemplo fisiológico de sistema con control tónico es la regulación neurológica del diámetro de dertos vasos sanguíneos, en el cual el aumento de la sei'i.al proveniente del sistema nervioso i:educe el diámetro, y la disminución de la señal lo incrementa (Fig. 6-201ii!). Eictmtrol Mnico es uno de los conceptos más difíciles en fisiología, porque tendemos a pensar en respuestas de todo o nada cuando el controlador las actiVa o desactiva, más que en respuestas de aumento o disminución. 3. Algunos sistemas del organismo están bajo control antagónico. Cannon escribió: "Cuando se conoce un factor que puede modificar un estado homeostático en una dirección, es razonable buscar otro u otros.que tengan el efecto opuesto". Los sistemas que no está.n bajo cqntrol tónico están generalmente bajo cantrol antag6nico, ya sea por acdón de hormonas o del sistema nervioso. Por ejemplo, la insu· lina y el glucagón son hormonas antagónicas. La insulina reduce la concentradón de glucosa en la sang¡e; el glucagón la aumenta. En las vías controladas por el sistema nervioso, las divisiones simpática y parasímpátlca tienen a ~·Otganlzatton fQr Physiologkal Homwstas~s~,

i'hysUJ!og!al1 &v'.em 9; 399443, 1929.

r--:cc-:-:-; Si !a señal aumenta, el vaso se contrae.

mFIGURA 6·20 Control tónico del diámetro de los vasos menudo efectos opuestos. Por ejemplo, las señales químicas de una neurona simpática aumentan la frecuencia car. díaca, pero las señales químicas provenientes de una neurona parasímpática la disminuyen {F.rg. 6-21 D). 4. Una señal química puede tener efectos diferentes en distintos tejidos. Cannon observó con acterto que "los agentes homeost.áticos antagonistas en una región del cuerpo pueden actuar conjuntamente en otra región". Sin embargo, no fue . sin~ hasta que se estudiaron los receptores que !as bases de estas acciones aparentemente contradictorias de algunas hormonas o nervios pudieron aclararse. Como vimos en la pri-· mera parte de este capítulo, una misma señ.al química puede tener distintos efectos de acuerdo con los receptores de la célula diana. Por ejemplo, la adrenalina contrae o dilata los vasos sanguíneos según si éstos tienen receptores «: o ~adre­ nérglcos {véase la Fig. 6-18).

La marcada exactitud de los postulados de Cannon, confirmados ahora con datos celulares y moleculares, es un tributo a la ca· pacidad de observación de los científicos del siglo xrx y principios delxx.

18. ¿Cuál es la diferenda entre contrOl tónico y control antagónico? 19.¿Cómo puede una señal qu!mica tener efectos opuestos en dos tejidoS diferentes? Respu~ en la p. 209

Tiempo~

.-----, Si la señal disminuye, el vaso se dilata.

194

Capftulo 6 Comunlcad6n, integración y homeostasis

Vías de control: respuestas y bucles de retroalimentación

195.

Netlronas airtagónlcas_controlari iá freci¡(!ncia cardiaca: at;JuriaS la aceleran, mlerítrasqllll

Pli!EiliUlUA

otraS la enlentecen.

¿Cuáles son !as frecuencias cardfacas (a) y (b), expresadas como latidos/min?

•

!•1

'

1

-

En el control local, las células vecinas al cambio lnlc!an la

~1

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REFERENCIAS

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Estfmu~~?

~ -Centro integrador

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1

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j 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 o

-Tiempo (seg) --)o-

mFIGURA 6-21 Control antagónico de la frecuencia cardíaca

1

1

1 2 -Tlempo (seg)-

3

El coraz?n está controlado 'por neuronas antagónicas. Un grupo de ellas ace_lera la frecuencia cardíaca,. mientras que~¡ otro la en!ent&e.

La homeostasis puede mantenerse medlante vías locales de larga distanda

una célula o tejido detecta un cambio en: su entorno inmediato y responde. La respuesta se restringe a la región donde tuv(rlugar el

El control más simple tiene lugar en el tejido o la célula involucrados. En el control local, OCÍJ.rte un cambio relativamente aislado en la zona Cercana de una célula o un tejido, que genera una respuesta paracrlna o autocrlna (Fig.. 6-22 m). Las vías de control reflejas, más complicadas, responden a cambios que ocu. rren en todo el cuerpo, o de riaÍ:W:aleza sistémica. En una vía refleja, un centro de. integración ubicado lejos de la célula o el tejido afectados recibe la inform~dón; la. evalúa y decide si se debe en~ viar una señal química o eléctrica para iiúciar una respuesta. Tradidonah:i:lente se considera que las vías reflejas de larga dis. tanda involucran a dos sistemas de control: el sistema nervioso y el endocrino. Sin embargo; ahora se sabe que las dtodnas ( ~ p. 176) participan en algunas vías·de larga distancia. Durante las respuestas inflamatorias y de esttés sistémicas, las dtodnas trabajan íunto con los sistemas nervioso y endocrino para Integrar la infor. macíón de todo el ampo en una respuesta coordinada

cambio, de allí el término controlloéal. Un ejemplo de control local puede observarse cuando dismf. nuye la concentración de ·oxígeno en un tejido. Las células que recubren los capilares sanguíneos que llevan sangre a esa iirea detectan la caída de oxígeno y responden secretando una señal pa· racrina. La molécula paracrina relaja el: músculo de la pared del vaso, dilatándolo y permitiendo la llegada de más sangre y por ende más oxígeno al átea. Las moléculas de sefial paracrlna Involucradas en esta respuesta son el dióxido de catbono y productos metabólicos como el ácido láctico.

o

Control local Las señales autocrinas y paracrinas son las respons<Jbles de los sistemas de control más simples. En el control local,

mFIGURA &.-22 Comparación de control local y reflejo

Control reflejo En una vía de control refleja, la coordinación de la reacción se encuentra fuera del órgano que efectúa la respues-ta. Utilimremos el término reflejo para denominar a cualquier vía de larga distancia que utilice el sistema nervioso, el sistema endocrino, o ambos, para rectbir datos sobre un cambio, integr<}! la información y reaccionar de manera adecuada. Una vía refleja pue· de dividirse en dos partes: un bucle de respuesta y un bucle de retroalimentación (Fig. 6-2311). El bucle de respuesta comienza con

un estímulo y termina con la respuesta de la célula diana. Describiremos los bucles de respuesta primero y luego consideraremos su lltteracdón con los de retroalimentación. Al igual que cualquier otro sistema de control, un bucle de respuesta tiene tres componentes primarios: una señal de entrada, la integradún de la seffal y una seflal de salida. Estos tres componentes pueden dividirse en la siguiente secuencia de siete pasos para formar un esquema que se encuentra con pocas varia¡;iones en todas las vías reflejas: Estímulo ~ sensor o receptor~ vía aferente ~ centro de integración ~ vía eferente ~ diana o efector~ respuesta La señal de entrada en una vía refleja homeostática consiste en un estímulo, el receptor sensorial, y la vía aferente (o de entrada). (1) Un estímulo es la alteración o el cambio que· dispara la vía. El estímulo puede ser un cambio en la temperatura, el contenido de oxígeno, la presión arterial o cuiüqulera de otras miles de variables. El estímulo es detectado por (2) un sensor o receptor sensorial que está controlando contlnuainente su entorno. Cuando se produce el cambio, el receptor envía (3) tina señal, o una vía aferente (de-entrada), que une el receptor qm (4) un centro de integración. El centro de integración evalúa la señal recibida, la compara con el valor de ajuste o valor deseado, y decide la respuesta adecuada; El centro de integrad6n entonces inicia (S) la señaJ de salida, o vía eferente (de salida). Ésta es señal eléctrica' o química que viaja hacia (6) el efuctor. El efector, blanco o dianf, es la célula o el tejido que lleva a cabo la (7) respuesta ade-

una

mFIGURA 6-23 Pasos de una vfa de control refleja

196

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

Vías de control: respuestas y bucles de retroalimentación

¡---·--.-, i RECEPTORES

t

1 Te<mo11 rreceptores Bruorreceptores

(temperatura)

.(presión)

mFIGURA 6~24 Significados de la palabra receptor Un receptor puede ser una protefna que se une a un ligando. También puede ser una célula o estructura especializada para la transducción de un estfmulo en señales eléctricas (~.m receptor sensorian. los receptores sensoriales se clasifican en centrales o periféricos, según se encuentren en el cerebro o fuera de él.

cuada para llevar la situación nuevamente a sus límites normales. Receptor El primer paso en un bucle de respuesta fisiológico es la activación de un sensor o receptor por parte del estímulo. Nótese que ésta es una aplicación nuéva y diferente de la palabra receptor. Como muchos otros términos en fisiología, receptor puede tener varios significad.os (FÍg. 6-24 m). Los receptores sensoriales de un reflejo neurológico no·son los receptores proteicos que se unen a las moléc'ulas de sel}al, como los que partictpan en la ttansducción de seftales. En lugar de ello, son células especializadas, partes 4e células o complejos multicelulares como el ojo que responden a ca}llbios del medio que los rodea. Existen muchos receptores sensoriales en el organismo, cada uno ubicado en el mejor lugar para controlar la variable que Qetecta. Los ojos, los oídos y la fll!rl.Z son receptores que detectan luz, sonido y movimiento, y olores; respectivamente. La piel está rubierta por receptores menos complejos que detectan sensaciones táctiles, temperatura, Vibraciones Ydolor. Otros receptores sensoriales son internos: receptores en las articulaciones del es_queleto que envían información al cerebro sobre la posición del cuerpo, o receptores de la presión arterial o de la concentrad.ón

de oxígeno en los vasos sanguíneos que controlan las condiciones del aparato drculatorio. Los receptores sensoriales qtie·parti, dpan en loS reflejos neurológicos se dividen en receptiJres centrale$¡ ubicados en el cerebro o cerca de él, y"receptores peri{ériaJs, que se ubican en las demás partes del cuerpo. Todos los receptores sensoriales tierien un ~bral, un estímulo mínimo que debe alcanzarse para activar la respuesta refleja. Si el estimulo se encuentra por debajo dcl ~bral, no se inicia el bude de respuesta Puede observarse este uÍnbral tocando suavemente el dorso de la mano con un objeto puntiagudo y afilado como un alfiler. Si se toca un punto de la Piel· con suficiente suavidad, puede verse el contacto entre el alfiler y.Ja piel aunque no se sienta na!ia, En este caso, el estímulo {presión de_ la punta del alfiler) está por debajo del umbral, y los receptores de presión de la piel no responden. A medida que se presiona con más fuerza, el estímulo alcanza el umpral, y los receptores responden envian· do una señal por la vía aferente, haciendo que se ~ienta el alfiler. Los í:eflejoS endocrinos "que no se asocian con el sistema nervioso no utilizan receptores sensoriales para iniciar sus vías. En lugar de ello, las células endocrinas actúan a la vez como sensores y como centros de integración para el reflejo. Ya se presentó

un ejemplo de ello en el capítulo 5, cuanP.o se explicó cómo las células beta del páncreas detectan y responden a los cambios en la glucemia (~p. 166), Vía aferente La vía aferente en un reflejo varía de aruerdo con el tipo de éste. En un reflejo nervioso, como el del alfiler mencionado antes, la vía aferente son las señales químicas y eléctricas transportadas por una célula nerviosa. "En un reflejo endocrino, no existe vía aferente porqUe el estímulo llega directamenté a la . célula endocrina, que actúa a la vez como receptor y como centro integradot Centro integrador FJ centro integrador en una vía refleja es la célula que recibe la .información sobre el cambio y está programada para iniciar la respuesta apropiada. En los reflejos endocrinós, el centro integrador es la célula endocrina. En Ios reflejos nerviosos se encuentra generalmente en el sistema nervioso central, que eStá formado por el cerebro y la médula espinal. Si llega información de un solo estímulo, es una tarea relativamente simple para el centro integrador la de comparar esa información con el valor de ajuste e iniciar una respuesta (si es necesaria). Pero los centros integradores realmente "justifican su existendan, cuando dos o más señales contradictorias llegan desde fuentes diferentes. El centro debe evaluar cada señal basándose en su fuerza e importancia y debe generar la respuesta adecuada que integre !a información de todos los receptores participantes. Esto es similar al tipo de decisión que debe tomarse ruando en una misma noche sus padres lo invitan a cenar, sus amigos están dan. do una fiesta, hay un programa de televisión que desea .ver y tiene un examen de fisiología muy importante en tres días. Depende de usted asignar a estas opciones un orden de importancia y · deddir cuál quiere realizar. Vía eferente Las vías eferentes son relativamente simples. En el sistema nervioso; la vía eferente está constituida siempre por las señales químicas y eléctricas transmitidas por una neurona eferente. Como todas las sefiales eléctricas que viajan por el s_istema nervioso son Idénticas, la caracterlstica que distingue a cada una de las señales es la ruta anatómica que sigue el nervio por el cual viaja la señal. Por ejemplo, el nervio vago lleva una señal nerviosa al corazón, y el nervio frénico otra al diafragma. Como · la naturaleza del mensaje eléctrico es siempre la misma y hay relativiunente pocos tipos de neurotransmisores, las vías eferentes· del sistema nervioso se denominan a partir de la descripción anatómica del nervio que transporta la señal. En el sistema endocrino, la ruta anatómica de la vía eferente es siempre la misma porque todas las hormonas viajan por la sangre para llegar a sus dianas. Las vías eferentes ho.rmonales se dis· tinguen por la naturaleza química de la señal y por ende se nombran según la hormona que lleva el mensaje. Por ejemplo, la vía eferente de un reflejo integrado a través del páncreas será la hormona ~a o la hormona glucagón, dependiendo del estímulo y de la respuesta adecuada · Efectores Los efectores de las vías d~ control reflejas son las células o tejidos que llevan a cabo la respuesta. Las dianas de las vías nerviosas son los músculos, las glándulas y parte del tejido adiposo. Las dianas de las vías endocrinas son rualquier célula que tenga los receptores adecuados para la hormona Respuestas Existen dos niveles de ·respuestas para. rualquier vía ~e control reflejo. Uno es la muy específica ~puesta celular

197

Martfn eStá fa~lnildo co~: la capadd·ad· dé! organlS~o C!e ;nante. ner el control de la glucosa. _u¿Cómo sabe el_ páricreas qué. hor~ mona debe secretarr, se· pregunta. Células especiales del páncreas llamadas células beia.deteCtan el aumento de la gluCemia después dEi una c~!Tlidá,_ y liberail_insu!ina_en re_sptJe~a a (!l!o; La insulina luego actúa sobre inuchos tejidos el cuerpo·para que puedan cáptary Uti!i~ar esa glucosa.

Pregunta 4:_ .'·.. . ··:... . .-. . . ~n la vía __(e_fleí~,d~.'~ í~sulina _queteY_ufa ia:g.fucemia,_lcuáles. .son" etest/m¡Jto, :el ~ériso_r. _ el_cen~o int~~rador.· la vla eferen· ~ el o los :efectOres y ra o las respUestas?

·. •. -i.··.· ·. . .•. . . . ·.· · .......... ·. ... . IJ !zYJJ ~~~~*r~~í:~~ iJ¡~§N~~~

que _tiene lugar en la célula diana. La más general respuesta sistémica describe lo que esos eventos celulares específicos significan para el tejido o el organismo como un todo. Por ejemplo, cuando la hormona adrenalina se combina con los receptores f}-adrenérgicos de las paredes de ciertos vasos sanguíneos, la respuesta celular es la relajación del músculo liso. La respuesta sistémica a la relajación de la pared del vaso es el aumento del flujo a través de éL R~ol{ISIÓN .o!cJ

20. ¿Cuál es !a diferencia entre control loca! y control

reflejo? 21. Nombre !os siete pasos en una vfa de control refleja

en el orden correcto, Respuestas en la p. 209

Los bucles de respuesta comienzan con un estímulo y finalizan con una respuesta Para ilustrar los bucles de respuesta, aplicaremos ahora el concepto a ejemplos biológicos y no biológicos. Una analogía no biológica simple para una vía refleja homeostática es un acuarto cuyo calentador está programado para mantener la temperatura del agua a 30 oc en una habitación cuya temperatura es·de 25 •e (Fig. 6-25 il). La temperatura deseada del agua (~O oq es el valor de ajuste de la variable regulada Supóngase que el agua del aruario se enruentra inicialmente a temperatura ambiente, 25 oe, Cuando se endende el termostato, se pone en marcha el bucle de respuesta. El termómetro (sensor) registra la temperatura de 25 •c. Envía la información mediante un cable (vía aferente) al termostato (centro de integración). El termostato evalúa la sefial de temperatura que le llega, la compara con el valor de ajuste del sistema (30 •q y "decide" que se necesita una respuesta para llevar nuevamente la temperatura del agua al valor deseado. FJ termostato envía una señal por otro cable (vía eferente) al calentador {efector), que se endende y comienza a calentar el agua (respuesta). Esta seruenda {desde el estimulo hasta la respuesta) es el bucle de respuesta.

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198

Vías de control: respuestas y budes de retroalimentación

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

Pasos del refleJo

32

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responder a temperaturas inferiores a 29 "C.

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FIGURA 6-26 Osdlad6n alrededor del valor de ajuste

La mayoría de las funciones que están controladas homeostáticamente tienen un valor de ajuste, o valor norma!. E! bucle de respuesta que controla la función se activa cuando ésta toma

valores fuera de un rango normal predeterminado.

agua aumenta.

La caja de control del acuario está programada para mantener la temperatura del agua a 30 "C ± 1 "C.

El ejefuplo del acuario incluye una variable (la temperatura) que está bajo el control t6nico (véase la p. 197) de un solo sistema de control (el calentador). Podemos describir también una analogía no biológica que ilustra el postulado de Gannon sobre el control antag6nico. Por ejemplo, imagínese una casa que tiene un sistema de calefacción y de aire acondicionado. El dueño podría querer que la temperatura de la casa. pemtanedera en 21 "C. En las mafianas frias de otoño, el sistema-de calefacción se encien· de para calentar la casa. Luego, a medida que el día se toma más cálido, la calefacción ya no se necesita. Cuando el sol calienta la casa por encima del valor de control, el acondicionador de aire se enciende para llevar la temperatura nuevamente a 21 "C. La calefacción y el acondicionador de ;¡.ire tienen control antagónico sobre la temperatura de la casa. Un ejemplo fisiológico simi· lar sería el de las hormonas insulina y glucagón, que tienen efec. tos opuestos sobre el metabolismo de la glucosa, como explicamos antes. ;;'IIEVISIÓN 22. ¿Cuál es la desventaja de tener solamente un siste-

ma de control (un calentadór) para mantener !a temperatura del agua del acuario en un rango de-seado? Respuesta en la p. 209

Los valores de control pueden variar En los sistemas fisiológicos, el valor deséado de una determinada variable regulada puede variar de una persona a otra, e incluso en el mismo individuo, en un detenninado periodo de tiempo; Los fac. tores que influyen en el valor de control de un individuo para Wla variable dada incluyen la herenda y las condiciones a las cuales se encuentra habituado. I.a adaptación de los procesos fisiológicos a un conjunto de condiciones ambientales se conoce como aclimatación si ocurre de manera natural, y adimadón si se induce artifi. cialmente en un laboratorio. Gada inviernO, los pobladores del hemisferio norte viajan al sur en febrero, pará escapar de las temperaturas inferiores a O•e y la nieve. Se pasean a 5 ~e en mangas cortas, y los pobladores del sur, que usan abrigos y guantes, los consideran locos: para ellos la temperatura es fria. La difere;nda de comportamiento se debe a la diferente aclimatación a la temperatura, una di-· ferencia en el valor de control de la reg'Uláción.de Iá temperatura coq>oral que resulta de condiciones anteriores. Los valores de control fisiológicos también varían en un mismo individuo de acuerdo- con las condiciones externas, como IÓS ciclos día-noche y las estaciones. Estos valores cambiantes hacen que ciertas variables se modifiquen de manera predecible a lo largo del tiempo, formando patrones conocidos como biorrltmos (que describiremos más adelante en este capítulo).

bies, el bucle de retroalimentación hace que el termostato apague el calentador. El agua entonces se enfría gradualmente hasta que el Ciclo comienza nuevamente. El resultado final es una variable regulada que osd/a alrededor del valor de ajuste, En los sistemas fisiológicos, algunos sensores son más sensibles que otros. Por ejemplo, los sensores de la osmolaridad disparan reflejos que conservan el agua cuando la osmolaridad de la sangre aumenta apenas un 3% por encima de lo normal, mientras que los sensores de la disminución de oxígeno no responden hasta que la concentración de éste en la sangre ha disminuido en 40%. . La vía en la cual la respuesta se opone o anula la señal se conoce como retroalimentación negatiya (Fig. 6-27a m). Los bucles de retroalimentación negativa estabilizan la variable bajo regulación y así ayudan al sistema a mantener la homeostasis. En el

ejemplo del acuario, el calentador calienta el agua (respuesta) y anula el estímulo (la baja temperatura). Con la pérdida del estímulo de la vía, el bucle de respuesta se cancela. Todos los reflejos homeostátlcos se controlan por retroalimentación negativa de manera tal que la variable regulada permanezca dentro de un conjunto de valores normales. Los bucles de retroalimenWd6n negativa pueden restablecer el estado normal pero no pueden impedir la al· teraci6n inicial.

los bucles de retroalimentación positiva no son homeostáticos Unas pocas vías reflejas nQ son homeostáticas. En un bucle de retroalimentación positiva, la respuesta fortalece al estímulo en lugar de disminuirlo o hacerlo desaparecer. En la retroalimentadón ejemplo, en el acuario descrito, el sensor envía información Sobre positiva, la respuesta aleja aún más a la variable bajo regulación -la temperatura al termostato, que reconoce que el agua está dede su valor normal, lo cual dispara un eíiculo vicioso que sigue masiado fría. El termostato responde encendiendo el calentador incrementando la respuesta y coloca temporalmente al sistema para calentar el agua. Una vez que la respuesta se inicia, sin em· fuera de control (Fig. 6-27b). Como la retroalimentación positiva bargo, ¿qué evita que el calentador lleve la temperatura hasta, por íncrementa la respuesta, requiere cierta intervención o evento exejemplo, 50 "C? ternos al bucle para detener la respuesta. · I.a solución dada es un bucle de retroalimentación, en el que Un ejemplo de bucle de retroalimentación positiva es el conla respuesta es una "retroalimentación" que influye sobre la entrol hormonal de las contracciones uterinas durante el parto (FÍg. trada de información de la vía. En el ejemplo del acuario, el en6-28.111). Cuando el bebé está listo para nacer, se mueve hacia una cendido del calentador aumenta la temperatura del agua. El sen- - posición más baja en el útero y comienza a·-presionar sobre el cér· sor controla continuamente la temperatura y envía esta infOrmavix. o cuello uterino. Las señales sensoriales del cuello uterino al ción al termostato. Cuando la temperatura llega hasta el máximo· cerebro hacen que se Ubere la hormona oxitodna, que hace que el valor aceptable, el termostato apaga el calentador, terminando así útero se contraiga y presione la cabeza del bebé aún más contra la respuesta refleja. el cuello, estirándolo aún más. Esto hace que se libere más oxitocina, que causa más contracciones que presionan con más fuerza los bucles de retroalimentación negativa son homeostáticos Paal bebé contra el cuello. Este ciclo continúa hasta que finalmente ra la mayoría de los reflejos, los bucles de retroalimentación son el bebé es expulsado, liberando la presión sobre el cuello uterino homeostáticos, es decir, están diseftados para mantener el sistema y deteniendo el bucle de retroalimentación positiva. cerca de su valor de control para que la variable regulada se mantenga relativamente estable. El éxito del sistéma para mantener la estabilidad depende de su sensibilidad. En el caso de nuestro acuaihR);__-"\f. 1S 1Ó N rio, el termostato está programado para tener una sensibilidad de -- 23. ¿El acuario de la figura 6-25 funciona con retroalimentación positiva o negativa? Dibuje en el bucle ±1 "C. Si la temperatura del agua baja de 30 a 29,5 "C, está toda· de retroalimentación adecuado los pasos dE!! reflejo vía dentro de los valores aceptables, y no se dispara Woguna resde la figura, utilizando una flecha con un signo más puesta. Si la temperatura del agua cae por debajo de los 29 11C para la retroalimentación positiva, o dos líneas cor(30 "C- 1 11C), el termostato enciende el calentador (Fíg. 6-26 1'1). tas, paralelas, al final de una linea" discontinua para A medida que el agua se calienta, el termostato recibe constante!a retroalimentación negativa, como se ilustra en la mente información del sensor. Cuando el agua alcanza los 31 "C figura 6-27. - · Respuesta en la p. 209 {30 ~ + 1 °C}, el límite superior del conjunto de valotes acepta-

Los bucles de retroalimentación modulan los bucles de respuesta El bucle de respuesta es solamente una parte del reflejo. Por

il FIGURA 6-25 Un bude de respuesta no biológico

199

1

200

Vías de control: respuestas y bucles de retroalimentación

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis (al Retroalimentación negativa: la respuesta contrarresta el estfmu!o, el bucle de respuesta

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(b} Retroanmentación positiva: la respuesta refuerza el estrmulo,la variable se-aleja más de su valor de ajuste.

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mi AGURA 6~27 Retroalimentadón negativa y positiva

El control por prealimentación permite al organismo anticipar un cambio y mantener la estabilidad Los bucles de retroalimentadón negativa pueden estabilizar una función y mantenerla dentro de valores notmales pero son incapaces de impedir cl cambio inidal que disparó ~ reflejo. Unos pocos reflejos han evolucionado para permitir al organiSmo predecir que un cambio está por ocurrir y comenzar cl bucle de respuesta anticipadamente. Estas respuestas de antidpadón se llaman control por prealimentadón. Un ejemplo fisiológico de fácil comprensión es el reflejo de la salivadón. La vista, el olor o aun el pensar en comida es sufiden· te para que senos haga agua la boca. La saliva está presente en espera de los alimentos que se comerán pronto. Este reflejo se extiende aún más allá, porque cl mismo estímulo puede inictar la secrecióp. de áddo clorhídrico en el estóffia"go, anticipando la llegada de los alimentos. Uno de los reflejos por prealimentación más complejos parece ser la respuesta del cuerpo al ejercicio, que an~emos en el capítulo 25.

Los ritmos biológicos son el resultado de cambios en un valor de ajuste En muchas vías reflejas, el estimulo está obviamente relacionado con la fundón del reflejo. En el ejemplo del acuario, cl cambio de temperatura es el estimulo que asegura que ésta se mantenga dentro de los valores deseados. Esto no es así para todos los reflejos, sin embargo. Muchas hotmonas, por ejemplo, se secretan continuamente, en niveles que aumentan y disminuyen lo largo del día. Muchos ejemplos de estos reflejOs aparentemente espontáneos ocurren en maneras predecibles y a menudo están cronometrados para coincidir con un cambio esperado en el ambiente, como los ciclos de luz y oscuridad o las estaciones. Todos los animales muestran alguna forma de ritmo biológico diario, llamado ritmo circadiano (circa, cerca de; dies, día). Los seres humanos tenemos ritmos circadianos para muchas fundo.. nes corporales, entre ellas la presión arterial, la temperatura corporal y los procesos metabólicos. La temperatura del cuerpo es

a

11 FIGURA 6-28 Sude de retroalimentadón positiva

1 ~

Mediodía 4:00p.m. 8:00p.m. Med"oooche 4:00am.

fll FIGURA 6-29

S:OO am.

Med!odla

Rítmos circadianos

máxima en las últimas hOras de la tarde y disminuye marcadamente en las prímeias horas de la mañana (Fig. 6-29a 6). -¿Alguna vez se ha quedado estudiando tarde en la noche y ha notado que siente frío? F$to no se debe a una disminución en la temperatura del ambiente sino a que su reflejo termorregulador ha apa· gado su termostato interno. Muchas hormonas en los seres humanos se secretan de maneraque sus concentraciones en la sangre fluctúen de manera_pre· decible a lo largo de un áclo de 24 horas, según cambian sus valores de ajuste. El cortisol, la hotmona de credmiento y las hor~ monas sexuales están entre los ejemplos más notables. Si se.sospecha una alteración en la secreción de hormonas, es importante saber en qué momento del día se obtuvo la muestra del paciente usada para su determinación. Un valor de cortisol que es normal a las 9 de la mañana será anotmalmente alto en una mUestra de sangre obtenida por la noche (Fig. 6-29b). Una estrategia para evi· tar este tipo de errores es utilizar un peóodo de recolección de 24 horas, que arrojará como resultado un valor promedio de la hormona en el transcurso del día. Por ejemplo, la secreción de cortisol se determina indirectamente midiendo todos los metabolitos de la hormona excretados en 24 horas. ¿Cuál es el significado adaptativo de las funciones que varían con un ritmo ctrcadiano? Nuestra mejor explicación es que los ritmos biológicos crean una respuesta anticipada a una modifica· ción predecible del entorno. Hay ritmos estacionales de reproducción en muchos invertebrados y vertebrados, mamíferos y no mamíferos, ritmos afustados de manera tal que la descendenci~.

201

tenga sufictente alimento y otras condiciones favorables para su supervivencia. Los ritmos drcadianos dados por los ciclos de luz y oscuridad pueden corresponder con nuestros ciclos de descanso y actividad. Estos ritmos permiten que nuestro organismo <m· ticipe Jos comportamientos y coordine sus procesos de acuerdo con ellos. Tal vez en alguna oportunidad oyó a alguien decir que está acostumbrado a cenar a las seis de la tarde, y que no puede digerir sus alimentos si cena a las diez, ya que su sistema digestivo use ha cerrado~ antidpando las horas de sueño. Una de las correlaciones más importantes entre los ritmos drcadianos y el comportamiento es la de la temperatura. Los inVestigadores han demostrado que las personas que se describen como "de la mañana" tienen ritmos que hacen que su temperatura aumente antes de despertar, de manera tal que se levantan preparados para enfrentar el mundo. En cambio, las personas "nocturnas" pueden sentirse forzadas por la rutina del trabajo o del estudio a salir de la cama mientras su temperatura corporal está aún en su punto más bajo, antes que su organismo esté preparado para la actividad, Estas personas aún tienen fuerzas y trabajan pro.. ductivamente en las primeras horas de la madrugada, cuando la temperatura corporal de las personas "de la mañana" ha bajado y ellos están ptofundamente dormidos. Los ritmos drcadianos surgen de grupos especiales de células del cerebro y están reforzados por información sobre el ciclo de luz y oscuridad que llega a través de los ojos. Las investigaciones en animales más simples como las moscas están comenzando a explicar las bases moleculares de los ritmos biológicos. Las bases celulares y moleculares de los ritmos drcadianos se examinarán en el capítulo 9. Ahora que hemos presentado los bucles de respuesta y los de retroalimentación, pasaremos al análisis de los diferentes siste~ mas de control.

1

202

CaJ:lftu!o 6 Comunicación, integración y homeostasis

{a) RefleJo endocrino simple

{b) Reflejo

nervioSO !llmp!e

Vías de control: respuestas y bucies de retroalimentación

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control endocñno con el nervioso y ver en qué se diferencian. Las cinco diferencias principales se resumen en el cuadro 6-4 my se explican a continuación. Especifiddad El control nervioso es muy específico porque cada célula nerviosa tiene una o pocas células diana específicas a las cuales envia su mensaje. Anatómicamente, podemos aislar mía neurona y trazar su recorrido desde su origen hasta la célula que inerva. El control endocrino es más general porque el mensajero químico se libera a la sangre y puede llegar prácticamente a todas las células del organismo. Como vimos en la primera mitad de este capítulo; la respuesta del cuerpo a una hormona específiCa depende de qué células tienen receptores que la reconozcan. Muchos tejidos del organismo pueden responder simultáneamente a la misma hormona. Naturaleza de la señal El sistema nervioso utiliza tanto señales qulmicas como eléctricas para enviar información por todo el cuerpo. Las señales eléctricas viajan largas distancias por las células nerviosas, liberando señales químicas (neurotransmisores) que difunden -a través del pequeño espacio entre la neurona y su diana (Fig. 6-31, ®m). En un número limitado de casos, las señales eléctricas pasan directame'nte de una célula a otra a través-de uniones en hendidura. El sistema endocrino utiliza solamente señales químicas: las hormonas secretadas por las glándulas endocrinas o la; .:élulas al torrente sanguíneo (Pig. 6-31, ®). La::vía neurohormonat (Pig. ·631, ®) representa un híbñdo de reflejos endocrinos 'y nerviosos. En una vía neurohormonal, una célula nerviosa crea una señal eléctrica, pero el producto químico que libera es una neurohormona que va a la sangre para ser distribuida por el organismo. E,VI S 1 Ó N

mFIGURA 6-30 Vias de control endocrina, nerviosa y neuroendocrina

. Los sistemas de control varían en veloddad y especificidad Las vías de control reflejo fisiológiCas están mediadas por el sistema nervioso, el sistemi endocrino o una combinación de los dos (Flg. 6-30 m). Un reflejo mediado solamente por el sistema nervioso o por el ·endocrino es relativamente simple, pero las vías reflejas combinadas pueden ser bastante complejas. En las vías mM complejas, las señales pasan a través de tres centros de integración distintos antes de alcanzar finalmente el tejido diana. Exisre tanta superposición entre las ·vías controladas por los sistemas nervioso y endocrino que se puede considerar que fonnan un cOritinuo más que dos sistemas separados. ¿Por qué necesita el organismo diferentes tipos de sistemas de control? Para responder a esta pregunta, hay que comparar el -

24. a) En el reflejo nervioso simple que se muestra en la figura &-30b, ¿qué recuadro o r&uadros representan al cerebro y a la médula espinal? b) ¿Qué recuadro o recuadros representan a los órganos de los-sentidos centrales y periféricos? e) En la figura 6--30b, agregue una línea discontinua que conecte los reruadros p;¡:ra mostrar cómo un bude de retroalimentación negativa podría interrumpir et reflejo.

Comparación dé!-(on~i-~ErviÓsO-c_on el CO\'Itrol :én~~-~nÓ\ PROPIEDAD

REFLEJO NERVIOSO

Espetificidad

Cada neurona termina en una sola célula diana o en un La mayorfa de las células del organismo está expuesta a la número limitado de células adyacentes. hormona. La respuesta depende de qué células tienen receptores para ella.

Naturaleza de la señal

La señal eléctrica pasa a través de la neurona, luego el

REFLEJO ENDOCRINO

neurotransmisor qulmico transmite la señal de una célula a otra. En pocos casos, la comunicación entre cé!ulas se produce a trav~ de uniones en hendidura.

Señales qufmicas son secretadas hada !a $angre para distri" buirse por el organismo.

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Velocidad

Muy rápido.

La distribución de la señal y la aparición de la a
cho más lentas que en las respuestas nerviosas. Duración de la acción

Generalmente muy corta. Las respuertas de mayor du· ración son mediadas por neuromoduladores.

la duración de la acción en general es mayor que la de respuesta neural.

Intensidad del estímulo

Cada seña! es idéntica en fuerza. la intensidad del estf· mulo se correlaciona con la mayor freruenda de emisión de señales.

la intensidad del estimulo se correlaciona con la cantidad de

lo. Una seftal debe viajar desde los ojos del ratón hasta su cerebro y de allí hasta sus patas, indicándole que corra nuevamente a su agujero. Si la distancia entre su cerebro y sus patas fuese de solamente 5 micrones (S Jml."' 11200 mm), una señal quúnica tardaña 20 milisegundos (mseg) para difundir a través del espado; el .ratón podría escapar. Si el cerebro y las patas estuviesen separados por SO ¡un (1120 mm), la difusión tomaría 2 segundos; el ratón podría ser atrapado. Pero como la cabeza y la cola del ratón están separadas por centímetros de distancia, una señal química tardaría tres semanas en difundir desde un extremo a otro. ¡Pobre ratón! Aun si la distribudón,de la sustancia química estuviese acelerada con la ayuda del sistema circulatorio, el mensaje químico igualmente tardada 10 segundos en llegar a sus patas, y el animalito se transformada en comida para gato. La moraleja de esta historia es que los reflejos que requieren una respuesta rápida están mediados por el sistema nervioso, porque son mucho más veloces.

Respuesta en !a p. 209

Velocidad Los reflejos nerviosos son mucho más rápidos que los endocrinos. Las señales eléctricas del sistema nervioso cubren grandes distancias con rapidez, con veloddades de hasta 120 m/seg. Los neurotransmisores también generan respuestas muy rápidas, en el orden de milisegundos. Las hormonas son mucho más lentas que los reflejos nerviosos. Su distribución a través del sistema circulatorio y su difusión desde los capilares hasta los receptores -toman mucho más tiempo que las señales que viajan por las células nerviosas. Además, las hormonas tienen un comienzo de acción más lento. En los tejidos diana, la respuesta puede tardar desde minutos hasta horas antes de poder detectarse.. ¿Para qué se necesitan los reflejos rápidos del sistema nervioso? Considérese este ejemplo. Un ratón se aventura fuera de su agujero y ve a un gato que está listo para saltar sobre él y comer-

201

Duración de la acción El control nervioso es de duración mucho más corta que el endocñno. El neurotransmisor liberado por una neurona se combina con el receptor de la célula diana e inicia una respuesta. La respuesta en general es breve porque el neurotransmisor es-retirado rápidamente de la cercanía del receptor por varios mecanismos. Para obtener una respuesta sostenida, deben enviarse múltiples señales repetitivas a través de la célula nerviosa. Los reflejos endocrinos son de comienzo más lento, pero son de mayor duración. Esto implica que la mayoria de las funciones continuas, a largo plazo, del organismo, como el metabolismo o la reproducción, quedan bajo el control del sistema endocrino. Codificación de la intensidad del estimulo A medida que un estímulo adquiere mayor intensidad, los sistemas de control deben tener un mecanismo para llevar esa información al centro integrador. La fuerza de la señal de cualquier neurona es constante en magnitud y por ende no puede reflejar la intensidad del estímu-

hormona secretada.

lo. En lugar de ello, aumenta la frecuencia de envío de señales a través de la neurona aferente. En el sistema endocrino,- la intensidad del estímulo se refleja en la cantidad de hormona liberada: cuanto mayor es el estímulo, mayores la cantidad de hormona liberada.

Las vías de control reflejo complejas tienen varios centros integradores La figura 6-31 resume las diferendas en las vías de control reflejas nerviosas, endocrinas y neuroendocrinas. En una vía refleja endocrina simple (f¡g. 6-30a; Fig. 6-31, ®), la célula endocrina actúa a la vez como sensor y como centro integrador; no hay vía aferente. La vía eferente es la hormona, y la célula diana es cualquier célula que tenga la proteína receptora adecuada. Un ejemplo de reflejo endocrino simple es la secreción de la hormona insulina en respuesta a los cambios de gluceqtia. Las células endocñnas que secretan la insulina sensan la concentración de glucosa en la sangre utilizando la producción de ATP de lacélula como indicador ( §fl Fig. S-38). Cuando la glucemia aumenta, la producción de ATP intracelular excede el nivel del umbral, y las células endocrinas responden secretando insulina a la sangre. Cualquier célula diana del organismo que tenga receptores para la insulina responderá a la hormona e iniciará procesos que retiren glucosa de la sangre. La eliminadón del estímulo actúa en forma de retroalimentación negativa, y el bucle de respuesta se interrumpe cuando la glucemia cae por debajo de determinada concentradón. En un reflejo nervioso simple, todos los pasos de la vía están presentes, desde el receptor hasta la diana (Fig. 6-30b, Fig. 6-31,
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204

vras de control: respuestas y bucles de retroalimentadón

Capftulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

205

Reflelos rniuroendocrlnos.

1

NERVIOSO

NEUROENDOCRINO

ENDOCRINO

Sensor o reaptor

Receptores sensitivos especiales y somáticos

R&eptores sensitivos espedales y somáticos

Celula endocrina

Vfa aferente

Neurona sensitiva aferente

Neurona sensitiva aferente

Ninguna

Centro Integrador

Cerebro o médula espinal

Cerebro o médula espinal

Célula endocrina

Vfa eferente

Neurona eferente (señal eléctrica y neuro-transmisor)

Neurona eferente (s~iial eléctrica y neurohormona)

Hormona

Efector o efectores Músculos y glándulas, parte del tejido adi· poso Respuesta

Prindpalmente contracción y secreción; puede tener algun_os efectos metabólicos

la mayorfa de las células del organismo la mayoría de las células del orga-nlsmo Cambios en reacciones enzimátlcas, transporte de membrana o proteínas celulares

Relacione los siguientes términos de las partes del reflejo rotuliano o patelar con las partes de un reflejo nervioso simple que se muestran en la figura 6-30b: golpe en !a rodilla, músculos del muslo, neurona que inerva los músculos del muslo, neurona ~nsitiva, cerebro y médula espinal, receptor de es· tiramiento, contracción muscular. Respuestas en la p. 209

mp:ERENCIAS Vfaseferentes

@""""'" ®

-~ Nsuronaeferente

ReceptO!' (sensor)

!eoll

r~~7ri.~.

_.A- Centi'o!~dorene!

°:

0

Neurotral\$mioor Neurohonnooa

9g 9 Hormonaclásil;a

.·,.'5~::- ~:n':'!~~~

~ Céiu~en~na _Q '-:;) Cé!u!adlana(efecto!)

,-,~

;·

_.

.

mFIGURA 6-~1 Algunos modelos básicos de vías de control nervioso, endocrino y neuroendocrino Un ejemplo de la-vía® es el reflejo rotuliano. un ejemplo de la vía® en la secreción de oxítocina en respuesta a la succi.ón. Un _ejemplo de la· vía® es la se<:redón de insulina en respuesta· a una señal del cerebro. la vfa ®muestra la liberación de insulina frente al aumento de la glucemia.

de estiramiento. Una señal química y eléctrica viaja a través de la neurona aferente hada la médula espinal (el centro integrador). Si el golpe es suficientemente fuerte (excede el-umbral), una señal via-

¡a desde la médula espinal a través de una neurona eferente hada los músculos. del muslo (diana o efector). En la respuesta,·los mús-culos se contraen, haciendo que la pierna se ~enda.

El reflejo neurohormonal, que se muestra en la figura 6-31, 2, es idéntico al nervioso, pero la neurohormona liberada por la neurona viaja con la sangre hada su diana, como si fuese una hormona. Un reflejo neurohormonal simple es la liberación de leche en respuesta a la sucdón por parte del bebé. La boca del bebé en el pezón de la madre estimula señales sensitivas que.viajari a través de las neuronas hada el cerebro (el centro integrador). Una señal eléctrica en la neurona eferente dispara la liberadón de la neurohormona oxitodna desde el cerebro hada la circulación. la oxitocina es transportada a la mama, donde causa la contracción del músculo liso (efector), dando como resultado la salida de la leche. En las vías complejas, puede haber más de un centro de in· tegradón. La figura 6-31 muestra tres ejemplos de vías neuroendocrinas complejas. La más simple, el modelo 3, combina el reflejo nervioso con el reflejo endocrino clásico. La diana del reflejo nervioso es una célula endocrina que libera una hormona. Un ejemplo de este modelo puede encontrarse en el control de la liberación de insulina por parte del sistema nervioso, en el cual neuronas excitadoras e inbibidoras terminan en las células endocrinas del páncreas. Las células endocrinas deben in· tegrar !a información de tres fuentes: las dos entradas antagónicas del sistema nervioso y su detección directa de la concentración de glucosa en la sangre.

Cambios én reacciones enzimátkas, transporte de membr'ana o protef· nas celulares

Relacione los siguientes términos con las partes co-rrespondientes de! reflejo neuroendocrino simple de la figura 6-31, ®(cada término puede usarse· más de una vez): alimentos en e! estómago luego de una comida, cerebro y médula espina!, células endocrinas del páncreas, re<:eptores de estiramien· to, neurona eferente a! páncreas, insulina, adipod· to, sangre, neurona sensorial. Respuesta en !a p. 210. Otro reflejo complejo (Fig. 6-31, 4) utiliza una neurohormona para controlar la liberación de una hormona clásica. La secreción de la hormona de crecimiento es un ejemplo de esta vía. Las vías neuroendocrinas más complejas, como muestra la figúra 6-3i, 5, incluyen una neurohormona y dos hormonas clásicas. Este modelo es típico de algunas hormonas liberadas por la adenohipófisis, una glándula endocrina ubicada justo debajo del cerebro (véase el capítulo 7 para más detalles). Al descnbir las vías reflejas neuroendocrinas complejas, identificamos solamente un receptor y una vía aferente, como se in· dica en la figura 6-31. En las tres vías complejas que _se muestran, el cerebro es el primer centro de integración y la neurohormona es la primera vía eferente. En la figura 6-31, S, la diana endocrina (E1) de la neurohormona es el segundo centro integrador, y su hormona es la segunda vía eferente. la -segunda glándula endocrina de la vía ~ es el ten::er centro integrador, y su hormona es la tercera vía eferente. La diana de la última señal de esta Se_ruencta es el efectoL El cuadro 6-5 m compara los distintos pasos de los reflejos nervioso, endocrino y neuroendocrino. En 10 que resta del texto, utilizaremos los modelos generales que se muestran en la figura 6-31 como herramienta para clasificar las vías reflejas complejas. El siguiente capítulo examina en detalle algunas de las vías del sistema endocrino y el papel de éstas en la homeostasis.

1

Resumen del capítulo

207

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis

206

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RESUMEN DEl CAPÍTULO D!Al!IITES MELLITUS Martín se sometió a más pruebas y le fue diagnosticada diabetes de tipo 2. Con un control de su dieta y un progralm! de ejercidos físicos, pudo mantener sus niveles de glucemia bajo control. La diabetes se está transformando en un problema de salud importante en los Estados Unidos. Para aprender más sobre esta enfermedad, véase el sitio en Internet de la American Diabetes AssodatiOn (MWI.diabetes.org) o el de los Centers for Disease Control and Prevention (www.cdc.gov).

1

• PREGUNTA

<~--=---·~----~-~·~

1 ¿En qué tipo de diabetes es más probable que exista un defecto en la vía de señales de la insulina?

En esta serie usted ha aprendido más sobre la homeostasis de la glucosa y cómo se la mantiene mediante inSulina y glucagÓn.- La aparición de la diabetes mellitus es una indicación de que la homeostasis de la glucosa se ha interru~pido._Controle lo que_ha aprendido sobre erte tema comparaÍ1do suS respueStas có~ Já.iri: · formación del cuadro de resumen.

DATOS

!NTEGRAOÓN Y ÁNÁLis1S.

La insulina es una· hormona pept!dicil que utiliza receptores de membrana ligados a segundos mensajeros para transmitir sus señales a las células ( 11@ p.183}. Las personas con diabetes de tipo 1 carecen de insulina; las personas con diabetes de tipo 2 tienen canti· dades de insulina normales o elevadas.

Las conceñtradones normales o elévSd
~----~--=~-~-~'

2 ¿En qué tipo de diabetes es más pro- la reguladón por incremento de los. recepbable que los receptores para !a insu- tores ocurre gen·era!mlinte si una. Q!~l~_la

4

Comunicación entre células

.

En !a
·~lina son bajaS. Por lo_tanto, ~eS-mis probabl'e gue .

lina sufran una regulación por incremento?

de señal está en ci:iOcentradones mÚy ~jás {~p. 191). En la diabetes de tipo 1, no se secreta insulina desde el páncreas.

¿De cuál de los postulados de cannon es ejemplo la regu!adón homeostática de la glucemia por acción de las honnonas insulina y g!ucagón?

Los postulados de cannon describen el papel la insuÚn~ di~inuye la 91ucerilia, y ~1-!}lucagón ia . del sistema nervioso en el mantenimiento de aUmenta. Por !o tanto.- am~?as hormonas son_ tin la homeostasis y los conceptos de actividad ejemPlo de control antagónico. tónica, control antagónico y los diferentes efectoS de las señales én distintos teiidos.

En~ ihsullna que regula 1a glucemia, ¿cuáles son et esttmulo, el sensor, el centro inte9rador, la vía eferente, el o los efectores y la o las respuestas?

Véanse los pasos de las vfas reflejas (~Yp. 195).

la diabetes de tipo 1 genere una-regti!adón pOsitiva de los receptores para la·hoimona;-

Estftil~/ó: 8ulnento en 1~ .glucéiniá; -~iifu_~-~-ltil~_--.:- _.: beta det Páncreas q~_e_deteétait él ~niDio; (élít-r.O integrádo~ ~lulaS-~; _vfa eierent~_o-~ Se~al):,_!riSJ.; lina; t$~, ai?l_qui~ ~jido del o'rg8rií5~0 q_~e : .

responda a_ la insúliná; ~espuertaS: _éápta_dó~ ée!i.l!~t · y utíÍizadóri ~e !a gluc~; ·_.- · -· . . "

¿Porqué no siempre puede la glucO: La glucosa es lipófoba, La difusión simple se . Como !a g!ucósa-es !ipófoba, debe cruzar _!a-mem-; : brana por difusión facilitada. Si una· célula í::arece de ·produce a través de la bkapa de_fosfo!fpi~ sa difundir dentro de las células dos. La difusión facilitada se basa en trans-: Jos transportadores proteicos riecesaños,-la difusión,·: cuando su concentración en !a. sanfacilitada no~ produce. gre es mucho mayor que Ja concen- portadOres proteicos ( &'lp. 141). tración intracelular? ·

ocurre

6 ¿Qué piensa que le a la tasa. de secreción de insulina cuando caen las concentradoiles de glucosa en la sangre? ¿Qué tipo de bude de retroalimentadón está operando?

El estrmulo para la liberación de insulina es el incremento deJa glucemia. _En la retroalimentación negativa, la respuesta cancela al estfmulo. En la retroalimentación positiva, la respuesta fortalece- al estimulo.

~n

Este .:apítulo se centra en dos de los temas principales de la fisiología: la homeostasis y los sistemas de centro!, y la comunicad6n. Los sensores, los centros Integradores y los efectores de los sistemaS de control fisiológico se desalben en e! contexto de las vfas de cOntrol ref!e¡as, que varían desde las simples hasta las complejas. Los sistemas de control functcinal necesitan una comunicación eficiente que utiliza vanas combinaciones de señales químicas y el&trlcas. Aquellas seiiales que no puedan cruzar las membranas utilizarán-proteínas receptoras y transductores de' sefiales para transferir su informaCión a la célula. La interacción de las mólécu1as de señal con las proteínas receptotas ilustra otro tema fundamental de la fi. siología, las interacciones moleadares.

~im~la!a_tibeia~i~ -~~

El aumento la glucemia, ; insulina; por lo tanto, la reducción de la g!_ucemia : deberla dism_inuirla._ Eri ~ eje!tlp!O,I~_ ~PU,esta (menor glucemia) se Q¡)One al estfmulo {aUmento_,., de la gltitemici), ¡X;r lo 'qúe. está opetcindo tiri bu9e._, de retroalimentadóÓ negativa•.

1. Existen dos tipos básicos de señales fisiológicas: químicas y eléctricas. Las seftales químicas son la base de la mayoría de las comunicaCiones en el organismo. (p. 175) 2. Existen cuatro medios para la comuni.:actón entre células: 1} transferencia directa entre Citoplasmas a través de uniones en hendidura, 2) señales dependientes del contacto, 3) comunicación qulmica local, y (4) comunicación a larga dlstanda. (p. 175; Fig. 61 y 6-2) 3. Las uniones en hendidura o comunicantes son canales proteicos que conectan dos células adyacentes. Cuando están abiertos, las señales qtúmicas y eléct:rtcas pasan directamente desde una célula a la otra. (p. 175) 4. Las señales dependientes del contacto necesitan el contacto directo entre moléculas de superficie de dos células (p. 176). 5. La comunicación local se logra mediante seilales pa:raoinas, sustan· das químicas que actúan sobre células ubicadas en tonas muy cercanas a la célula que las secretó. Una sustanda química que actúa sobre la misma célula que la secretó se denomina señal autoc:rlna La actl· vidad de las seiiales parnainas y autocrlnas está llmltada por la <listanda de difusión. (p. 176) 7. Las cttocinas son moléculas reguladotas que controlan el desarrollo celular, la dlferencladón y la respuesta Inmunitaria. Funcionan como seil.ales locales y a larga distancia. (p. 176)

Vías de señales 8. Las sefiales químicas se unen a receptores y modifican a las molku· las de señal intracelulares que diiigen la zespuesta. (p. 177; Flg. 6-3). 9. Las mol~ de sefialllpófilas entran en la célula y se unen con ceptores dtoplasmáticos o nucleares. las moléculas de señal upófobas y algunas lipófilas se combinan con receptores de m~rana. (p. 178;

re.

16. La eru:ima de amplifi.:actón fosfolipasa e genera dos segundos-mensajeros: IP3 y diacllglicerol. El IP3 activa la liberación de ea:u de los depósitos Intracelulares. El diadlglicerol activa a la proteindnasa C. (p. 184; Flg. 6-12) 17. Los receptores integrinas vinc.ulan la matriz extracelular con e! d· toesqueleto. (p. 184; Flg. 6-5) 18. Los canales iónicos regulados por ligando se abren o den:an para crear señales eléctricas. (p. 185; Flg. 6-13)

Moléculas de señal nuevas 19. El caldo es una importante molécula de seftal que se une a la calmodulina para modificar la actividad de enzimas. Tambl&l se une a otras proteínas celulares para alterar su movimiento e lniclat" la ~ocitosis. (p. 186; Flg. 6-15) 20. El óxido nítrico (NO) y e! monóxido de carbono (CO) son moléculas de señal gaseosas de vida corta El NO activa dltectamente a la iua· nili1 ddasa. (p. 187} 21. La cascada del áddo araquidóruco genera moléculas paracrinas lipídicas, como los leucotrienos, las prostaglandinas y los tromlloxanos. (p.188; Flg. 6-16)

1

Modulación de las vías de señales Z2. La respuesta de una célula a una molécu)a de sefial está determinada

por los receptores que posea para esa mol&ula. (p.189) 23. Las proteínas receptoras presentan espedfiddad, competencia y saturación (p. 189). 24. Un receptor puede tener muchosligandos. Los agonistas imitan la acdón de la mol&ula señal. Los antagonistas bloquean la vía de la señal. (p. 189; Fig. 6-17} 25. Los receptores se presentan en fon:nas relacionadas llamadas lsoformas. Un ligando puede tener diferentes efectos al unirse a distintas isofornias. (p. 189; Fig. 6-18) 26. Las células expuestas a concentraciones anormalmente elevadas de una seil.al durante un largo período de tiempo intentari llevar su res· puesta a la normalidad disminuyendo el número de receptores o la af.!nl.dad de unión de los mismos. Esto se conoce como regulación por disminución de receptores. El efecto opuesto es la regulación de Incremento. (p. 190) 27. Las células tienen mecanismos para interrumpir las vías de las señales, romo quitar del medio a estas moléculas o desacoplar e! complejo receptor-ligando. (p. 191) 28. Muchas enfennedades se han relacionado con defectos en varios as-pectos de las vías de señales, como la falta o la alteración de los recep· tores. (p. 191)

Fig. 6-4)

10. Las vías de trnnsducclón de señales utilizan receptores de membra· na proteicos y segundos mensaJeros intracelulares para traducir Ia Información de la seiíal en una respuesta intracelular. (p. 179) 11. Algunas vías de transducción de señales activan proteinclnasas. Otras activan enzimas amplificadoras que crean segundos mensajeros moleculares. (p. 180) 12. Las vías de señales crean cascadas intracelulares que amplifican la señal original. (p. 180; Fig. 6-7 y 6-9) . 13. Las enzlmas..receptores activan protelncinasas, tales como la tirosi.ncinasa (Flg. 6-10),- o la enzima amplificadora guanlli1 dclasa, que· produce el segundo mensajero cGMP. (p. 182) 14. Las proteínas G unidas a eruimas de amplificación son el Sistema de transducctón de señales más común. Los receptores asociados a la proteína G también alteran los canales de iones. (p. 183) 15. La vía adenilll dclasa asedada a la proteína G-cA.\fP-proteinclnasa Aes la vía más común para las hormonas proteicas ypeptídicas. (p. 183; Fig., 6-11)

Vías de control: respuestas y budes de retroafimentación · 29. Walter Cannon describió por prlmera vez cuatro postulados básicos de la homeostasis. 1) El sistema nervioso central tiene un papel im· portante en el mantenimiento de la homeostasls. 2) Algunos parámetros están bajo control tónico, lo que les permite aumentar o dismi· nulr con una sola señal (Fig. 6-20). 3) Otros parámetros se encuentran bajo control antagonista en el cual una lwrmona o. neurona incre- · menta el parámetro mientras que otra lo disminuye (Flg. 6-21). 4) ~ · seilales químicas pueden tener distintos efectos en diferentes tejidos del cuerpo, según el tipo de receptor que esté presente en la célula diana. (p. 192) 30. El control homeostático más simple tiene lugar a niVel del tejido o la célula y se conoce como control locaL (p.l94) 31. En las vías de control reflejas la dedsión de la necesidad de una res-

208

Capítulo 6 Comunicación, integración y homeostasis Respuestas

puesta se toma lejos de la célula o el tejido. Una señal eléctrica o quimica enviada hada la célula o tejido desencadena entonces la respuesta. Las vías reflejas de larga distancia involu~ a los siStemas nervioso y endocrino y a las dtodnas. {p. 194, Fíg. &.22) 32. Las vías reflejas pueden dlvidirse en bucles de respuesta y bucles de retroalimentación. Un bucle de respuesta comienza cuando un estimulo es detectado por un sensor o receptor sensitivo. El sensor está vinculado mediante una vía aferente con un centro integrador que decide la respuesta apropiada. Una vía eferente viaja desde el centro integrador hada un erector que ejecuta la mpuesta. (p. 194; Fig. &. 23)

.

33. En lizalacuando retroalimentación la respuesta del negativa, sistemauna se opone resp..•."". .o elintina homeostática el estímulo finaoriginal. {p. 199; Fig. 6-27a) 34. En los bucles de ret:roallmentadón positi'Ya, la respuesta refuerza el

1

• = --·· PREGUNTAS

--~--

·-·

estímulo en lugar de disminuirlo o anulado. Esto desestabiliza al sistema hasta que alguna intervención o evento ajeno al bucle detiene la respuesta. {p. 199; fig. 6-27) 3S. El control por prealimentación permite al organismo predecir que está por ocurrir un cambio e iniciar el bucle de respurna anticipadamente. (p. 200) 36. Los reflejos aparentemente espontáneos que ocurren de manera pre= decible se llaman ritmos biológicos. Aquellos que cotndden con los ciclos de luz y oscuridad se llaman ritmos circadlanos. (p. 200) 37. El control nerv:iow es más rápido y más específico que el control endocrino, pero generalmente de menor duración. El control endocrino es menos especifico y más lento, pero más prolongado y, en general, amplificado. {p. 202; cuadro 6-4) 38. Muchas vías reflejas son combinaciones de mecaniSmos de control nerviosos y endocrinos. {p. 203; Fig. 6-31)

~~~--~-

- ..

a) Usted está sentado tranquilamente en su escritorio, estudiando, cuando advierte un fuerte viento que sopla en el exterior y comienza a sentir un poco de frío. Enciende la calefacción pero re. cuerda la factura que le llegó el mes antciior y decide ponerse un abrigo en lugar de ello. Pronto deja· de sentir frío. b) Mientras está haciendo las compras, percibe el olor de unas tortas de canela. Le agrada el olOJ; pero recuerda que no tiene hambre, ya que ha almorzado una hora antes. Sigue su camino, pero 20 nrlnutos después se encuentra nuevamente en la panadería, con una torta en la mano, devorándola, sintiendo la saliva en su bo-

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. ¿Cuáles wn las dos rutas para el envío de ~~es a larga distancia en

el organiSmo? 2. ¿Qué dos siStemas del organiSmo se encargan de mantener la homeostaslS respondiendo a los cambios del entorno? 3. ¿Qué dos tipos de sefiales fisiológicas se usan para enviar mensajes a tr.wés del organismo? De estos dos tipos, ¿cuál llega a todas las céluw? 4. El proceso de mantenimienro de un medio interno relativamente estable se llama-S. Mencione al menos tres par:unetros mantenidos por homeostasls. 6. Explique la diferencia entre ~diana" y #receptor" en los sistemas fisiológicos. · 7. En una vía de sefiales, el ligando, también llamado--se une a-., que se aCtiva y modifica a los- tntracelulares. 8. Las tres principales enzimas de amplificación son a)-, que forma cAMP; b}--, que forma cGMP, y 'e}--, que transforma un fosfolí· pido de la membrana celular en dos moléculas de segundo mensajero diferentes. 9. Una enzima conocida como proteindnasa agrega el grupo funcional --a su sustrnto, transfui&ndolo de una molécula de10. Ordene las siguientes partes de un reflejo de_ la forma conecta, para describir un bucle de respuesta fisiológico.; vía eferente, vía aferente, efector, estímulo, respuesta, centro tntegrador. u. Mencione las diferencias entre los receptores centrnles y los periférl·

'"'·

. 12. Rcladone cada uno de los slgulentes términos con su descripción: a) umbral l. el valor deseado de un parámetro b) valor de ajuste 2. la distanda de separadón del valor de ajusc) efector te permitida imtes de que_se inlde una resd) oscilación puesta e) sensibilidad 3. el estímulo mínimo para disparar una res·

Pll""

4. el órgano o glándula que lleva a cabo el cambio 5. mO\'imiellto. de un parámetro dentro de un rango deseado

13. Pueden encontrarse receptDres para las vías de Sf!ñales en --o en -de la célula. 14. El nombre de las fluctuaciones diarias de las funciones del organiSmo, como presión arterial, temperatura y procesos metabólicos, es -

Estos cicÍos tienen origen en células especiales en el-15. La regulación por disminución da como resultado un{a--{¿aumento o disminución?) en la sensibilidad ftente a una señal sosteruda. '· 16. Enumere las dos maneras en que puede lograrse la regulación por disminución. 17, En un bucle de retroalimentación negativa, el efector mueve el s!Ste. ma en la-- (misma/opuesta) direcc!Ól_l que el estímulo.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 18. Explique las relaciones entre los términos de cada uno de los sigUientes grupos. Dé un ejemplo fisiológico o ubicación donde sea adecua.' do. (a) uniones en hendidura, conexinas, slncitio, conexón (b) autocrina, paracrina, dtodna, neurocrtna, hormona (e) agoniSta, antagonista (d) traruducción, amplificación, cascada 19. Enumere y compare las cuatro clases de receptDres de membrana de

las vías de señales. Dé un ejemplo de cada una. 20. ¿Quién fue Walter Cannon? Refonnule sus postulados con -sus propias palabras. 21. Defina brevemente los siguientes términos y dé un ejemplo anatómi· co cuando sea apropiado: vla efeiente, vía aferente, efector, estímulo, respuesta, centro integrador. 22. Explique las diferencias entre retroallmentación positiva, retroalimentación negativa y por prealimentadón. ¿Fn qué circunstancias seria ventajosa cada una de ellas? 23. Compare las ventajas y desventajas de los mecanismos de control nerviosos y endocrinos. 24. Diga si cada uno de los siguientes sistemas es una retroalimentación positiva o negativa. a) $&redón de glucagón en respuesta a la d!smlnudón de la gluce-

,;, b) aumento en la produCCión y secreción de lecl!e en respuesta a la succión · e) necesidad urgente de vaciar la vejiga . d) sudor en respuesta al aumento de la temperatura corporal 25. Identifique el órgano efector en cada ejemplo de la pregunta 24, 26. Identifique el centro de integración en cada ejemplo de la pregunta 24.

NIVEL 3: RESOWQÓN DE PROBLEMAS 27. En cada una de las siguientes situaciones, identifique los componentes del reflejo.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 28. En la cascada de señales de la IOdopsina, una molécula fotorrecepto· ra, una rodopsina activa 1 000 moléculas de transdudna, la siguiente molécula en la cascada de señales. cada trnnsductna activa una fosfodlesterasa, y cada una de éstas convierte 4 000 cGMP en GMP. a) ¿Cuál es el nombre de! fenómeno descripto en este párrafo? b) ¿Cuántas moléculas de GMP resultarán de la activación de una

rodopsina?

a.

--1

RESPUESTAS

~Respuestas a las preguntas de revisión

(Véanse las respuestas en el Apéndice A)

209

Páginal77

Página 189 14. Un fármaco que bloquee la acción de los leucotrienos podrfa actuar robre el receptor o en cualquier paso posterior. Un fármaco que blo· quee la síntesis de leucotrienos debe inhibir la l!pooxigenasa.

l. Todos los métodos de comunicación mencionados son señales qtúmicas, excepto (e) uniones en hendidura, que transfieren tanto-seña· les quimlcas como eléctrtcas. las neurohormónas (e) y los neurotransmisores (f) se asedan con las señales eléctricas de las neuronas

Página 190 15. Los receptores, las enrunas y los transportadores son proteínas. 16. La Insulina podría estar utilizando SiStemas de segundos mensajeros

pero son en sí sustancias quúnl.cas.

2. Las citoctnas, las hormonas y las neurohormonas viajan a través de

la sangre. Las neurohormonas y los neurotransmisores son liberados por neuronas, 3. La señal para saltar no pUede haber sido paracrina porque los ojos están demasiado lejos de las patas y porque la respuesta fue demasiado rápida como para haber tenido lugar por difusión. Página 179 4. Los componentes de las vlas de sefiales wn la molécula señal, el receptor, la molécula o moléculas de señal intracelular y las proteínas

di"'•

S. Las ubicaciones celu!ares de los receptores son la membrana celular, el dtosol y el núcleo,

Página 182 6. Los pasos de la transducdón de sefiales wn: 1) la molécula Señal se une al receptor, el cual2) activa una proteína que 3) produce segundos mensajeros, los cuales 4) generan la respuesta. ·

7. La amplificación transforma una molécula de sefial (primer mensaje· ro) en muchas moléculas del segundo mensajero. 8. Los esteroides son llpófilos, por lo que pueden entrar en las células para uniise a receptores intrncelulares. Página 185

9. Los receptores son canales !ónices dependientes de ligandos, emlmas receptoras, receptores asociados a proteína G o integrlnas. lO. Los primeros mensajeros son extracelulares; los segundos mensajeros son intracelulares. U. a) ligando, receptor, segundo mensajero, respuesta celular; b) enzima amplificadora, segundo mensajero, proteinctnasa, proteína fosfotilada, respuesta celular. 12. (a) Si'! abre el canal de CI-: la célula se hlperpolar!za; (b) se abre el ca· nal de K•: la célula se hiperpolariza; (e) se abre el canal de Na•: lacélula se despolariza. Página 186

13. la célula debe usar el transporte actiVo para mover los Iones eaz. en o?ntra de su gradiente de concentración.

diferentes, o uniéndose a distintos receptores. Página 191 17. Las opciones (a) y (d) producirían regulación por dismtnuctón de la afinidad de unión. El cambio del número de receptOres no afectaría la afinidad de unión. Página 193 18. El control tóruco en general involucra a un solo sistema de control,

pero el control antagórñco utili2a dos. 19. Una sefial puede tener efectos opuestos cuando utiliza distintos receptores o diferentes vías de señales. Página 197 20. El control local tiene lugar en la célula diana o muy cerca de ella. El control reflejo está mediado por un centro integrador alejado. 21. Estímulo, sensor o receptor, vía aferente, centro integrador, vía efe.

rente, diana o efector, respuesta (tisular y sistémica), Página198 22. Si el agua del acuario se calienta en exceso, no hay un mecantsmo de control que la lleve nuevamente al rango deseado. Página 199 23. l.a retroalimentación negativa apaga el calentador. Este bucle de retroalimentación se muestra como una lfnea discontinua que vuelve desde la respuesta hacia el estimulo, con lineas paralelas de "deten-

dón".

Página202 24. a) Los ~centros integradores del sistema nervioso" son el cerebro y la médula espinal. b) "Receptor" representa a los órganos sensoriales. e) La lfnea discontinua que indica retroalimentación negativa va desde

la "respuesta" hada el "cambio interno o externo~.

Página20S

25. Golpe en la rodilla"' cambio interno o externo; músculos de la pler· na =-efectores; neurona que inerva los músculos de la pierna "' neu. rona eferente; neurona sensitiva = vía aferente; cerebro y médula espinal = centro integrador; receptor de estiramiento "" receptor; con· tracción muscular"' respuesta.

210

Capítulo 6 Comunicación, integradón y homeostasis

Página205 26. Alimentos en el estómago: estímulo; O!rebro y médula espinal= centro Integrador del sistema nervioso central; célul¡¡s endocrinas del páncreas"' E (t-entro integrildor); receptores al estiramiento "' rectptor; neurona eferente al páncreas"' neurona eferente; insulina"' hor· mona clásica; adipodto =célUla diana; neurona sensitiva"" neurona aferente.

1

Respuestas a las preguntas de las figuras Página 182 flg. 6-9: A (inactivo y activo)"' aderti!U ddasa; B inactivo= ATP; B activo = cAMP; e (activo e inactivo)= proteincinasa A; producto= proteina fos· forilada. Página 194 Fig. 6-21: {a) 60 latidos/ min, (b) 280 latidos/ruin.

Introducción al sistema endocrino :__;;;::. 212 213 217 217

Y~vanonas

las hormonas se conocen desde tiempos antiguos ¿Qué hace que una sustancia química sea una hormona? Las hormonas actúan mediante la unión a receptores La acción de las hormonas debe interrumpirse

('(;; ~i-fi;;:;:;ción de las hormonas 217 219 221

Las hormonas son mayoritariamente péptidos o proteínas Las hOrmonas esteroideas derivan del colesterol

las hormonas amlnicas derivan de dos aminoácidos

C-:HYtro! de 222 223 225 225 225 226 226 226 229 229

l~

Hberadón de hormonas:

Las hormonas pueden clasificarse según sus vías reflejas La célula endocrina es el sensor de los reflejos endocrinos mas simples Muchos reflejos endocrinos involucran al sistema nervioso las neurohormonas son secretadas hada la sangre por neuronas la hipófisis es en realidad dos glándulas unidas la neurohipófisis almacena y libera dos neurohormonas La adenohipófisis setreta seis hormonas Los bucles de retroalimentación son diferentes en el eje hipotá!amo-hipofisario El sistema porta hipotálamo-hipofisario dirige la liberación de hormonas tróficas las hormonas de la adenohipófisis controlan el crecimiento, el metabolismo y la reproducción

irrtera(ciones E~íTtrE> hormonas 230 En la sinergia, el efecto de las hormonas que interactúan es más que aditivo 231 Una hormona permisiva permite que otra ejerza su efecto 232 las hormonas antagonistas tienen efectos opuestos Enf~rmectades

232 233 233 234

eml-t¡,cdnas

La hipersecreción exagera el efecto de una hormona La hiposecredón disminuye o elímina el efecto de una hormona Los problemas de los receptores o de los segundos mensajeros generan respuestas anormales en los tejidos El diagnóstico de las enfermedades endocrinas depende de la tomplejidad del reflejo

E.vdudón de tas honnonas

INFORMACIÓN BÁSICA .

.

REÍcepiores: ÚS; PéptidoS Y-protefn.c!S:)_1; -. coril~_~_raCión 'de lOs si~~~as _endocrin~ yn·e!viosO: ~Ói; .- _Transducción ;de señales:.180; Esteroidei. 27; ·,Especificidad: 39_ , ·

212

las hormonas

Capítulo 7 lntroducdón al sistema endocrino

David tenía siete años cuando aparecieron los síntomas por primera vez.. Su apetito aumentó y parecía que siempre estaba en la cocina buscando algo para. comer. A pesar de comer más estaba bajando de peso. Cuando comenzó a pedir agua en lugar de bebidas gaseosas, su madre se preocupó, y cuando mojó la cama tres noches seguidas, supo que algo andaba mal. El doctor confu~ mó el diagnóstico después de realizar pruebas para determinar la concentradón de glucosa en orina y en sangre. David tenía diabetes mellitus. En su caso, la enfermedad se debía a la falta de in~ sulina, una hoonona produdda por el páncreas. David comenzó a ser tratado con inyecciones de inSulina, una terapia que deberla continuar por el resto de su vida. Hace den años, David habría muerto poco después de la aparidón de IQs síntomas. El campo de la endocrinología, el estudio de las hormonas, estaba entonces en sus inidos. Muchas hormonas, la mayoría no habían sido descubiertas, y las fundones que se conocían no se comprendían por completo. No existía trata~ miento para la diabetes, no había píldoras anticonceptivas, los • bebés naddos con una secredón inadecuada de hormona tiroidea no creáan ni se desmallaban normalmente. Hoy-todo ello ha cambiado. Se ha identificado una larga lista de hormonas que sigue creciendo. Las enfermedades endocrinas que mataban o incapacitaban a las personas hoy pueden controlarse con hormonas sintéticas y procedimientos médicos complejos. Aunque los profesionales rÍo dUdan en usar estos tratamientos, afuf estamos aprendiendo cómo actúan éxactamente las hormonas en sus células diana. Este capítulo brinda una introducción a los prindpios básicos de la estructura y la función de las hormonas. Aprenderá más sobre cada una de ellas individualmente a medida que las encuentre en su estudio de los distintos sistemas.

LAS .HORMONAS Como se vio en el capítulo 6, las hormonas son mensajeros químicos secretados a la sangre por células especializadas. Las hormonas son responsables de muchas funciones que co~idera- ·

mFIGURA 7·1 Una enfermedad endocrina en el arte antiguo Esta talla precolombina de una mujer muestra una masa en su cuello. Esta masa es la glándula tiroides agrandada, una enfer~­ medad conodda como bocio. Se la consideraba un signo de belleza entre los pobladores de Jos Andes.

una práctica común en las culturas oriental y occidental, porque se sabía que disminuía el deseo sexual y cáusaba infertilidad. En 1849, A. A. Berthold condujo el primer experimento clásico de la endocrinología. Extirpó los testículOs a un grupo de gallos y observó que las aves castradas tenían crestas más pequeñas, menor agresividad y menor libido que las no castradas. Si los testículos se reubicaban quirúrgicamente en_el gallo donante o en otra ave castrada, reapareda el comportamiento masculino· normal y el desarrollo de la cresta. Como los testículos reimplantados no estaban conectados a nervios, Berthold concluyó que las glándulas debían estar secretando algo hada la Sangre, que afectaba todo el cuerpo. la endocrinología experimental no recibió mucha atendón, sin embargo, hasta 1889, cuando el mé~co francés de 72 años Charles Brown-Séquard anunció su rejuvenecimiento seXual luego de inyectarse extractos hechos con testículos de toro triturados en agua. Se produjo entonces un alboroto mundial y los médicos de ambos lados del Atlántico comenzaron a tratar a sus padentes con inyecciones de extractos de distintos órganos endocrinos, una práctica que se conqce como mgarwterapia. Hoy sabemos que la creciente virilidad que informó Brown-Séquard se debía probablemente a un efecto placebo, porque la testosterona es un esteroide hidrófobo que no puede extraerse mediante preparados acuosos. Sin embargo, su investigación abrió la puerta a la terapia hormonal, y en 1891la organoterapia tuvo su primer éxito verdadero: una mujer fue tratada por su hipotiroidismo con extractos de glándulas tiroides de ovejas. · A medida que crecía el estudio de las "secreciones internas", los experimentos de Berthold se convirtieron en un modelo para ·la investigación. Cuando se sospechaba que una glándula o una estructura secretaba hormonas, los pasos clásicos para identificar~ la como glándula endocrina eran: l. Extraer la glándula en estudio y observar en el animalias

mos como continuas y de largo plazo en nuestro organismo. Los procesos que están prácticamente por completo bajo_ coQtrol hor· monal son el crecimiento y el desarrollo, el metabolismo, la regulación del medio interno (temperatura, balance de agua, iones) y la reproducción. Las honnonas· actúan en sus células diana de una de tres maneras básicas: 1) Controlando las velocidades de las reacciones enzimáticas, 2) controlando el transporte de Jones o moléculas a través de las membranas o 3) controlando la expresión de l_os genes y la síntesis de proteÍJ:!as.

Las hormonas se conocen desde -tiempos antiguos Aunque el campo científico de la eildocrinología es relativamente joven, las enfermedades del sistema endocrino se han documentado desde haCe nili de mil años, Incluso en el arte antiguo se ven evidencias de anomalías end~. Por ejemplo, la estatua precolombina de una mujer muestta un bulto en la parte delantera de su cuello (Fig. 7-1 S). El bulto representa una glándula tiroides de tamaño aumentadQ, o bocW, una eofennedad frecuente en los Andes, donde existía defidenda de yodo la dieta, mineral que es necesario para la síntl:sis de hormonas tiroideas. la primera asodadón descubierta entre estructura y fund.ón endocrina fue probablemente el vinculo entre los testículos y la sexualidad masculina. La castración de animales y hombres era

en

anomalías anatómicas, de comportamiento o fisiológicas. Esto es el equivalente a inducir un estado de de(idencia hor~ monal.

2. Recolocar la glándula en el animal o administra:de un ex- · tracto de ella para ver si las anomalías desaparecería!L Esta terapia de reemplazo debería eliminar los síntomas de la de-_ fidenda hormonal. 3. Implantar la glándula en un animal sano o administrarle un extracto de ella, y ver si aparecían los síntomas característicos de exceso de hormona, 4. Una vez que se identificaba a la glándula como fuente poten· dal de hormonas, purificar extractos de aquélla para aislar la sustancia activa. ~ prueba de la actividad honnonales en general un ensayo biológico en el cual se le inyecta a un animal el extracto purificado y se observa la .respuesta. Las hormonas identificadas con eSta técnica se llaman a veces homumas clásicas. Son las hormonas del páncreas, la tiroides, las suprarrenales, la hipófisis y las gónadas, todas ellas glándulas endocrinas independientes que pueden identificarse fácilmente y extirparse mediante cirugía. Pero no todas las hormonas provienen de glándulas identificables y su descubrimiento ha sido más lento.

213

El Resumen anatómico de la figura 7-Zffienumera las principales hormonas del organismo y las glándulas o células que las secretan, junto con las principales propiedades de cada una de ellas.

¿Qué hace que una sustancia química sea una hormona? El término honnona se acuñó en 1905 a partir de un verbo griego que significa "excitar". La definición tradidonal ,de hormona es la de una sustancia química secretada por una célula o un grupo de células hada la sangre que la transporta hada un objetivo lejano, donde ejerce su acción en concentraciones muy bajas. Sin embargo, a medida que los investigadores aprenden más cosas sobre las comunicadones químicas en el orgallisroo, esta definición es puesta a prueba continuamente. Las hormonas son secretadas por una célula o grupo de ·células Tradicionalmente, el campo de la endocrinología se ha concentrado en los mensajeros químicos secretados por glándulas endocrinas, tejidos diferenciados y fácilmente identificables derivados del tejido epitelial (~p. 75). Sin embargo, sabemos ahora que las moléculas que actúan como hormonas no solamente se secretan en las glándulas endocrinas clásicas sino que también lo hacen en células endocrinas aisladas (hormonas del sistema endocrino difu· so), en neuronas (neurohmmanas) y en células del sistema inmunitario(dtxx;inas).

las hormonas se secretan a la sangre La secreción, que presentamos en el capítulo 3 ( i1i:!! p. 53), es el movimiento de una sustan·

1

214

Capftulo 7 Introducción al sistema endocrino

Las hormonas

215

UMEN ANATÓMICO HORMONAS

Amina. Grupó de neuronas

Ritmos circadianos; otros efectos poco claros

Péptidos

Extensión de las ·neuronas del hlpotálamo

Glándula

~~~~~·~-

1

Tuno

Ad~olñpófisis

Liberaci6n_o inhibición de hormonas lúpofisM!ru;

Mama y_ íttero

Eye<:c:ión de leche; parto y nacimiento; comportamiento Reabsorción de agua

Riiión

Mama

Péptidos

ProdU:ccióil de leclte Cri!cimiento y metabolismo Liberación de cortisol -Síntesis y hberaci6n de hormonas tiroideas _Producd6n de óvulos o espermatozoides, producción de hormonas sexuales Producción de hormonas sexuales, producción de óvulos _-__o~tozoides

Glándula

Metabolisino; crecimiento y desarrollo Niveles p!asmálioos de caldo (efecto mfnimo en seres inunar.os)

Glándula

Regula las concentraciones de calcio y fosfato en el plasma ll<sirrollo de fuúocilos

· Glándula Células

Aumenta la excreción de sodio

céiW..

FaCtores de aed-

l:.:f'.~-~Ja~tión y absorción de nutrientes

Células

'.- · _, gluc:agón. somatostatina (SS), ,'~.-1_,_-poli~dopancreático

Glándula Glándula

K'

Glándula ·Células

Células Glándulas Glándulas

1; -~;~~~-1e· ~entes, metabolismo, reproducción

Células (P)

Glándula

(CGJ ~FIGURA 7-2

'

1

216

da desde el compartimento intracelular hada el extracelular o el medio externo. De acuerdo con la definición tradidonal, las hormonas se secretan hada la sangre, pero se ha acu_ñado el término ectohormona (ectos, afuera) para las moléculas. d~ señal secretadas hada el medio externo. Las feromonas (pherein, traer) son ectohonnonas especializadas que actúan sobre otros organismos de la misma espede para generar una respuesta fisiológica o de comportamiento. Por ejemplo, las anémonas secretan feromonas de alarma cuando algún peligro las amenaza y las hormigas liberan feromonas que sefialan el rastro para atraer a sus compañeras hada el alimento. Las feromonas también se utilizan para a~aer a miembros dcl sexo opuesto con el ·fin de aparearse. Las feromonas sexuales pueden encontrarse en todo el reino animal, desde la mosca de la fruta hasta el perro, pero ¿los seres humanos producimos feromonas? Este tenia aún está en discusión. Algunos estudios han mostrado que las glándulas sudoñparas de la axila de los seres humanos secretan esteroides volátiles reladonados con las hormonas sexuales, que podrían actuar como feromonas. En un estudio, cuando se le pidió a un grupo de mujeres ~tudiantes que calificaran los olores de una serie de prendas usadas por estudiantes varones, cada una prefirió el olor de los hombres genéticamente más diferentes de ella. En otro estudio, las secreciones de la axila de las mu·jeres colocadas sobre el labio superior de .o~as jóvenes alterarpn sus ciclo~ menstruales. En el capítulo 10 se estudiará cómo los humanos podemos sentir las feromonas. ·

1

Clasificación de !as hormonas

Capítulo 7 lntroducdón al sistema endocrino

Las hormonas son ·transportadas hacia un objetivo lejano Según la defmidón tradicional de hormona, ésta debe ser transportada por la sangre hasta su célula diana, que está distante. Experimentalmente, esta propiedad es a veces dificil de demostrar. Las moléculas que podrían ser hormonas pero no están totalmente aceptadas como tales se denominan hormonas-candidatas. Generalmente ~e las identifica ccin la palabra factnr. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, las hormonas reguladoras hipotalámicas se conoáan como "factores de liberación" y "factores de inhibición~ más que com9 hormonas de liberación o de inhibición. Actualmente, los factores de credmiento, un gran grupo de sustancias que influyen en el crecimiento y la división celular, es-

tropoyetina, que controla la producción de glóbulos rojos) se clasificaron como hormonas .antes de que e} término citodna fuese . acuñado, y ello contribuye a la superposición entre los dos grupos de moléculas de señ~l.

tán bajo estudio para determinar si cumplen los criterios para sa considerados hormonas. Aunque se ha mostrado que muchos factores de crecimiento actúan localmente como aurocrinos o paracrinos ( ii3 p. 176), faltan evidencias de su distribución mediante la circulación. Una situación similar se produce con las moléculas de señal derivadas de lípidos que se conocen como eicosanoides (;;;p. 29). Para complicar aún más la clasificación de las moléculas de sefial está el hecho de que una molécula puede actuar como hormona cuando es secretada desde una ubicación, pero como sefial paracrina o endocrina cuando es secretada en otra diferente. Por ejemplo, en la década de 1920 los científicos descubrieron que la coledstodnina (CCK) de los extractos de intestino produáa la contracción de la vesícula biliar. Dtuante muchos años se pensó que la CCK solamente era una hormona intestinal. Luego, a mediados de la década de 1970, se desc,ubrió CCK en las neuronas del cerebro, donde actúa como neurotransmisor o neuromodulador. En los últimos años, la CCK ha cobrado fama por su posible papel en el control del apetito.

Las hormonas actúan mediante/~ unión a receptores Todas las hormonas se unen a receptores de la célula diana e inidan respuestas bioquímicas. Estas respuestas se conocen como el mecanismo de acción celular de la hormona. Como puede verse en la figura 7-2, una hormona puede actuar en varios teji· dos. Para complicar el tema, el efecto puede ser diferente en
Las hol'monas ejercen su atción en roncentraclones muy bajas Una caracteñstica de las hormonas es su capacidad de actuat.en concentradones nanomolares (10"9 M) hasta picomolares (10"12 M). Algunas señales químicas tr~ortadas por la sangre hada blancos distantes no se consideran hormonas porque deben estar presentes en concentraciones relativamente altas antes 'de que se evidencie su efecto. Por ejemplo, la histamina liberada durante las reacciones alérgicas puede actuar en células de todo el cuerpo, pero su concentradón excede los valores aceptados para una ho_rmona. A medida que los investigadores descubren nuevas moléculas de sefial y nuevo.s receptores, los límites entre hormonas y sefiales no hormonales continúan en discusión, al igual que la distinción entre sistemas endocrino y nervioso. Muchas citocinas (m p. 176) aparentemente cumplen la definición que hemos dado de hqrmona. Sin embargo, los expertos en su estudio no las. consideran hormonas porque las dtocinas peptídicas se sintetizan y hberan según su demanda, a diferencia de las hormonas ¡)ep{idicas . clásicas, que se fabrican por adelantado y se almacenan enlacélula endocrina que los produce. Unas pocas dtodnas (p. ej., la eri·

S 1ó N

Nombre los procesos de transPQrte de membrana por los cuales la glucosa se mueve desde el liquido extracelular hada las células. Respuesta en la p. 2.112

La respuesta variable de una célula a una hormona depende . prindpalmente de los receptores que tenga y de las vías de tJans.. ducctón de sefiales ( 111!l' p. 180). Si no hay receptores para la hor· mona en un tejido, sus células no pueden responder. Si los te~dos tienen diferentes receptores y diferentes vías para la ~ma hormona, responderán de distintas formas.

La acción de las hormonas debe interrumpirse

'

La actividad de las hormonas así como las de otras moléculas de señal debe ser de duración limitada para que el orgaitis. · roo pueda responder a los cambios de su medio interno..Por ejemplo, la insulina se secreta cuando la glucemia aumenta des-" pués de una comida. Mientras la insulina esté presente, la glucosa abandona la sangre y entra en las células. Sin embargo, si su actividad continúa durante mucho tiempo, la glucemia podría descender tanto que el sistema nervioso central ~ería inca· paz de funcionar adecuadamente, una situación potencialmente mortal. Normalmente, el organismo evita esta situación de varias maneras: limitando la secreción de insulina, retirando o inactivando a la hormona en circulación y terminando su actividad en las células diana. En general, las hormonas en la Circulación son degradadtis o transformadas en metabolitos inactivos, por enzimas que· se encuentran principalmente en el hígado y los riñones. ·Los metabolitos luego se excretan con la bilis o la orina. La tasa de degradación de una hormona está indicada por su semivida en la circulación, el tiempo necesario Para reducir sti concentración a la mitad. La semivida es un indicador del tiempo que la hormona p~anece activa en el organismo.

217 -

Las hormonas unidas a receptores de membrana terminan su actividad de varias maneras. Enzimas que están siempre presentes en el plasma ·pueden degradar a las hormonas peptídicas unidas a receptores. En algunos casos, el complejo receptor-hormon~ es ingresado en la célula mediante endocitosis, y la hormona es luego digerida en los lisosomas (i1lJ! Fig. 5--24). Las enzimas intracelulares metabolizan a las hormonas que entran en la célula. REVISIÓN 2. ¿Cuál es el sufijo de los nombres químicos que indica

·{que una molécula es una enzima? (Sugerencia: (~ p.

.;;_~;

d-; · 99). Use ese sufijo para nombrar una enzima que di· giere péptidos.

Respuesta en la p. 242

CLASIFICACIÓN DE LAS HORMONAS Las hormonas pueden clasificarse de acuerdo con diferentes criterios. El esquema utilizado en la figura 7-2las agrupa de acuerdo con su origen. Un esquema diferente divide a las hormonas en aquellas cuya liberación está controlada por el cerebro y aquellas cuya liberación no lo está. Otro esquema las agrupa se'gún su unión a receptores asociados a la proteína G, a receptores unidos a tirodncinasas, o a receptores intracelulares, etc. Por último, un esquema las clasifica en tres clases químicas principales: .hormonas peptídicas o proteicas, hormonas esteroideas y hormonas amínicas (cuadro 7-1 W). Las hormonas peptídicas están formadas por aminoácidos unidos. Las esteroideas derivan del colesterol (m p. 30). Las amínicas derivan de uno de dos aminoácidos: triptófano o tirosina.

,,,R~YtslóN

;,;,;;A,'-H. ¿CuáLes la definición clásica de hormona?

~:,§_§{.'-' 4.

Basándose en sus conocimientos sobre !os org"ánu!os que participan en la slntesis de protelnas y esteroldes {i! p. 66), ¿tuá!es serían las principales diferencias en la composición de los orgánulos de una célula productora de esteroides y de una productora de protelnas? Respuestas en la p. 242

Las hormonas son mayoritariamente péptidos o . proteinas Las hormonas peptídicas y proteicas van desde pequeños péptidos de solamente tres aminoáddos hasta grandes proteínas y glucoproteínas. Apesar de la variabilidad de tamaños en este grupo, todas estas hormonas se llaman en general peptídicas para simplificar. Puede recordarse cuáles son las hormonas que están en esta categoría por exclusión: si una hormona no es un estéroide y no es una amina, entonces es probablemente un péptido.

Las hormonas peptídicas se sintetizan, se almacenan y se liberan La síntesis y el almacenamiento de las hormonas peptídicas en vesíi:u.las secretoras rodeadas de membranas son similares alas de otras proteínas. El péptido inicial que sale del ribosoma es una gran proteína inactiva que se llama preprohormona (Fig. 7-31§). Las preprohormonas contienen una o más copias de la hormona peptídica, una seruenda .señal que dirige a la proteína allumen

1

;na

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

HORMONAS PEPTfDICAS

C!asfficadón de !as hormonas

. - - - - AMINAS

HORMONAS ESTEROIOEAS

CA.TECOlAM!NAS

Sfntesisy almacenamiento

Exodtosis

Difusión simple

Transporte en la sangre.

Disueltas en plasma

Unidas a prote!nas transportadoras Disueltas en plasma

Semivlda

Corta

larga

Ubicadón del receptor

Membrana celular

Citoplasma o núdeo; algunas tie- Membrana celular nen también receptores de mem· .

1

ExodtOsis

'" '

Corta

Activación de sistemas de se-- Actlvadón de genes para la trans· gundo mensajero; pueden ac· oipdón y. traducción; pueden te· tivar genes ner ef~os no genómicos

Respuesta general Modificadón de protefnas Inducción de slntesis de nuevas del blanco existentes e inducción de sin· prote!nas tesis de nuevas protelnas Ejemplos

HORMONAS TIROIDEAS

Sintetizadas por adelantado; Sintetizadas según demanda a par· Sintetizadas por adelanta- Sintetizadas por adelantaalmacenadas en vesfculas se- tir de precursores do, almacenadas en vesícu-- do. el precursor se a!mace-- · aetoras las secretoras na en vesículas ~retoras

Liberación de fa ~lula pro4uctora

Respuesta a la unión del ligando al receptor

--¡

!nsullna, hormona paratiroidea Estrógenos, andrógenos, cortisol

del retículo endoplasmático rugoso, y otras secuencias que pueden tener actividad biológica o no. Amedida que una preprohormona inactiva se mueve a txavés del retículo endoplasmático y del complejo de Golgi, la secuencia señal es removida, quedando una molécula más pequeña, aún inactiva, llamada prohonnona (Fig. 7·3). En el aparato de Golgi, la prohormona es empaquetada en vesículas secretortas junto con enzimas proteolfticas (proteo, proteína; lisis, ruptura) que cortan la prohormona en hormonas activas y otros fragmentos. Este proce. so se llama modificación postraducdiJ1Ul1 ( ~ p. 120}. Las vesículas secretoras que contienen a los péptidos se almacenan en el citoplasma de la célula endocrina hasta que ésta recibe la señal para su secreción. En ese momento, las vesículas se mueven hada la membrana plasmática y liberan su contenido por exodto.. sis dependiente de caldo ( ~ p. 148). Todos los fragmentos de péptidos formados a partir de la prohorrnona se hOeran juntos allíqui· do extracelular, en un proceso conoctdo como coseaeción. Modificación postraducdonal de las prohormonas Los estudios del procesamíento de las prohormonas han llevado a algunos descubrimientos interesantes. Algunas prohormonas, como la de la homwna liberadora de tirotropina (TRH), contienen vartas copias de la hormona (Fig. 7-4a m). Otra prohonnona interesante es la proo-piomelanocortina (Fig. 7-4b). Esta prohonnona se corta en tres péptidos activos más un fragmento inactivo. En algunos casos, aun los fragmentos inactivos son útiles en la clínica. Por ejemplo,

Activadón de sistemas de segundo mensajero

Difusión simple-

@ Él ANA mensajero úne a @ las enzim~ del @ .La prohormona - .l_os am!noácldos formando RE cortan la pasa del RE a! una cadena peptíd!ca

llamada preprohonnona. la cadena se dirige a fa luz del RE gracias a una secuencia señal de aminoácidos.

secuencia señal

· apanrto de Golgl.

@ las;~~~!; ~;~ ~ue @ La vesfcu!a contienen enzimas y la prohormona se separan del aparato de Go!gi. Las enzimas cortan la prohonnona en uno o más pép!idos activos más otros fragmentos adi<:lonale$.

seUdo una prohormona

lnactiva.

secretora libera

su contenido

por exoc~osls

alespaclo

219

@ la hormona se

mueve hacia !a

circulación para

ser llansportadaa su objetivo.

extrace1u!ar.

-==------~~~~"'"~--~··-.~.--~------·~· Aparato da Gofgl

Retfco!o endoplasmállco (RE)

1

.n·r.... .r-..·ol. . ~··············

~·A

Unida> a ¡Írotelllas transportadora> ·

Larga Núdeo

Activación "de genes parci la transCripción ttradÚcdón ·

1

Modificación de protelnas ·. lndticdón de la slnfesis de existentes puevas protefnas

Adrenalina, noradrena!ina

Tiroxina (TJ

la proinsulina se corta en insulina activa y un fragmento inactivo llamado péptido C (Fig. 7-4<:). Los médicos mide111as concentra· dones de péptido e en la sangre de los cnatéticos para determi· nar cuánta insulina produce su páncreas. Transporte en la sangre y semivida de las hormonas peptfdicas Las hormonas peptíd.icas son solubles ~ agua y por ende, én ge. ileral, se di~elven fácilmente en elliqui~o extracelular para su transporte en el organismo. La semivida de las hormonas peptídi· cas es eit general muy corta, del orden ~e pocos minutos. Si la res· puesta a ella debe mantenerse durante un peñodo de tiempo ma· yor, la hormona debe secretarse continuaiJ?-ente. Mecanismo de acción celular de las homicinas peptfdicas Dado que las hormonas peptídicas son lipófobas, son en general inca· paces de entrar en las células diana. En lugar de ello, se unen a los receptores de membrana de su superficie. El. complejo horinona~ receptor inicia la respuesta celular mediante un sistema de trmzs.. ducd6n de señales (Fig. 7-5 1!). Muchas hormonas peptíd.icas actúan mediante el sistema de segundo mensajero del cAMP ( i@ p. 183). Algunos receptores para hormonas peptídicas, como los de la insulina, usan la tirosindnasa ( f€ p. 183) u otras vías de transducctón de señales. · La respuesta de las células a las honnonas pept!d.lcas es generalmente rápida porque los sistemas de segundos mensajeros modifican proteínas existentes. Los cambios iniciados por las hormo..

mFIGURA 7·3 Slntesis, empaquetamiento y liberadón de honnonas peptldicas nas peptídicas incluyen la abertura o cierre de canales de mem. brana Yla· moduladón de·'enzimas metabólicas o de proteínas de transporte. Los investigadores han descubierto recientemente que . algunas hormonas peptídicas también tienen efectos a ~arg9 plazo cuando los sistemas de segundos mensajeros activan genes y dirigen la síntesis de nuevas proteínas. ·

Las hormonas esteroideas derivan del colesterol Las hormonas esteroideas tienen una estructura química simi· lar poiqUe todas ellas derl'lan del colesterol (Flg. 7-611). Adiferen· da de las hormonas peptídicas, que se sintetizan en teJidos de todo el organismo, las hormonas esteroideas se sintetizan en unos pocos órganos. Tres tipos de hormonas esteroideas se Sintetizan en la corteza suprarrenal, la parte extema de las glándulas supra· rrenales. Cada glándula suprarrenal se ubica sobre un riñón. Las gónadas producen los esteroldes sexuales.(estrógenos1 progesterona y andrógenos). En las embarazadas, la placenta es también una fuente de hormonas esteroideas. ·

Slntesis y liberación de hormonas esteroideas Las células que secretan hormonas esteroideas tienen cantidades muy grandes de retículo endoplasmático liso, el orgánulo en el cual se sintetizan estas ~as. Los esteroldes son lipófilos y difunden fád.lmen·

te a través_ de las membranas, tanto para salir de la célula que los produce como para entrar en la célula diana. Esta propiedad t!UU· bién implica que las células secretoras de esteroides no pueden almacenarlos en vesículas secretoras. En lugar de ello, sintetizan la honnona a medida que se la necesita. Cuando un estímulo activa a la célula endocrina, los precursores que están en el citoplasma se convierten rápidamente en la hormona activa._ La concentración de hormona en el citoplasma aumenta, y la molécula sa· le de la célula por difusión simple.

Transporte en la sangre y semMda de las hormonas esteroideas Al igual que su precursor el colesterol, las hormonas esretoideas no son muy solubles en el plasma y en otros líquidos corporales. Por este motivo, lamayoña de las moléculas de honnonas esteroideas que se encuentran en la sangre están unidas a proteínas transportadoras. Algunas hormonas tienen transportadores específicos, como la gfolmlina de unión a los cmtiroesterotde. OtraS simplemente se unen a proteínas generales del plasma, como la albúmina. La unión de una hormona esteroidea a una proteína transpor· tadora protege a la honnona de la degradadón enzimática y au· menta su semivida. Por ejemplo, el cortisol, una hormona produ· dda por la corteza suprarrenal, tiene una semivida de 60 a 90 mi· nutos. (Compárese este valor con el de la adrenalina, una hormo..

220

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

Clasificación de las hormonas

(al_ La-preproTflH {ho_rmOÍla liberador.! de tirotropin~ ti_en~ ~--~iá~' ~e !a honnon~ de tres aminoácidos.

terona, se unen a receptores en las membranas celulares vinculados con vías de transducción de señales, al igual que las hormonas peptídicas. Estos receptores penniten que los esteroides iniden respuestas no genómicas rápidas además de sus efectos genómicos más lentos. Con el descubrimiento de los efectos no genómicos de las hormonas esteroideas, las diferendas fundona. les entre éstas y las hormonas peptídicas casi parecen haber desparecido.

se procesa a 111H

e''

IIP'%·"1L".II .. fi••.Gcll.AL.J

QJIDIIJIIJIIJID + ICJICJIQibllbllbl + lk. ''"J

PreproTRH (242 aminoácidos)

6111H (3 aminoácidos cada una)

REN'IS IÓN ~\\'_, Ji 5. ¿Cuáles son las ti-es clases de hormonas desde el punto :.W.Y de vista químico?

+.,,1

_{b) Líis PrUlíomíO~s'(cOpro lit prOOPfoinelanoc
-·--·

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6. La hormona esteroidea

aldosterona tiene una semivida corta para su tipo, de sOlamente unos 20 minutos. ¿Qué puede predecir sobre su grado de unión a las proteínas de fa sangre? Respuertas en !a p. 242

'"il lf,;;;;;;) + ¡¡,:;~,C""';,Ó,·J ·y-lipotropina ¡l endorfina · Fragmento

¡¡;;;;;;;;;;) !);

Proopiomelanocortina

1

·,

ACTH

Las hormonas amínicas derivan de dos aminoáddos

.-_ '~~> ~-tade~a_~-Ptri~ d_e :~ prohom;tma_ d~-13; iilsul_io; se_pli~a sobre sí miSma con 1a ayud~ oa pu_eii~:·a~!fun;-{0}:'_Ut'P~tui~~, : -,._~edívidaenlnsu.finaypé~tidoC.

221

· · ·

·

'

· - · ··

REFERENCIAS

TI<= tirosinclnasa

AE =enzima de amplificación

G=protefna G ~

B FIGURA 7-5 Receptores de membrana y transducdón de

señales para las hormonas peptfdicas Pi! FIGURA 7-4 Procesamiento de hormonas peptídicas Las hormonas peptídicas se sintetizan como larg~ preprohormonas inactivas,

que incluyen una secuencia señ
la hormona y fragmentos peptfdicos adicionales. na con estructura de amina cuya semivida se mide en segundos.) Pero si bien la unión de las hornwnas esteroideas a las proteínas transportadoras incrementa su semivida, a la vez bloquea su entrada en las células diana El complejo ester_oide-tran.sportador pennanece fueza de la célÚla porque_las proteínas son lipófobas y no pueden difundir a través de la membrana. Solamente la molécula de hormona libre puede difundir dentro de la célula diana (Fig. 7-71B). Amedida que !~hormona libre abandona el plasma, los transportadores obedecen la ley de acción de masas y liberan más hormona, de manera tal que la reladón entre hormona libre y unida permanece constante en el plasma (K,; (~p. 39). Afortunadamente, las hormonas son activas en concentra9o. nes muy bajas, y una cantidad muy.pequeña de esteroides es suficiente para producir una gran respuesta. A medida que la hormona libre abandona la sangre para entrar en las células, nuevos trasportador~ liberan los estetoides que llevan unidos, de manera que siempre hay algo de hormona libre en la sangre lista para entrar en la célula.

Las hormonas amínlcas son moléculas pequeñas formadas a partir de los aminoáddos triptófano o tirosina. la melatonina deriva del triptófano (véase La glándula pinea.1, Fig. 7-22); todas las demás hormonas amínlcas {catecolaminas y hormonas tiroideas} derivan de la tirosina, que se destaca por su estructura de anillo (Fig. 7-8 ID.I). Las catecolaminas tienen una molécula de tirosina; las hormonas tiroideas tienen dos tirosinas, más átomos de yodo. Apesar de tener el mismo precursor, los dos grupos de hor:tnonas deñvadas de la tirosina tienen poco en común. Las catecolaminas (adrenalina, noradrenalina y dopamina) son neurohormonas que se unen a receptores de las membranas celulares del mis. mo modo que las hormonas peptídicas. Las hormonas tiroideas,

-~~%1'~-~:--~:.;):·~·:";:-r::_-cónípoostomadredS

Mecanismo de acción celular de las hormonas esteroideas Los receptores para hormonas esteroideas más estudiados se encuentran dentro de las células, ya sea en el citoplasma o en el núcleo. El destino final de los complejos formados por las hormonas esteroideas y sus receptores es el núcleo, donde actúan como facto-res de transcripdón, uniéndose al DNA. y aCtivando o reprimiendo (inactivando) uno o más genes (Fig. 7-7; ®).Los genes activados generan nuevo mRNA que dirige la síntesis de nuevas proteínas. Se dice que la hormona que altera la actividad genética tiene efecto genómiaJ en la célula diana. · Cuando las hormonas esteroideas activan genes pára dirigir la producdón de nuevas proteínas, existe en general una demora entre la unión de la hormona con el receptor y los primeros efectos biológícos medibles. Esta demora puede ser de hasta 90 minutos. En coruecuenda, las hOrmonas esteroideas no. median vías reflejas que requieran respuestas rápidas. En los últimos anos, los investigadores han descubierto que varias hormonas esteroideas, entre ellas los estrógenos y la _aldos-

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fi-.'C-% /'%¡

todas!as~nas CH:J ~ "'c:-CH; esteroldeas. r "" 'i"' ' 1

mFIGURA 7-6 Las hormonas esteroideas derivan del colesterol

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222

Control de fa liberación de hormonas

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

.:~-tiroSr~~~'~-~~~cio~ádrede'-!as hormonas catec<JiamfolcitS

:'(.} la mayoría da los esteroldes hidrófobos están ·· unldos a protalnas transportadoras del plasma.

ytíro!deas.

Solamente la hormona libre puede difundir hacta

la célula diana. -?:,~

223

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PREGUNTA ¿En qué sa diferencia cada molécula de catec<Jlamina de la de lirosina?

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ID FIGURA 7·7 Acáón de las hormonas esteroideas

productdas por la _glándula tiroides ubicada en el cuello, se com. portan más como honnonas esteroideas, con receptores intracelulares que activan genes. Estas hormonas se estudiarán con más detalle en el capítulo 23.

se

Con una foima de'inarip~.- ~~ 91ándula:ti~Oid,és la tráquea justo por M · " las señales hormonales glándula en !os alimentos {en 9enera!, sal de mesa), y !o combina' con el aminoácido tirosina para tizar dos hormonas: tiroxina y trlyOdotir_onitla._·E$5 _hoánorias tiroideas cumplen muchaS funciones importai1tes·_~f! él or9á~isnio, entre ellas la Í'eguladón del ci'edmiei'lto '}e·l_ desirri:OIIo;_éli:OnSU:. mo de oxígeno y ei mantenimiento_ de latémpé~~turá corporal: .

Pregunta1;· ___ ·-· __ :'·,:_·_ ·.:--\':/·_:>,·-:-~.\\: . _:·:;:._-_---_ .-. a, ¿A cuál de .fas élaks de .hormonas per1enecen las pro-_.-.
tres

b. si la dieta de _un~_Pe~ona es _d~defiie ~n jt~b; pi'ediga· io que pasará con ta j,rodUcdó~_de tiróxi'!~· ·

CONTROL DE LA LIBERACIÓN DE HORMONAS Las vías reflejas que ayudan a mantener la homeostasis se presentaron en el capítulo 6. Las siguientes secdones aplican los modelos básicos de los reflejos a las vías de control de las honnonas. Esta presentadón no es completa, y en los próximos capítulos se verán algunas hormonas que no se ajustan exactamente a estos modelos.

Las hormonas pueden clasificarse según sus Vías ·reflejas Las vías reflejas ofrecen un método conveniente ¡}ara clasificar a las honnonas y simplifican el aprendizaje de los mecanismos que regulan su secreción. Todas las vías reflejas tienen componentes similares: el estímulo, la sefial de entrada, la integración de la señal, la señal de salida y la respuesta {&l Fíg. 6-25). En los reflejos-endocrinos y neuroendocrinos, la señal de salida es una hormona o una neurobonnona. En la vía refleja simple, la respuesta generalmente actúa como señal de retroalimentaciún negativa que interruínpe el reflejo ( §ll Fig. 6-27a). Por ejemplo, el incremento de la glucemia dispara la secreción de insulina en el páncreas (Fig. 7-911). Una vez. liberada por esta glándula, la insulina viaja por la sangre bada sus tejidos diana, donde aumenta la captación y el metabolismo de la glucosa. La consecuente disminudón de la glucemia actúa como señal de retroalimentadón negativa e interrumpe el reflejo, ter· minando la liberadón de insulina. Pero las hormonas no están limitadas a seguir solamente un modelo de vía refleja. Por ejemplo, la secredón de insulina tam-

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Trfyodotlrooina {T3)

mFIGURA 7~8 Honnonas amínlcas derivadas de fa tlrosina bién puede dispararse por la llegada de señales de sistema nervioLa célula endocrina es el sensor de los reflejos so central {Fig. 7-9) o por una hormona secretada en el tubo di- · endocrinos más simples gestivo ruando se ingieren alimentos {no ilustrado). Las células Las vías de control reflejas más simples en el sistema endocridel páncreas endocrino (centro integrador para este reflejo) deben no son aquellas en las cuales una célula endocrina detecta direc· entonces evaluar señales de tres fuentes distintas cuando "decitatñ.ente el estímulo y responde secretando la hormona { k11 Fig. den" si deben secretar insulina. 6-31, modelo 6). En este tipo de vía, la célula endocrina actúa a la vez como sensor (receptor) y como centro integrador: la hor. REVISIÓN mona paratiroidea {PTH) es un ejemplo de hormona que actúa ¿Qué paso del reflejo representa a la señal de entrada en la Figura fi-.23? ¿Ya la integración de la señal? ¿Y a mediante este reflejo simple. Otras hormonas que siguen un mola sefíal de salida? delo de reflejo simple son las clásicas insulina y glucagón, y algunas de las hormonas del sistema endocrino difuso. 8. En el ejemplo de la glucemia,.¿a qué paso de la vía refleja corresponde el aumento de la concentración de Las células páratiroideas están reunidas en cuatro glándulas glucosa? ¿A qué pasos correspond~n la secreción de pequeñas que se ubican detrás de la glándula tiroides. Controlan insulina y la disminución de la glucemia? la concentractón de caz.. del plasma con la ayuda de receptores 9. ¿Cuáles de las vlas reflejas de la Figura 6-:31 corresponpara este Ión asociados a la proteína G que se encuentran en su den a los tres mecanismos de liberación de insulina membrana plasmática. CUando un detenntnado número de redescritos? ' ceptores tienen unido eaz.., la secreción de PTH se inhibe. Si la Respuestas en la p. 242 concentractón de eaz.. del plasma cae por. debajo de un derto nivel y pocOs receptores llevan unido el ión, la inln"bidón cesa y la

Control de !a· liberación de hmmonas 224

225

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

Muchos reflejos endocrinos involucran al sistema nervioso

[Ca'•] e\ ooplasm'.'-

REFERENCIAS

_( ) Estímulo

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<@> ~ensor/centro

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¡ntegracklr ·'§§ Vfa eferente CJEfeclor

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El sistema nervioso y el sistema endocrino se superponen tan· to en estructura como en función. Los estímulos que se integran en el sistema nervioso central influyen en la liberadón de muchas hormonas a través de neuronas eferentes, como se describió en el caso de la insulina. Además, grupos de neuronas especializadas secretan neurohormonas, y dos estructuras endocrinas están Incorporadas en la anatomía del cerebro: la glándula pineal (descrita en el recuadro de p. 237) y la glándula hipófisis.. Uno de los vínculos más fascinantes entre el cerebro y el sistema endocrino es la influencia de las emoctónes en la secreción y la función de las hom10nas. Durante siglos, los médicos ~an registrado casos en los cuales un estado emodonal ha influido en la salud o en un proceso fisiológico nonnal. Hoy las mujeres saben que sus ciclos menstruales pueden alterarse por factores estresantes como un viaje o un examen finaL El cuadro conocido como "retraso en el desarrollo" en los itúantes a menudo puede vincularse con estrés ambiental o emocional, que incrementa la secreción de algunas hormonas hipofisarias y reduce la de otras. Las interacciones entre el estrés, el sistema endocrino y el sistema inmunitario están bajo minucioso estudio, y se hablará más sobre ellas en el capítulo 24.

Respuesta tisular

@¡) Respuest:i sistémica

Las neurohormonas son secretadas hada la sangre por neuronas Como se mencionó en el capítulo 6, las neurohorrnonas son señales químicas liberadas hada la sangre por neuronas ( &'1i! Fig. "6-31). El sistema nervioso del ser humano produce tres grupos principales de neurohormonas: 1) las catecolaminas, producidas por neuronas modificadas de la médula suprarrenal; 2) las neurohormonas hipotalámicas secretadas por la neurohipófisis y 3) las n~uroho~onas hipotalámicas que controlan la liberadón de hormonas de la adenohipófisis. Dado que los dos últimos grupos

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REFERENCIAS

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Estímulo

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REcVÚIÓN ''t~·,·.f'ú. ¿A qué clase qulmica de hormonas pertenecen las ca-

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tecolaminas?

Respuesta en la p. 242

La hipófisis es en realidad dos glándulas unidas La hipófisis es una estructura del tamaiío de un haba ubicada debajo del cerebro y que se conecta con él mediante un tallo delgado, dentro de una cavidad protectora de hueso {Fig. -7-11 liD). La pr.iri:tera descripción precisa de su función fue realizada por Richard Lower {1631~1691), un fisiólogo experimental de Oxford University. A partir de sus observadones y de algunos experimentos, formuló la hipótesis de que las sustandas producidas por el cerebro pasaban por el tallo hacia la glándula, y de allí a la san~ gre. Lower no comprendió que la hipófisis está formada en _realidad por dos tipos de tejidos diferentes que se unen durante el·áesan:o. . llo embrionario. La adenohipófisis o hipófisis anterior es una verdadera glándula endocrina de origen epitelial, derivada del tejido embriomuio que forma el paladar ( i!lFig. 3-28), Su nombre .· surge de adeno, glándula; hipo, debajo; phyeín, crecer; y sus hormQ... nas se denominan secredones adetwhipofisarias. La neurohipófi· sis o hipófisis posterior es una extensión del tejido nervioso del cerebro. Secreta neurohormonas produddas en el hipotálamo.

1

La neurohipófisis,almacena y libera dos neurohormonas La neurohipófisis es el lugar de almacenamiento y liberación de dos neurohonnonas: la oxitodna y la vasopresina. Estas pequefias hormonas peptídicas se sintetizan en el cuerpo de neuro.

¡¡¡¡FIGURA 7-10 Reflejo endocrino simple: hormona para tiroidea 8 lnfundlburo es el tallo que conecta la hipófísts con

e! cerebro.

célula secreta PTH (Fig. 7-10 ¡ro, La hOrmona paratiroidea viaja por la sangre hasta llegar a sus tejidos diana, inidando respuestas que aumentan la concentración de ea:z..en el-plasma. El aumento de la concentración del ión ejerce una retroallmep.táctón negativa que anula el reflejo, finalizando la liberadón de hormona paratiroidea.

¿Cómo temiina la vía que comJenzacon el estímulo de "!ngesta de alimentos"?

mFIGURA 7·9 Las hormonas pueden tener varios estímulos .

se asocian con la glándula hipófisis, se describirá primero esta importante estructura endocrina.

del tejido nervioso. f~··

ANTERIOR

POSTERrOR

Hueso esfenoides

'-'-----~ La adenohipóflsls es una verdadera

gléndu!a endocrina de origen epitelial.

1 S IÓN 10. Dibuje una vfa refleja para la hormona paratíroidea, según se describe en el párrafo anterior. Respuesta en la p. 242

a FIGURA 7~ 11 Anatomia de la glándula hipófisis la hip?fisis se ubica en una cavidad ósea que la protege y se une con el cerebro mediante un delgado tallo.

226

Control de !á llberadón de hormonas

Capítulo 7 Introducción a! sistema endooíno

REVISIÓN 12. ¿Qué estructura intracelular se usa para transportar las veslcu!as secretoras dentro de! citoplasma?

13. Nombre los procesos de membrana por los cuales el contenido de las vesfrulas secretoras se !ibera alllqui· do extrace!ular. Respuestas en la p. 242

;;,--·,. --" ,fflllasvesrculasquecontienen 1.~'-"7 la hormona se almacenan en la neuroh!pófis!s. NEUROH!PóFISIS

1

l!i1 FIGURA 7·12 Slntesis,

almacenamiento y liberadón de hormonas de la ileurohipófisis

nas del hipotálamo, una región del cerebro que controla muchas funciones homeostáticas (Hg. 7·12 00). Cada hormona se produce en un tipo celular diferente. Las neurohormonas del hipotálamo siguell el camino común para la síntesis, almacenamiento y liberación de péptidos que fueron descritos anteñormente. Pero las vesículas secretoras que las contienen son tninsportadas por una larga extensión de las neuronas hacia la neurohipófisis, donde se almacenan en las terminales celulares. Cuando llega un estímulo al hipotálamo, una señal eléctrica viaja del cuerpo de Ja neurona a su extremo que está en la neurohipófisis, y los con~enidos-de las vesículas se liberan a la cireulactón. · Cada una de las dos neurohormonas deJa 'ne.~hipófisis está formada por nueve aminoádd9s. La vasopresiria (también cono-cida como hormona antidiurética) regula el balance de ·agua del organismo. En las muíeres, la oxitocina-llberada en la neurohipófisis controla la salida de leche durante el amamantamientO y las contracciones del útero'durante el trabajo de parto. Algunas neuronas liberan oxitoclna como neurotransmisor o como neuzomodulador para otras neuronas en otras parteS del cerebro. Experimentos en animales y unos pocos en seres humanos indican que la oxitocina tiene Un _papel importante en las conductas sociales, sexuales y maternales. Algunos investigadores postulan que el autismo, un trastorno del desarrollo en el cual los pacientes son incapaces de establecer relaciones sociales normales, puede estar relacionado con defectos en las vías moduladas por la oxitodna en el cerebro.

La adenohipófisis secreta seis hormonas Hasta 1889, en las publicaciones sobre las funciones fislológi· cas se deóa que la hipófisis era prácticamente inútil en los vertebrados superiores. Pero a principios de la década de 1900 los investigadores habían descubierto que animales cuya adenohipófisis se había extil:pado quirúrgicamente eran incapaces de sobrevivir más de uno o dos días. Esta observación, junto con los sig~ nos clínicos asociados con los tumores de la hipófisis, hideron que los científicos comprendieran que la adenohipófisis es una glándula endocrina importante y que secr~ta no una sino seis hormona,s significativas: prolactina, tirotropina, adrenocorticotropina, hormona del crecimiento, hormona foliculoestiqllllante y hormona luteinizante. La secreción de todaS estas hormonas está controlada por neurohormonas del hipotálamo. En la figura 7"13 mse ilustran las hormonas de la adenohipóflsis, sus neurohormonas hipotalámicas asedadas y sus células diana. Nótese que tOdas las hormon.~ de la aO:enohipófisis, excepto una, tienen como diana otra glándula o célula endocrina. Una hormona que controla la secreción de otra se conoce como hormona trófica. El adjetivo trófico proviene de la palabra griega trophik6s, qUe significa "relacionado con el alimento o la nutrición" y se refieie a la manera en que la hormona trófica "nutre" a la <:élula diaria. las hormonas tróficas a menudo tienen otros nombres que terminan con el sufiío -tropina, como la gonadofMñna*. La raíz a la cual se une el sufijo es el tejido diana: las gonadotropinas son hormonas con acdón trófica sobre las gónadas. las neurohormonas hipótalámicas que controlan la liberación de las hormofias de la adenohipófisis son también hormonas tróficas, pero por motivos . históricos se las describe como homwnas liberadoras (p. ej., hormona liberadora de tirotropina) o como hormonas inhibidorias (p. ej., hormona ínhibidora de la hormona de crecimiento). Una comPlicación de la que debezp.os estar advertidos es que muchas de lils hormonas del hipotálamo o de la adenohipófisis tienen varfos nombres así como abreviat)IraS estandarizadas. Por ejemplo;"la hormona inhibidora de la hormona de crecimiento (GHIH, por su sigla en inglés) también se denomina scmtli:JJs.. tatina. Los nombres alternativos y las 'abreviaturas se enumeran en la figura 7·13.

Los bucles de retroalimentación son diferentes en el eje hipotálamo-hipofisario Las vías mediante las cuales las hormonas de' la adenohipófisis actúan como hormonas tróficas se encuentran entre los refle"Algunas pocas hormonas cuyos nombres teimlnan en -trQ¡ina no tienen dlulas endocrinas como objetivo. Por ejemplo, la me!anotroplna actúa sobre dlulas que

contienen pigmentos en muchos animales.

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liii FIGURA 7·13 Honnonas de la vía hipotálamo·adenoh;pófisis

El hipotálamo secreta hormonas liberadoras {·RH} e inhibidoras {-IH} que actúan sobre las células endocrinas de la adenohipóflSis para influir en su secreción. laS hormonas de la adeno_hipófisis actúán sobre otras glándulas endocrinas o directamente sobre células diana. ACTH =hormona adrenocorticotrópica (éorticotropina); CRH =hormona liberadora de corticotropina; FSH =hormona foliculoestimulante; GH =hormona de cretimiento; GHIH =hormona inhibidora.de la hormona de crecimiento {somatostatina}; GHRH = hormona liberadora de la hormona de credmiento: GnRH = hormona liberadora de·gonadotropinas; IGF =factores de credmiento similares a la insulina; LH = hormona Juteinizante; PIH =hormona inhibidora de la prolactina; PRH = hormona liberadora de la prolac-. tina; TRH =hormona liberadora dé la tirotropina; TSH =hormona tiroestimulante (tirotropina).

jos endocrinos miis complej9s, ya que involucran a tres centros de integración: el hipotálamo, la adenohipófisis y la diana endo-crina de la hormona liipofisada (Fig. 7-14 m). La retroallnientación en estas vías qnnplejas sigue un modelo que es Qiferente de los descritos anteriormente. En lugar de que la respuesta actúe como señal de retro<4Unentactón negativa, las hormonas en sí mismas actúan como señal. Cada hormona de la vía inhibe la secreción actWmdo sobre centros integradores anteriores. · Cuando la secredón de una hormona en una vía compleja aumenta; o disminuye, la secreción de las demás t
ca debido a los bucles de retroalimentadón que las vinculan. En vías con dos o tres hormonas en secuencia, la hormona ubicada "corriente-abajo" en general actúa suprimiendo la o las hormonas que controlan su secreción (una excepción importante a este fenómeno es la retroalimehtadón de las hormonas ováricas, como se verá en el capitulo 26). Por ejemplo, el cortisol secretado en la corteza supranenal suprime la seqectón de las hormonas tróficas liberadora de corticOtropina y adrenocorticoirópica (Fig. 7·15li). Esta -refactón se llama retroalimentación negativa de circuito largo. En la retroalimentadón negativa de circuito corto, las

Control de la liberadón de hormonas

228

229

Capítulo 7 Introducción a! sistema endocrino

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PREGUNTA

Dibuje el bucle corto de retroalimentación negatiVa para esta "!a

REFERENCIAS

-oEstimulo

mFIGURA 7-15 Vía de control de la secredón de cortisol El cortisol es una hormona esteroidea secretada por la corteza suprarrenal. ACTI:I =hormona adrenocorticotrópica o corticotropina; CRH =hormona liberadora de corticotropina.

~ Gentro Integrador @VIa_ eferente

mFIGURA 7-16 El sistema porta hipotálamo~hipofisario

E] Efector

:@~~puesta sistémica

El sistema porta hipotálamo-hipofisario dirige

vía hipotálamo-adenohipófisis En las vias endocrinas complejas, las hormonas actúan como señales de retroalimentación negativa,

honnonas hipofisadas disminuyen la seaeci.ón.de las hormonas -d.el hipotálamo. Este tipO de·retroali~entadón en la secredón del cortisol se muestra en la figura 7-15, donde la ACfH ejerce una retroalimentadón negativa de circuito corto sobre la secreción de CRH. Con este sistema, las concentradones de las hormonas not· malmente permanecen dentro de Jos valores necesarios pata una respuesta adecUada. Los patrones de retroalimentadón sqn ·im-_ portantes para el diagnóstico de las enfennedades endocrinas, que se describirán más adelante ~ este capítulo. · _,9}

¡,~llhslóN ·· 1t%~714. ¿Cuál de !as vfasde la figura 6-31 se ajusta al modelo '')'

descrito para !ils hormonas hipofisarias, en el cual hay

tres centros de- integración?

Respuestas en la p. 242

Las cantidades mínimas de hormona secretadas al sistema porta hipotálamo-hipofisario representaron un importante desafío para los investigadores que las aisliuon por primera vez. Como Las hormonas tróficas hipotalámicas que regulan la secreción de la adenohipófisis son transportadas directamente a esta última - se secretan cantidades tan bajas de hormonas liberadoras hipotalámicas, Roger Guillemin y Andrew Shalley tuvieron que trabajar a través de un grupo espedal de vasos conocido como sist~a con cantidades enormes de tejidos para obtener materi_al suficienporta hipotálamo-hipofisar.io (Fig. 7-16 0). Un sistema porta es te como para analizarlo. Guillemin y cols. procesaron más de 50 una región especializada del aparato circulatorio formada por dos toneladas de hipotálamo de oveja, y un importante matadero do. grupos de capilares directamente conectados por un conjunto de nó más de un millón de hipotálamos de cerdo a Shalley y su gruvasos. Existen tres sistemas porta en el organismo: uno -en los ri· po. Para el análisis final, necesitaron 25 000 hipotálamos para aisñones, uno en el sistema digesüvo y éste, en el cerebro. lar e identificar la secu~cia de aminoácidos de solamente 1 mg Las hormonas secretadas a un sistema porta tienen importande hormona liberadora de tirotropina, un pequeño·péptido fortes ventajas en .comparadón con las secretadas a la drculadón gemado por tres aminoáddos (véase Fig. 7-4-a). Por sus descubrineral, porque con este sistema puede secretarse una cantidad mumientos, ambos investigadores comp~eron el premio Nobel en cho menot de la sustanda para obtener una respuesta dada, Una 1977. dosis de hormona secretada a la circuladón general será rápidamente diluida por~ volumen total de la sangre, que .es en general de más de 5 litros. la misma dosis secretada en el pequeñísiLas hormonas de la adenohipófisis controlan mo volumen. del sistema porta permanece concentrada mientras el crecimiento,_ el. metabolismo y la reproducción es transportada directamente a su objetivo. Así.- un pequeño núLas hormonas de la adenohipó¡:isis controlan tantas fundones mero de células neurosecretoras en el hipotálamo puede controvitales que esta glándula se llama a veces la "glándula maestra" lar efi;azmente a la adenohipófisis. del ctietpo. En general podemos decir que las hormonas de la ade-

la liberadón de hormonas tróficas

il FIGURA 7-14 Bucles de retroalimentadón negativa en la

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230

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrinO

mFIGURA 7·17 Vía endocrina compleja La hormona de crecimiento actúa directa·

mente sobre muchos tejidos del cuerpo pero también influyen en la producción hepática de los factores de crecimiento similares a la insulina (lGF o somatomedinas), otro grupo de hormonas q)Je regulan e! crecimiento.

lntaacciones entre hormonas mada somatotropina) afecta el metabolismo de muchos tejidos además de estimular la pwducdón de hormonas en el higado (Fig. 7·17 §i). La prolactina y la hormona de cr-ecimiento son las .dos únicas producidas en la adenohipófisis cuya secreción está controlada tanto por hormonas liberadoras como por hormonas inhibidoras, como puede observarse en la figura 7-13. Analizaremos estas hormonas con más detalle en los capítulos 26 y 23, respectivamente. REVISIÓN

· hs. ¿Cuál o cuáles de las vías de la figura 6-31 se ajusta a: (a) el modelo de hormona trófica hipotalámica-profactina·mama recién descrito? (b) la vla de la hormona de crecimiento mostrada en la figura 7-17? Respuestas en la p. 242

1

Las restantes cuatro hormonas de la adenohipófisis tienen como dianas principales otras glándulas endocrinas. La hormona foliculoestimulante {FSH) y la hormona luteinizante {LH), conocidas en conjunto como gonadotropinas, se llamaron asi en un principio por sus efectOs sobre los ovarios, pero ambas tienen efectos tróficos también en los testículos. La hormona tiroestimulante (TSH, o tirotropiml) controla la síntesis y secreción en la glándula tiroides. La hormona adrenocorticotrópica (Acm, o cartiaJ:. tropina) actúa sobre ciertas células de la corteza suprarrenal para controlar la síntesis y liberación de la hormona esteroidea cort1Sol. Las hormonas de la adenohipófisis y de la neurohipófisis serán analizadas con mayor detalle en otros capítulos.

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S FIGURA 7~18Sinergia

Este gráfico muestra el efecto de la infusión de hormonas en la glucemia. El efecto de las hormonas combinadas es mayor que la suma de los efectos de cada una por separado, lo que indica que existe una refadón de sinergia. {Datos adaptados de Eigler y cols.. J. Cfin. lnvest. 63:114, 1979.)

celulares que subyacen en los efectos sinérgicos no siempre seconocen, pero con las hormonas peptídicas la sinergia se relaciona a menudo con la superposición de efectos sobre Jos sistemas de segundos mensajeros. La sinergia no se limita a las hormonas. Puede producirse con cualquier combinación de dos (o más) sustancias químicas del or~ ganismo. Los farmacólogos han desarrollado medicamentos con componentes sinérgicos. Por ejemplo, la eficacia del antibiótico penicilina se incrementa con la presencia de ácido davulánico en el mismo compromiso.

Una hormona permisiva permite que otra ejerza su efecto En la permisividad, una hormona no puede ejercer sus efectos completamente a menos que una segunda honnona se encuentre presente. Por ejemplo, la maduración del aparato reproductor está controlada por la ho.rmona liberndora de gonadotropinas del hipotálamo, las gonadotropinas de la adenohipófisis y honnonas esteroideas de las gónadas. Sin embargo, si la honnona tiroidea no está presente en cantidades suficientes, la maduración del aparato reproductor se retrasa. Como la hormona tiroidea por sí misma no puede estimular la maduración de este sistema, se considera que tiene un efecto permisivo sobre el desanollo sexual. Los resultados de la interacción pueden resumirse de la siguiente manera:

hormona tiroidea sola REVISIÓN )16. ¿Cuál es la diana de una hormona hípotalámica secre-

tada al sistema porta hipotá!amo-hipofisario? 17. Observe la vía de la figura 7·9 para la Hberadón de insulina luego de una comida. ¿Qué acontecimiento sir·

ve como sefial de retroalímentacióñ negativa para detener la liberación de insulina? Respuestas en la p. 242

INTERACCIONES ENTRE HORMONAS

nohipófisis controlan el metabolismo, el crecimiento y la reproducción, todos ellos procesos muy complejos. Una hormona de la adenohipófisis, la prolactina (PRL}, controla la producción de leche en la mama de la mujer. fui ambos sexos, la prolactina parece tener un papel en la regulación del sistema inmunitario. La hormona de crecimiento (GH, también lla-

250

Uno de los aspectos más complicados y confusos de la endocri· nología es la forma en que las hormonaS interactúan en sus células diana. Sería simple si cada reflejo endocrino fuese una entidad sepa~ rada y si cada célula estuviese bajo la influeú.cta de una sola hormona. En muchos casos, sin embargo, las células y los tejidos están conttolados por varias hormonas que puederi estar presen~ al mismo tiempo. Para complicar el panorama¡ está el hecho de que muchas hormonas que a~ sobre la misma célula interactúan de maneras que no pueden predecirse a partir de sus ~ectos individuales. En esta sección, veremos tres tipos de interacciones entre hormonas: si· nergia1 permisividad y antagonismo.

En la sinergia, e/efedo de/as hormonas que

interactúan es más que aditivo Aveces diferentes hormonas tienen el mismo efecto en el or~ ganismo, aunque pueden lograrlo mediante diferentes mecanis-

·mos celulares. Un ejemplo es el control hormonal de la glucemia. El glucagón del páncreas es la prindpal honnona responsable del aumento de la glucemia, pero no es la única que tiene este efec. to. El cortisol eleva la glucemia, al igual que la adrenalina. ¿Qué ocurre si dos de estas hormonas están presentes enlacélula diana al mismo tiempo, o si las tres hormonas se secretan .a la vez? Podría esperarse que sus efectos fuesen aditivos. En otras palabras, si una cantidad dada de adrenalina eleva la glucemia 5 mg/100 roL de sangre, y el glucagón la aumenta 10 mg/lOO·mL, se esperaría que ambas hormonas actuando a la vez incrementaran la glucemia en 15 mg/100 roL (5 + 10). Con frea.¡encia, sin embargo, dos o más hormonas interactúan en sus dianas de manera tal que su combinación produce un resuitado que es más que aditivo. Este tipo de intenicclón sellama sinergia. Para nuestro ejemplo de la adrenalina y el glucagón, una·reacción sinérgica seda: adrenalina glucagón adrenalina · +glucagón

eleva la glucemia eleva la glucemia elevan la glucemia

5 mg/!OOmL !Omg/IOOmL ZZmgi!OOmL

Es decir, el efecto combinado de las dos honnonas es maYor que la suma de los efectos de ambas por separado. La Sinergia se conoce a veces como potenciad6n¡ por ejemplo: "la adrenalina potencia el efecto del glucagón sobre la glucemia". En la figura 7-1811!1 se muestra un ejemplo de sinergia que in~ volu~ a la adrenalina, el glucagón y el cortisol. ~ meCanismos

Z31

hormonas reproductivas rolas hormonas reproductivas con cantidad adecuada de hormona tiroidea

no hay desarrollo del aparato reprod:uctor retraso en el desarrollo del aparato reproductor desarrollo normal del aparato reproductor

1

f' 232

~

capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

<'

ENFERMEDADES ENDOCRINAS (Hipotálamo)

Cortisol \ \ exógeno /

{Corteza suprarrenal)

m FIGURA 7~19 Retroalimentadón negativa por acción de cortisol exógeno la hormona administrada por motivos médicos ejercerá el mis· mo efecto de retroalimentación negativa que la hormona endógena.

1

Los mecanismos moleculares responsables de la pemrlsividad no se conocen completamente en la mayoría de los casos.

Las hOrmonas antagonistas tienen efectos opuestos En algunas situaciones, dos mol&ulas trabajan una contra la otra, una disminuyendo los ~s de la otra~- Esta tendenda de una sustancia de oponerse a la acción de otra se llama antagonismo. Recuérdese del capítulo 6 que el antagonismo puede ap~ cuando dos mol&ulas compiten por el mismO receptor ( ifiil p. 44). Cuando una molécula se une al receptor pero ~o lo a~, actúa como inhibidor competitivo o antagonista con respecto a la otra molécula. Este tipo de antagonismo a nivel de los receptores se ha utilizado para el desan:ollo de compuestos farmacéuticos, como el antagonista de los receptores estrogénicos tamoxi(eno. En endocrinología, dos hormonas se consideran antagonistas funcionales si tienen acciones fisiológicas opuestas. Por ejemplo, el glucagón y la hormona de crecimiento, que-aumentan la glucemia, son antagonistas de la insulina, que la reduce. Las horma-. nas con acciones antagónicas no necesariamente compiten por el mismO receptOr. En lugar de ello, pueden actuar a través de dífe. rentes vías meta.bólicas, o \Ula hOrmona puede disminuir el número de receptores pai:a la"hormona opuesta. Por ej_emplo, las evidencias indican que la hormona de crecimiento disminuye el número de receptores de insulina, generando así parte de su antagonismo funcional sobre la glUcemia. Las interacciones sinérgicas, permisivas y antagónicas de las hormonas hacen que el estudio de la endocrinología sea a la vez desafiante y fascinante. Con esta breve resefta de las interacciones entre hormonas, ya tiene usted una base sólida para aprender más sobre el tema en los próximos capítulos. ·

Como dijo un endocñnólogo, "no existen hormonas buenas o malas. El equilibrio entre las hormonas es imPortante para lasalud... El desequilibrio conduce a la enfermedad"*. Podemos aprender mucho sobre el funcionamiento normal de las hormonas estudiando las enfermedades causadas por sus desequilibriOs. Existen tres modelos básicos de enfermedades endocrinas: por exceso de hormona, por deficienda de la hormona, o por alteraciones en las respuestas de los tejidos diana. Para ilustrar las enfermedades endocrinas, utilizaremos un único ejemplo: el de la producción de cortisol en la corteza suprarrenal (véase la Fig. 7-15). Se trata de una vía refleja compleja, que comienza con la secreción de la hormona liberadora de corticotropina (CRH) del hipotálamo. La CRH estimula la liberación de adrenocorticotropina (ACTH) de la adenohipófisis. La ACfH a su vez controla la síntesis y secreción de cortisol en la corteza suprarrenaL Al ígual que en todas las demás vías homeostáticas reflejas, la retroalimentadón negativa anula la vía. A medida que aumenta el cortisol, actúa como señal de retioalimentadón negativa, haciendo que la hipófisis y el hipotálamo disminuyan su Ji. beradón de ACTH y CRH, respectivamente.

La hipersecredón exagera el efecto de una hormona Si una hormona está presente en cantidades excesivas, suS efectos normales se ven exagerados. En la mayoría de loS casos este exceso se debe a la bipersecreción. Existen numerosos casos de esta alteración, induidos los tumores benígnos (adenomas) y cancerosos de las glándulas endocrinas. Existen algunos casos de tumores no endocrinos secretores de hormonas. Cualquier sustancia proveníente del exterior del organismo se denomina exógena (exo-, afuera¡ -gen, originar), y a veces un paciente puede presentar signos de hipersecredón como resultado del tratamiento médico con una hormona exógena o un agonista. En este caso, se dice que la enfermedad es iatrogéníca, o causada por el médico (iatros, sanador; -gen, originar). Parece bastante simple corregir el desajuste hormonal interrumpiendo el tratamiento con la hormona exóge~a, pero no siempre es ése el caso. En nuestro ejemplo, el cortisol exógeno en el organismo actúa como señal de retroalimentadón negativa, al igual que octmiría con el cortisol producido en el cuerpo, impidiendo la producción de CRH y AcrH (Fig. 7-19 f!). Sin la influencia "nutriente" de la hormona ttófica AcrH, la producción de cortisol del organismo se detien~. Si la hipófisis continúa reprimida y la corteza suprarre· nal está privada de AcrH duxante bastante tiempo, las células de ambas glándulas pierden tamaño, así como su capacidad de pro-. ducii AcrH y cortisol. La pérdida de masa celular se conoce como atrofia (a-, sin; trophikás, nutrición). Si las células de una glándula endocrina se atrofian debido a la administración de hormonas exógenas, pueden tardar mucho o ser incapaces de recuperar su funcionamiento normal cuando el tratamiento se interrumpe. Ya es un hecho conocido que las hormonas esteroideas {o corticoides) se pueden usar para tratar las

*W. Kt'lnig. preta.cto de Pept.idl and Prordfl Homwnes (New York: VCH Publ!.;hers,

1993).

Enfermedades endocrinas

alergias graves. Sin embargo, cuando se completa el tratamiento, la dosificación debe disminuirse gradualment~ para permitir que las glándulas hipófisis y suprarrenal recuperen la producdón nonnal de honnonas. Así, los envases de estos medicamentos indican a los pacientes, al terminar la terapia, que tomen seis píldoras oo día, dnco al día siguiente, y así sucesivamente. Las cremas con corticoides de bajas dosis, de venta hbre, en general-no represmtan un riesgo en cuanto a este tema si se las usa de la manera correcta

La hiposecredón disminuye o elimina el efecto de una hormona Los síntomas de defidenda hormonal aparecen cuando se secreta poca cantidad de la hormona (hiposecreción). La hiposecreción puede aparecer en cualquier pWlto de la vía de control endocñno: en el hipotálamo, la hipófisis u otra glándula. La causa más frecuen· te de los síndromes de hiposecredón es la atrofia de la glándula de. bido a algún proceso patológico. Por ejemplo, la hiposeaedón de la hormona tiroidea puede OCUiñr si el yodo de la dieta es insuficiente para que la glándula produzca la hormona con normalidad La hiposecredón afecta las vías de retroalimentación negativa, pero en la dirección opuesta a la de la hipersecredón. la ausencia de retroalimentadón negativa hace que las concentraciones de hormonas tróficas aumenten, en un intento por hacer que la glándula afectada incremente su producción. Por ejemplo, si la corteza suprarrenal se atrofia a causa de una tuberculosis, la producción de cortisol disminuye. El hipotálamo y la adenohipófisis detectan que las concentradones de cortisol son inferiores a lo normal, e incrementan su secreción de CRH y ACl11, respectivamente, con el objeto de _estimular la glándula.suprarrenal para que produz.ca más cortisoL

..oR.IfVISióN·

(_:~y{.{ii 18. Dibuje una vla refleja similar a !a de la figura 7-19 pa· 0 ra ilustrar lo que OOJrTe con las concentraciones de hormonas y la retroalimentación cuando la corteza suprarrenal se atrofia y la sooedón de cortisol es infe. rior a la normal. Re~puesta

·

en la p. 242

Los problemas de los receptores o .de los segundos mensajeros generan respuestas anormales en los

233

cir su número) con el objeto de ..disminuir la respuesta a la hormona. La hiperinsulinem.ia (hyper-, elevada; insulina; -emia, en la sangre) es Un ejemplo clásico de regulación por disminución en el sistema endocrino. En esta enfermedad, las concentradones de insulina elevadas y mantenidas en el tiempo hacen que las células quiten receptares de su membrana plasmática. Los pacientes que padecen hiperinsulinemia pueden mostrar signos de diabetes a pesar de que sus concentraciones de insulina en la sangre son superiores a lo normal. Alteraciones en fos receptores y la transducdón de señales Muchas formas de enfermedades endocrinas hereditarias pueden ex. plicarse por problemas con la acción de las hormonas en la célula diana. Los endocrinólogos en el pasado creían que estos problemas eran raros, pero se los está reconociendo cada vez más a medida que los científicos investigan los receptores y los· mecanismos de transducción de señales. Algunas enfermedades se deben a problemas con el receptor de la honnona. Si la secuencia proteica de un receptor está alterada por una mutadón, la respuesta celular de. su unión en la hormona puede verse alterada. En otras mutaciones el receptor puede estar ausente o ser totalmente no fui1cional. Por ejemplo, en el síndrome de feminización testicular, los receptores androgénicos son no fundonales en el feto masculino debido a una mutación genética. Como resultado, los andrógenos producidos por el feto no pueden actuar sobre el desarrollo de los genitales. Así, nace un bebé que aparenta ser niña, pero que carece de útero y ovarios. las alteraciones genéticas en las vías de transducción de señales pueden generar síntomas de exceso de hormona o de deficiencia. En la enfermedad denominada pseudohipoparatiroidisrrw (pseuda-, falso; hypo-, díminuido; paratiroide;-ismo, condidón o estado), los padentes tienen signos de deficiencia de hormona paratiroidea, aunque las concentradones de ésta en la sangre son normales o elevadas. Estos pacientes han heredado un defecto en la proteína G que vincula al receptor con la enzima amplificadora de cAMP, ad~­ nilil cidasa. Como la vía de transducción de la señal no fundona, las células son incapaces de responder a la hormona paratiroidea, y aparecen signos de defidenda de la hormona.

El diagnóstico de las enfermedades endocrinas

tejidos

depende de la complejidad del reflejo

Las enfermedades endocrinas no siempre son el resultado de al· teraciones en las glándulas. Pueden también ser disparadas por cambios en la capacidad de respuesta de los tejidos diana a las hormonas. En estas situaciones, los tejidos diana muestran respuestas anormales aun cuando las concentradones de honnonas presentan valores normales. Los cambios en la respUesta del tejido diana están causados generalmente por interacciones-_anómalas entre la hormona y su receptor o por alteradones en Ias\rías de transducción de seftales. Estos conceptos fueron explicados para las molécu-. las de seftal en general en el capítulo 6 (~p. 190), por lo que acotaremos este análisis a algunos ejemplos típicos de cápaddad de respuesta anómala de los tejidos en el sistema endocrino.

El diagnóstico de las enfermedades endocrinas puede ser simple o complicado, según la complejidad del reflejo. En el reflejo más simple, como el de la hormona paratiroidea, si hay mucha hormona o muy poca, existe solamente un lugar donde puede estar la alteración: las glándulas paratiroideas (véase la Fig. 7-10). Sin embargo, con los reflejos complejos que involucran al hipotálamo, la hipófisis y la glándula endocrina, el diagnóstico puede ser mucho más difíciL Si una alteración (deficiencia o exceso) surge en la última glándula endocrina de un circuito, se considera que el problema es una enfermedad primaria. Por ejemplo, si un tumor en la corteza suprarrenal comienza a producir cantidades excesivas de cortisol, la alteradón resultante se llama hipersecredón primaria. Si la disfunción ocurre en uno de los tejidos que producen hormonas tróficas, el problema es una enfermedad secundaria. Por ejemplo, si la hipófisis está dañada por un trauma en la cabeza y dis-

Regulación por disminución Si la secreción de hormona es anormalmente alta durante un período de tiempo prolongado, las células diana pueden regular par disminudán a sus rec~ptores (redu-

1

234

Evolución de las hormonas

capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

235 -

-·---··-.~·· . .. l 1 {b) Hiposecreeión PQt atrofia de ~ la corteza suprarrenal .• ¡1 1

;---~~-·-~-~.

{a) -_Hip¡!fseCteC!ón:sec_undar!a- debida -, · · . _a una,a_lteraciQn _tlipot'aiámlca ·.

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{b) .H!persecfectón seCundarla_ debida .· (c)_J~lpe_#clónp_ri_~ria·de~!da_a _,_ -·-··· un~_altetacl6~ de fa ad~ohipófisl~ ,-. :- una .~ración de_l_a.corteza:~oprarr¡¡_nal

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(a) _Hiposeereción por un daño en la hipófisis

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• Niveles tia CRH altos

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• Nivelas de ACTH altos

o Nivelas da ACTH altos

• Niveles de ACTH bajos

o NiVeles da cortlsol altos

• Niveles de,cortiso! altos

" Niveles de cortiso! altos

mFIGURA 7·20 Hipersecredón primaria y secundaria de cortisol Cuando hay uila enfermedad en una glándula endocrina, la retroaliinentadón negativa falla.

minuye la secrectón de ACfH, la defictenda de cortisol que resol· ta se considera-una hiposecreáén_secundarla de Cortisol.

El diagnóstico de enfermedadeS en las vías endocrinas complejas depende de que se comprenda la retroalimentación negativa en esa vía. La figura 7-20 llil muestra tres causas posibles de exceso en la secreqón de cortisol. Para determinar cuál es la etiologfa (causa) correcta de la enfermedad en un padente en particular, el médico debe evaluar las concentraciones de las tres hormo. nas de la vía de control. Sl el problema es la sobreproducdón de CRH en el hipot&Iamo (Fig. 7*20a),)a concentración de esta hormona será superior a la normal. Esto-genera un incremento en la secredón de ACfH, que a su vez aumenta el cortisol. Ésta es en* tonces una hipersecrectón secundaria que surge de un problema en el hipotálamo. En la clínka, este tipo de enferniedad es muy poco común.

La figura 7-20b muestra una hipersecredón secundaria de cortisol debida a un tumor secretor de ACTH en la hipófisis. Una vez más, las concentraciones altas de ACTH"hacen que aumente la producción de cortisol, pero en este ejemplo el cortisol ejetee una retroalimentación negativa sobre el hipotálamo, disminuyendo la producción de CRH. La combinación de con!=entradones bajas • de CRH y altas de ACTH delimita el problema a la hipófisis. Esta alteración es la causa de alrededor de dos terdos de los síndromes de hipersecredón de cortisol (syn*, juntos; drome, ca~; col!lbinadón de síntomas característica de una enfermedad en especial).

Si las concentraciones de cortisol son elevadas pero las de am- · bas hormonas tróficas son bajas, el problema debe ser una enfer* medad primaria (Fig. 7·20c). Hay dos explicadones poSibles: la hipersecredón de cortisol end6getl4 (endo-, dentro; -gen, o~)

6:{É~B,:~@

Hipotálamo

Adenohipó~ @K9'fB:i&

(~¡¡ (~\ :,_9-~!:l~;~,j~. ,_,. \__- d~~.~c11~a''-- "1·

Corteza suprarrenal

f}gg~~

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la enfermedad de Graves es una forma 'de hiperactividcid de· ra glándula tiroides. los padente_s con este c:uadro tienen, por ende, niveles elevados de tiroxina en la sangre. Sus concentraciones de TSH son muy bajas.

Pregunta 4:

Si las concentradones de TsH son bajas y las de 'tiroxina son altas, ¿la enfennedad de Graves es una alteradón prjmaria o seCundaria (una que suiye_de un problema en la adenohipófi· sls o en i!J hipOtálamO)? Explique su respuesta.

.~ ij¡¡ '''if' }~"'~'·

sis, A medida que los dentíficos secuencian el genoma de varias especies, descubren que en muchos casos la estructura y la fun* ción de las hormonas han cambiado muy poco desde los vertebrados primitivos hasta los mamíferos. De hecho, se ha demostrado que vías de las señales hormonales que se consideraban excluPIIEGUi!TA sivas de los vertebrados, como los de las hormonas tiroideas y la Para cada alterac1ón, utilice flechas que indiquen insulina, tienen un papel en la fisiología o en el desarrollo de los si las concentraciones de las tres hormonas de la invertebrados, tales como los equinodermos o los insectos. Esta vfa aumentan, disminuyen o permanecen sin conservad6n evolutiva de la función de las hormonas también que· cambios. Dlbuje los bucles da retroalimentación negativa o indique dónde ésta falla da demostrada por el hecho de que algunas hormonas de otros organismos tienen actividad biológica OJ.ando se las administra a mFIGURA 7-21 Modelos de secredón hormonal en el hipo~ seres h¡unanos. Estudiando qué partes de la molécula de hormocortisoHsmo na no cambian de una espede a otra, los científicos han obtenido importantes indidos que los ayudaron en el desarrollo de fár* macos agonistas y antagonistas. o la administración de cortisol exógeno por motivos terapéuticos La capacidad de las hormonas no hUmanas de ejercer un ef~c­ (véase la Fig. 7*19). En cualquier caso, las ooncentradones ele~­ to en las personas fue un factor crítico en el nacimiento de la en* das de cortisol actúan como señ.al de retroalimentación negativa que bloquea la producción de CRH y ACfH. El modelo de corti· . docrinología. Cuando Best y Banting descubrieron la insulina en 1921 y se trataron los primeros padentes diabéticos con la horsol elevado con homionas trófkas bajas apunta a un problema mona, la insulina se extraía de páncreas de cerdo, vaca u oveja. primario. Hasta hace poco tiempo, los mataderos eran la principal fuente Cuando el problema es un tumor suprarrenal que secreta corde insulina para la profesión médica. Ahora, con la ingeniería getisol de manera exagerada, las vías de control normal son por nética, el gen humano de la insulina se ha insertado eri bacterias, completo ineficaces. Aunque la retroalimentación negativa bloque sintetizat¡. así la hormona, brindándonos una fuente abunquea la producción de hormonas tróficas, el tumor no es dependante de insulina humana. diente de ellas, por lo que la secreción de cortisol continúa. El Aunque muchas hormonas tienen la misma fondón en la matumor debe ser extirpado o inhibido para que la secreción de cor* yoría de los vertebrados, unas pocas de ellas que tienen un papel tisol pueda controlarse, importante en la fisiología de los vertebrados ÍIÚeriores parecen La figura 7-211i!1 muestra dos etiologías posibles para la hiper· haber perdido importancia en los seres humanos. La calcttonina secreción de cortisol. Puede aplicar sus conocimientos sobre la rees un buen ejemplo de este tipo de hormonas. Aunque tiene un troalimentadón negativa en la vía d~ control hipotálamo-hipofipapel importante en el metabolismo del caldo en los peces, apasaria para predecir si las concentraciones de CRH, ACIH y cortirentemente no tiene una influencia significativa en el balance de sol serán altas o bajas en cada caso. calcio del ser humano adulto. Ni su defidenda ni su exceso se asocian con sintoma o cuadro patológico alguno. Aunque lá caldtonina no es una hormona importante en los EVOLUCIÓN DE LAS HORMONAS seres humanos, existe un gen que codifica una proteína biológiEl uso de señales qtúmicas es un método evolutivamente an* camente activa. Las células del cerebro transforman al mRNA del tiguo para la comunicación y el mantenimiento de la homeosta· gen de la calcitonina para sint~tizar un péptido que se cqnoce co"--<~

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1 -

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236

Capitulo 7 Introducción al sistema endocrino

mo péptido relacionado am el gen de la caldtonina (CGRP, por sus inidales en inglés), que aparentemente actúa como neurotransmisor. El CGRP puede actuar como un potente ,vasodilatador, y un estudio reciente mostró que un antagonista de los receptores de CGRP era eficaz para tratar las migrañas, que están causadas por la vasodilatadón de arterias del cerebro. La capactdad de un gen de producir varios péptidos es una de las razones por las cuales la investigación está cambiando de la genómica a la fisiología y a la proteómica {el estudio del papel de las proteínas en las fun. dones biológicas) (~p. 122). Algunas estructuras endocrinas que son importantes en los vertebrados inferiores aparecen como vestigios (vestigiwn, traza) en los seres humanos, lo que implica que están presentes como glándulas mínimamente funcionales. Por ejemplo, la honnona es. timukmte. de los inelanodtos (MSH) prOveniente del lóbulo intermedio de la hipófisis controla la pigmentadón en reptiles y anfi. bios, pero los seres humanos adUltos tienen solamente un vestigio del lóbulo intermedio, y normalmente no presentan concentraciones cuantificables de MSH en la sangre. En el campo de la investigación, la endocrinología comparativa (el estudio de la endocrinología en organismos no humanos) ha hecho importantes contribudones a nuestra búsqueda de conocimiento sobre el a.terpo humano. Muchos de nuestros modelos en fisiología humana están basados en investig¡¡ciones llevadas a cabo en peces, ranas o ratas, entre otros. Por ejemplo, la hOrmona melatonina de la glándula pineal (Fig. 7-22 m) fue descubierta a partir de investigaciones en renacuajos. Muchos vertebrados pequeftos no humanos tienen ciclos de vida cortos que facilitan el estudio del envejecimiento o la fisiología de la reproducción. Los ratones alterados genéticamente (ratones transgénicos o con inactivación génica) han brindado a los investigadores informadón muy valiosa sobre la proteómica. Los opositores de la investigación en animales sostienen que no se debetia experimentar eri ellos, y que se deberían utilizar solamente cultivos celulares y modelos de computación. Aunque los cultivos y los modelos son herramientas valiosas y pueden ser útiles en Jos pasos iniciales de la investigación médica, en algún momento los fármacos y procedimientos nuevos deben probarse en organismos antes de pasar a los ensayos clínicos en seres hu·

Evolución de !as hormonas

I.A GLÁNDULA PINEAL

237

la glándula pinea[ es una estructura

del tamaño de una arveja ubicada profundamente dentro del cerebro de los seres humanos. Hace unos 2 000 años, se creía que este ~asiento del

afma~ actuaba como válvula que

regulaba el flujo de ros·espfrirus vitales yel conocimiento hacia a! cerebro. Hacia 1950, sin embargo, !os científicos habfan deddklo que se trataba de un vestigio de estructura sin función conocida.

1

La melatonina es una hormona amfnlca derivada del aminoácido triptófano.

manos. Los científicos responsables siguen las recomendaciones para el uso adecuado de los animales y limitan el número de ellos que deben morir a un mínimo necesario para obtener datos útiles. En este capítulo hemos visto cómo el sistema endocrino con sus. hormonas ayuda a regular los procesos más lentos del orgarus.. mo. En el próximo, aprenderemos cómo el sistema nervioso puede llevar a cabo las respuestas más rápidas necesarias para mantener la homeostasis.

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1~ J Mediodía

La me!atonina es !a "hormona de fa oscuridad", secretada de noche mienbas donni!TlO$. Es el meflSajero químico que transmite información sobrn los ciclos de !uz y oscuridad hacia el centro del cerebro que gobierna el reloj biológico del organiSmo. (Adaptado de J. Aroodt, Clfn. Endocrino!. 29: 205-229, 1988.}

mFIGURA 7~22 La glándula pineal y la mefatonina

Alrededor de 1957 ocurrió una de esas maravillosas
1

238

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

Resumen del capítulo

6 - En la eóferriledad lle GraVeS; ¿¡jO( ·

ENFERMEDAD DE GRAVES En este apartado hemos aprendido que, en la enfermedad de Graves, !as concentraciones de hormona tiroidea en la sangre son elevadas porque una proteína del sistema inmunitario imita a la TSH. También aprendimos que la glándula tiroides capta yodo pa'· rala sintesis de hormonas tiroideas, y que e! yodo radiactivo puede concentrarse en la glándula y destruir sus células.

PREGUNTA

'"

más frecUente ae hiPE!rtiroi· dismo. Entre las personas famosas que han ¡)adeddo'esta illtera~ cíón se encue_iltrai1 i!l presidente de los Estildos -~nidos Geoige w. Bush y la primera. dam-a Barbara Bush. Para a_Prender más sObre' esta enfermedad y otras- reladón8das ton la·tiroides,'visitiel Sitio_ en-liltei'!iet de la.Thyioid Foundation of Ameñca; Www.tth.()fg. Controle sus i'espuestas·a laS _pregUntas Pl.iurteadas
.

..

HECHOS

·-"~·~··=~-.----~---~--~ --=~~~--~·~

1a ¿A cuál de las tres clases de hormo-

~:~~:'"'""

prod"dd" por''

Las tres clases de hormonas son pepnaos, este-

roldes y aminas.

mona tiroidea aumentan en la sangre, en un individuo sano, ¿la retroalimentación negativa aumentará o reducirá la se<:reción de TSH?

Las hormonas tiroid~-~-~$iritcliia~~:a_ '¡)a~r del aminoácidO tif.osina; p_~r l_o t~~~~ ~~ am~.

La .retroalimentación negativa anula los bucles

La ·retroalimentación negatiVa normaf·disffii· nuirá la seaedón de TSH;

de respuesta.

=~~-.

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--

--~

RESUMEN DEL CAPÍTULO Este capítulo presentó al sistema endoaino y su papel en la ccmunkad6n y el control de los procesos fisiológicos. Como hemos visto antes, el hedt.o de que el cuerpo está dMdMo en ccmparlimentos intracelular y extracelular slgnillca que se requieren mecanismos especiales para permitir que las sef!ales pasen de uno de ellos al otro. El capítulo también mostró los modelos básicos que aparecerán nuevamente a medida que se estudien diversos sistemas orgánicos: las diferenCia entre las tres clases quúnlcas_ de horma. nas, sus vías refleJas, los tipos de interncclones entre ellas y las enferme-

dades endocrinas. Si la concentración de hormona tiroidea es al· ta,· se esJXir.irfa uná fuerte rirti'oailineniadón · negativa y concentraciones aún menores de

peractiva que produce hormona ti· roidea en exceso, ¿esperarla que la concentración de TSH fuese mayor o menor que en un individuo Sano?

TSH. la glándula tiroides concentra yodo para sintetizar sus hormonas.

4 Si las concentraciones de rsH son _ba- En los trastornos de hiperseaedón secundaria jas y las de tiroxina son altas, ¿la en- Se espera que las concentraciones de homionas tróficas del hipotálamo o el de la adenohi· fermedad de Graves es una 'alteración primaria ósecundaria {una que pófisis, o de ambos, se encuentren elevadas. surge de un problema en la aderohipófJSis o en el hipotálamo)? Explique su respuesta. 5 Los anticuerpos son protefnas que se Los receptores Puederi estar ubicados en-la membrana_ o Oentro de la célula; las protelilas unen al receptor de la TSH. A partir no pueden crUzar ¡i;¡S membranas. de esta información, ¿qué pUede

concluir sobre la ubicación celular del receptor de la TSH7

·~

""'-

Zb En una persona con una glándula hi·

¿Por qué se utiliza yodo_radiactivo (en lugar de otro elemento, como por ejemplo cobalto) para destruir-e! tejido de la tiroides?

En la enfermedad de Graves, fas concentraciones elevadas de hormona tiroidea han inhibido la producción de TSH. Sin embargo, la f¡lándula tiroides aún produce hormonas en respuesta a la unión de anticuerpos al re<eptor de la TSH. En esta situación, la retroalimentación neg.ativa ha fracasado.

INTEGRAdÓN YANÁÜSIS·.

_Si el yodo nb es ap_otf
1b Si la dieta de una persona es defi~ dente en yodo, prediga lo que pasa· bina con el aminoácido tirosina para sintetizar rá con la producción de tiroxina. - las hormonas-tiroideas.

~Ía C~ando las;::;;:¡;;;¡;;:=

En la ·retroa!irrientación negativa norma!; Jos ríivetes e!Mdos de honnond tiroidea inhiben la secreción de TSH. Sin estimulo de la TSH, 'la tiroid'es deja de producir hormonas.

-_.:_:{·-:?-----.

la glándula tiroides concentra yodo y lo com-

==--~--"~·----~-·-·

1

qué'nci_se bloquea mediante retroalimeriiadón negativa la produCción de hormona tirOidea antés de que se ha· g'a excesiva?

239

El yodo radi~ 'Se. ci,n_centrará -~~ 1~; {Jiá'ndula tiroidea y por lo timtÓ destnJiiá_ se!~ mente ese ti;jido. Otros el~mentos. radiactivos distribuirían más ampnameírte efcuerpo . y pó~ríán 9afiil_r Ífjidos ·normales. ·

se

·por

En _la enfermedad áe Gia,ves, l_a ~~-ce-ntración de TSH d~ la adenohip_Ótisis es baja;_por lo tanto, !a hiperseciecióii'de hormonas _tifoideas m~_es:el_ resu!tado,deW 'acción._ Esto _si_grjtj_ea que la _atfermedad de Gra~E!S és-urt t~_mo. piiTnanO, caUSadO pÓr Un _problema·~ ta glá~_ dUla tiroides en Sf 'rriisma;

mey

El receptor de TSH es un receptor de_ mernbra,;._ na. utiliza la vía de Segundos mensajeroS del fAMf, pa_ra la ~~-~¡:ción_de 1~ _s~~ar•.; .

Hormonas

Resumen del sistema endocrino 1. La especifiddad de una hormona depende de sus receptores y de las vías de transducdón de señales asociadas. (p. 216)

2. Una hormona es una sustanda química secretada por una cM~ o grupo de células hada la sangre, que la transporta a un objetivo alejado, lugar en el que ejerce su acción en muy bajas concentradones. (p. 211) 3. Las feromonas son seiiales químicas secretadas al medio extenio. (p. 216)

4. Las honnonas se unen a receptores e lnldan las respuestas conOCidas como mecanismo de acdón celular. (p. 217) S. La actividad de las hormonas se interrumpe al terminar la secreción, al ser exrafdas de la sangn! o al finalizar su acdón en la célula diana. (p. 217) 6. La tasa de degradactón de una hormona está indicada por su semivi· da. (p. 217)

Clasificación de las hormonas

Sistema endocrino: bioquímica, secreción y transporte de las hormonas; Sus _acciones en las células diana 7. Existen tres tipos de hormonas: hormonas peptídicas o proteicas, formadas por tres amínoáddos o más; hormonas esteroideas, derivadas del colesterol, y hormonas amínicas, derivadas de la tiroslna (melatonina) o del trlptófano (catecolaminas y hormonas tirOideas). (p. 217)

8. Las hormonas peptídicas se sintetizan como pxeprohormonas inactivas y se procesan a prohormonas. Las prohormonas son escindidas

para obtener la hormona activa y fragmentos peptídlcos que se secretan en forma conjunta. (p. 218; Fig. 7-3 y 7-4) 9. Las hormonas peptídlcas se disuelven en el plasma y tlenen semlvida corta. Se unen a receptores de la superfide de sus células diana e inician respuestas celulares rápidas a través de la transducdón de señales. En algunos casos, las hormonas peptídlcas también inldan la síntesis de proteínas nuevas. (p. 218; Flg. 7-5) 10. Las hOrmonas esteroideas se sintetizan según su necesidad. Son hidrofóblcas, y la mayoria de ellas se une a proteínas transportadoras en la sangre. Los esteroldes t;lenen semivida prolongada. (p. 220) 11. Los receptores clásicos pata esteroldes están dentro de la célula diana, donde activan o inaetlvan genes y dirigen la síntesis de nuevas pro. teínas. La respuesta celular es más lenta que para las hormonas peptídicas. Las horm.onas esteroideas pueden unirse a receptores de mem· brana y tener efectos no genómicos. (p. 221; Flg. 7-7) 12. Las hormonas amínlcas pueden comportarse como las hormonas Pl'P" tídlcaS típicas o como una combinación de éstas con las hormonas esteroldeas. (p. 222; Flg. 7-8)

Control de la liberadón de hormonas Sistema endocrino: el eje hipotálamo-hipofisario 13. las células endocrinas clásicas actúan a la vez como sensores y como cmtros de integración en las vías reflejas simples. (p. 223; Flg. 7-10) 14. Muchos reflejos endocrinos Involucran al sistema nervioso, mediante neurobormonas o mediante neuronas que influyen en la liberactón de las hormonas. (p. 225) 15. La glándula hipófisis está formada por la adenolúpófisls (una verda-

dern glándula endocrina) y la neurohipófisis (una extensión del terebro). (p. 225; Fig.7-11) 16. La neurohlpóflsls libera dos hormonas, oxitocina y vasopresina, que se sintetizan en el hipotálamo. (p. 226; Flg. 7-12) 17. Las hormonas tróficas controlan la secrectón de otras hormonas. (p. 226)

18. Las hormonas de la adenohipófisis están controladas por hormonas de liberación y.hormonas inhlbldoras del hipotálamo. (p. 2Z6; Flg. 7· 13)

19. En los reflejos endocrinos complejos, las hormonas de la vía actúan como señales de retroalimentadón negativa. (p. 227; Fig. 7-14) 20. las hormonas tróficas del hipotálamo llegan a la hipófisis a través del sistema porta hipotálamo-hipofisarlo. (p. 229; Fi.g. 7·16) 21. Existen seis hormonas de la adenohlpóflsis: pro lactina, hormona de

1

240

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino Preguntas

crednl1ento, hormona foliculoestimulante, hormona luteinizante, hormona tiroestimulante y hormona adrenocortlcotrópica. (p. 226; Flg. 7.13)

lnteracdones entre hormonas 22. Si la (Ombinación de d9S Omás hormonas genera uiJ. resultado mayor al aditivo, la interacción es una sinergia. {p. 231; Fig. 7.18) 23. Si la hormona no puede ejercer sus efectos por completo a menos que

esté ptesente una segunda hormona, se dice que ésta úlful:la es per. misiva frente a la primern. (p. 231) 24. SI una hormona se opone a la acción de otra, ambas son antagonis. tas entre si. (p. 232)

Enfermedades endocrinas 25. Las enfermedades por exceso de hormona st!'"deben en general a hi· persecrect6n. Los sintnmas de deficiencia aparee~ cuando se secre-

ta poca cantidad de hormona (hlposecredón). Una respuesta anor· mal del tejido pueó! aparecer por problemas en los receptores de la hormona o en las vías de transducctón de señaleS. (p. 232) 26. Las enfermedades primarias swgen en la última glándula de una viá reflej~. Una enfermedad secundaria es un. problema con uno de los tejidos productores de hormonas uóficas. (p. 234¡ Fig. 7·20)

Evolución de las hormonas 27. Muchas hormonas del ser humano son similares a las que se encuentran en otros animales vertebrados. (p. 235)

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

;IVEL 1: REVISióN DE HECHOS Y TÉRMINOS El estudio de las hormonas se llama----

Enumere las tres formas básicas de acción de las hormonas en sus re. lulas diana. Enumere cinco glándulas endocrinas, y nombre una hormona secretada por cada una de ellas. Dl.ga un. efecto de" cada hormona menda. nada.Relacione los siguientes investigadores con sus experimentos: a) Lower 1. aiSló hormonas tróficas del hipotálamo b) Berthold de cerdos y ovejas e) Guillemin.Shalley z. dijo haber experimentado un rejuvened) Brown-séquaro cimiento sexual luego de inyectarse ex. e) Banting y Best ttactos testiculares 3. aiSló la inSUlina 4. describió con prectslón la función de la hipó"'" S. "ertudló el desarrollo de la cresta en ga.. nos c:astrados Ordene los siguientes pasos de la identificación de una glándula en· docrina! a) Purificar los extractos y separar las sustancias activas. b) Aplicar una teiapia de reemplazo con la glándula o sus extractos y ver si la anomalfa desa~. () Implantar la glándula o administrar el extracto a un animal sano para ver si aparecen los síntomas caracterlsticos del exceso de hormona. d) Someter al sujeto a un estado de defidencia hormonal quitando la glándula en estudio, y controlar la apartq(m de anomalfas. Para que una sustan.da química se considere una homiona, debe ser secretada a la para ser transporta~~~""'.'_"'_::---y debe tener efecto en concentraciones ¿Qué significa el término semivida en relación con la actividad de las moléculas de honnona? Los metabolitos son molééulas de hormona inactivas, degradadas por enzimas que se enCuentran prlndpalmente en y en - - - - , , y secretadas en yen - - - - ,

1 '·

5.

6. 7. 8.

respectivamente.

Las sustanctas candidatas a ser hormonas a menudo presentan la pa· labia (omo parte d~ su nombre. 10. Enumere y defina las ttes clases químicas de honnonas. Nombre una hormona de cada clase. 11. Diga si cada una de las siguientes características corresponden a una hormona peptidica, esteroidea, anúnica, a todas ellas.o a ninguna. a) son lipófobas y n&esitan de un sistema de transducct6n de seña-

9.

l~

b) tienen una semlVlda corta, que se mide en minutos e) a menudo tienen un tiempo de retraso de 90 minutos antes de que sus efectos se evidencien d) sori hidrosolubles y, por ende, se disuelven fácilmente en el líqui· do extracelular para su transporte e) la mayoría de las hormonas pertenece a esta clase f) son todas derivadas del colesterol g) consisten en tres o más am.lnoáddos unidos h) son liberadas a la sangre para viajar a un órgano diana alejado i) son transportadas por la sangre unidas a moléculas proteicas . transportadoras j) son todas lipóffias, por lo que difunden fádlrnente a través de las membranas 12. ¿Por qué las hormonas esteroideas en general tardan .mucho más en actuar que las peptidicas? 13. Cuando las hormonas esteroideas actúan sobre el núcleo celular, el complejo hormona·receptor actúa (omo factor de , se une al DNA y activa uno o más , los cuales generan mRNA que dirige la sin tesis de nuevas 14. Los investigadores han descubierto que ciertas células tienen r~eptow para hormonas esterOideas adicionales 1m su , lo que les permite una respuesta más rápida. 15. Los aminoácidos que originan a las hormonas arnínlcas son - - - - , para la melatonina, y . , a partir del cual se sintetizan las catecolaminas y las hormonas tirOideas. , 16. Una hormona que controla la ~ón de otra se conoée· como 17. En las vías de control reflejas que involucran hormonas tróflcas y

varios centros integradores, las miSmas hOrmonas actúan como señales de , inhibiendo la secrectón de hormonas tr&fioo;.

18. ¿Qué características definen a las neurohofi!10nas? 19. Nombre las dos hormonas secretadas poÍ la_neurohipófists. ¿A qué clase química pertenecen? · 20. ¿Qué es el sistema porta hipotálamo-hipofisario? ¿Por qué es impar· tante? 21. Nombre las seiS h~rmonas de la adenohipóflsis; diga una acción de ¡;ada una de ellas. ¿Cuáles son hormonas tr6ficas? 22. ¿En qué se diferencian los bucles cortos y largos de retroalimentación negativa? Dé un ejemplo de cada uno de ellos en el siStema endocri· no." 23. Cuando dos hormonas actúan juntas para generar un efecto que es mayor al aditivo, la interacción se llama . Cuando dos hormonas deben estar p~tes a la vez para lograr la expresión cow· pleta de un efecto, la interacción se llama. Cuando las actividades de las hormonas se oponen entre sí, el efecto se llama

MIVEL 2: REVISIÓN DE. CONCEPTOS

buje una copia de la vía refleja anterior y demuestre cómo !a tes-tosterona podría reduCir la producCión de espermatozoides sin el efecto adverso de la impotencia.

gruPos

24. Confeccione mapas con los siguientes de términos. Agrogue otros, Si lo desea. Lista 1 Lista 2 COSfereC.ión ACTH retículo endop!asmátioo adenohipófisis exodtosis sangre aparato de Golg! dlula endocrina reaptor hormonal gonadotropinas hormona peptídica hormona de mdmiento preprohormona hipotálamo prohormona hormona inhibidota vesícula secretora neurohormona secuencia de seiiales neurona síntesis oxitodna respuesta de la célula diana pépt!do/proteina glándula endocrina periférica "-'porta neurohipófisls p¡:olactina hormona hberadora hormona trófica 1SH vasopresina 25. Compare los términos de cada uno de los siguientes grupos: a) paracrina, hormona, dtoctna b) enfermedades endocrinas primarias y secundadas e) hipersecreción e hlposecreción d) adenohipófisls y neurohipófi.sis 26. Compare las tres clases qtlÍm.l.cas de hormonas.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 27. En otros capítulos de este libro hemos encontrado los términos espe. ci¡id¡Jnd, receptcres y regulación pcr disminud6n. ¿Cambian sus signifi. cados Oiando nos referimos al sistema endocrtno? ¿Qué caracteñsticasquimfcasy físicas tienen en común las hormonas, las enzimas, las proteínas de transporte y los receptores, que hacen que la especifid· dad sea tan importante? 28.la dexametasona es un medicamento que se utlllza para fnhlbir la secreción de hormona adrenocortlcotróp!ca (ACIH) de la adenohipófi. sts. Dos pacientes con hipelsecrectón de cort!So! son tratados coil d.exametasona Los niveles de secreción de cortisol del paciente A se reduren hasta alcanzar va!Dres normales, pero el cortisol del paciente B se mantiene elevado. Dibuje mapas de las VÍas reflejas de estos d!?s pa· · dentes (úsese la figura 7-15 como modelo) y a partir de ellos determine qué padente tiene hi~eción primaria de COrt!sol. Explique :ru . razonamiento. 29. Algunos de los primeros experimentos para obtener una püdoraa.ntl· conceptiva masculina se basaron en fánnacos que inhibían la secreción de gonadotroplnas (LH y FSH). Sin "embrago, los hombres que If< dbían este trataÍlliento dejaron de tomarlo porque reducía la secreCión de testosterona, lo cual les disminuía el deseo sexual y les causa. ba Impotencia. a) Utilice la informadón de la figura. 7·13 para diagramar la vía refleja de GnRH·FSHILH·testosterona. A parttr de este diagrama demuestre cómo la supresión de las gonadotropinas disminuye la producCión de espermatozoides y la secredón de testosterona. b) Los investigadores propusieron luego que la admlnJ.stractón de can· tidades elevadas de testosterona seria. un tratamiento mejor; Di·

241

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 30. El siguiente gráfico representa la desapariCión de un fármaco de la san· gre a medida que es metabolizado y excretado. Apartir de este gráfico, ¿cuál es la semivida del fármaco?

1100-¡~-· ·-~-·· -·

.g tt·-~ ~80

60 --

-- -

-------'-)

~

¡~ 8

20-J-· ---~--¡¡¡_L_,.;

12

15

18

i1

24

-1lempo (horas)-+

31 El siglliente gráfico muestra las concentraCiones de TSH en el plasma

de tres grupos de :rojetos. El primer modelo corresponde a indiVIduos sanos. ¿Qué patrdn podría corresponder a las siguientes enfermeda· des? Justifique :ru respuesta. a) hipotiroidismo primario b) hipertiroidismo primario e) hipertiroidlsmo secundario . 32. A parttr de lo que ha aprendido sobre las vías de secreeiÓ!l de la insu· tina, dibuje un gráfico con sus leyendas, mostrando el efecto de la glu· cemia en la secreción de esta hormona.

¡ • ~

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••

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No"""

Grupo A

eta~o

Grupo B

1

242

Capítulo 7 Introducción al sistema endocrino

Respuestas a las preguntas de revisión Página 217 l. La glucosa entra en las células por difusión facilitada

(transportadores

GLUT). Página 217

2. E! sufijo -asa indica una enzima. Una pepti!fusa digiere péptidos. Página 217 3. Una hormona es una sustancia química que se secreta en la sangre y

actúa sobre un objetivo alejado a muy bajas concentraciones. 4. Una célula productora de esteroides debe tener un retículo endoplas.

mático liso muy extenso; una célula productora de protelnas tendrá un mayor retículo endop!asmático rugoso.'' Página 221 5. Las tres clases químicas de hormonas son péptidos, esteroides y ami-

6.

""· La sernivida corta Indica que la aldosterona no se une a proteínas plasmáticas en la misma medidas que las hormonas esteroideas.

Página 223 7. La señal de entrada es el estímulo, el'receptor y la vía aferente. La in·

tegractón de !a señal tiene lugar en el centro integradot La señal de

1

salida es la vía eferente. 8. E! aumento de la glucemia es el estímulo. La secredón de insulina es

la vía eferente; la disminución de la glucemia es la respuesta. 9. La liberaCión de insulina por aCCión de la glucemia es el reflejo 6. La liberación de insulina disparada por una señal nerviosa después de in· gerlr alimentos es el reflejo 3. La liberación de insulina en respuesta a una hormona digestiva es más cercana al reflejo 4, aunque la pregun· ta no indica si la hormona es neurosecretora. Si no lo es, no hay nin· guna vía que corresponda en la figura 6-31. Página224 10. Estímulo: disminución del Ca1•; sensor/Centro integrador: células pa·

ratiroideas; vía eferente: PTH; efector: tejidos diana; respuesta: au· mento del Ca2•. Página 225 1l. Las catecolaminas son hormonas amínicas. Página 226

12, Los microtúbuios del citoesqueleto mueven a las vesículas secretoras. 13. El contenido de las vesículas secretoras se libera por exodtosis.

Página 228 14. La vía 5 de la f¡gura 6-31 se ajusta al modelo descrito. Página 230 15. a) Vía 4; b) vía 4 para la GH actuando directamente en los objetivoS, y vía 5 para la GH actuando sobre el higado. Página 230

16. El objetivo son las células endocrinas de la adenohipófisiS. 17. La vía se inhibe cuando ya no hay alimentos presentes en el intesti· no que causen distensión. La disminudón de la glucemia también puede actuar como señal de retroalimentación negativa. Página233 18. La concentradón de cortiSol es baja; la falta de retroalimentación ne-

gativa hace que los niveles de CRH y ACTII sean elevados.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página 223

Fig. 7-8: La conversión de la tirosina en dopamina se lleva a cabo agregan· do un grupo hidroxilo (-OH) al anillo de seiS carbonos y cambiando el grupo carboxilo (-COOH) por un hidrógeno. La noradrenalina se slnteti· za a partir de dopamina, cambiando un hidrógeno por un hidroxilo. La adrenalina se sintetiza a partir de norepinefl:ina, cambiando un hidrógeno unido al nitrógeno por un grupo metilo (-CHJ. Página 224

Fig. 7-9: La vía que comenzó con la ingesta de alimentos se inhibe cuan· do el estimulo de estiramiento desaparece y la comida es digerida y absor· bida del tubo digestivo. Página228 Fig. 7·15: En la retroallmentadón negativa de bucle corto, la AClli inhi· be ala CRH. Página 235

Fig. 7-Zl; (a) CRH alta, ACTH baja, cortiSol bajo. Nofundonaninguna retroallmentidón negativa (b) CRH normal o alta, ACTH alta, cortiSol ba· jo. La ausencia de retroalimentación negativa del cortiSol aumenta las hormonas tróficas. La retroalimentación de bucle corto de la ACIH hace que !a CRH se mantenga dentro del rango n01mal.

Neuronas: propiedades celulares y de las redes del 5is:temz: fV2iVloso

Células de) :::ist0!TE'< rt(~rvios,J 246 las neuronas son células excitables que generan y transportan señales eléctricas 250 Las células de !a g!ía son las células de sostén del sistema nervioso

Seiiak::-s e!éctrkas. e-n L:,::, new·onas 252 La ecuación de Nemst predice el potencia! de membrana para un ión único 252 La ecuación de Goldman·Hodgkin~Katz predice el potencial de membrana para múltiples iones 253 El movimiento de iones a través de la membrana celular crea señales eléctricas 254 los canales tipo compuerta controlan la permeabilidad de la neurona a los iones 254 los cambios en !a permeabilidad de los canales crean señales eléctricas 255 los potenciales escalonados reflejan la intensidad del estímulo que los inicia 257 Los potenciales de acción recorren largas distancias sin perder intensidad 258 Los potenciales de acción representan el movimiento del Na+ y el K+ a través de la membrana 259 Los canales de Na+ en el axón tienen dos compuertas 260 Los potenciales de acción no se disparan durante el período refractario absoluto 261 La intensidad del estímulo es codificada por la frecuencia de los potenciales de acción 261 El potencial de acción no altera los gradientes de concentración de los iones 263 Los potenciales de acción son conducidos desde la zona gatillo hasta la terminación axónka 266 Las neuronas más grandes conducen más rápido los potenciales de acción

266 La conducción es más rápida en los axones mielínicos 268 la actividad eléctrica puede ser alterada por distintos factores químicos '~omtm '~a.:::ión int(~;(e\Uí.:ir

Bn c:l si:l-'ú'Jtna

;-;0nrj.:JSG

270 La información pasa de una célula a otra en la sinapsis 271 El calcio es la señal para la liberación de! neurotransmisor en la sinapsis 272 Las neurocrinas transmiten información de las neuronas a otras células 272 El sistema nervioso secreta distintas neurocrinas 275 Múltiples tipos de receptores amplifican los efectos de los neurotransmisores 276 No todas las respuestas postsinápticas son rápidas y de corta duración 277 La actividad de los neurotransmisores termina rápidamente

in'""JiiKÍÓn de la trans-ferencia de f¡:¡ inform«dón neurai 278 Las vías neurales pueden abarcar muchas neuronas simultáneamente 279 La actividad sináptica también puede ser modulada en la terminación axóníca 281 la potenciación a largo plazo modifica la comunicación sináptica 282 los trastornos de la transmisión sináptlca son responsables de muchas enfermedades 283 El desarrollo de! sistema nervioso depende de las señales químicas 283 Cuando las neuronas se lesionan, los se_gmentos separados del cuerpo celular mueren

INFORMACIÓN BÁSICA Vías reflejas: 195; Orgánulos celulares: 61;, ..NeUi'ohoÍ'monas: 176; Canales con compuerta: 139; Matriz extracelular: 68; Uniones en hendidUra: 175; Bucle de retroalimentación positiva: 199; Fagocitosis: 148; Control antagónico: 192; Secreciones neuroe'ndoctinas: 176; Potencial de membrana en reposo: 162; Exocitosis: 148; Pot_encial de equilibrio: 163; Electricidad biológica: 160

244

Organización de! sistema nervioso

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las _redes

245

REFERENCIAS

_,.-"-.....

(._____)Estímulo TÉRMINO lmUZADO EN ESTE UBRO

En una escena sobrecogedora de una película de ciencia fiCción, técnicos-con batas blancas se mueven silenciosamente a J:ia,vés de una habitación llena de burbujeante$ tanques cillndricos para peces. Cuando la cámara se aproxima a un tanque, no se ve ningún pez entre las plantas acuáticas. El único ocupante del tanque es una masa gris con una superficie tortuosa como una nuez y una cola larga que parece estar bordeada con cuentas. Flotando fuera de las cuentas hay cientos de fibras finas que ondulan suavémente a medida que las butbujas de oxígeno se abr~ paso _entre ellas. No hay ninguna criatura marina. .. Son un cerebro y una médula espinal, exttaídos de su propietario Original y esperando el trasplante a otro cuerpo. ¿Esto puede ser real? ¿F.s posible este escenario?-¿0 es tan sólo la creación de un imaginativo guionista del cine? Se considera al cerebro como el asiento del alma, el misterioso origen de aquellos rasgos que, según creemos, separan_a los seres humanos de los animales. El cerebro y la médula espinal también son _centros integradores para la homeostasis, el moVimiento y muchas otras funciones corporales. EllO$ sOn el centro de control del sistema nervioso, una red de miles de millones o billones de células nerviosas unidas entre sí de una forma altamente organiza· da para formar el rápido sistema -de_ control del organismo. Las células nerviosas, o neuronas, están diseñadas pata transpor· tar rápidamente las señales eléctricas, y en algwios casos a distan· cias largas. Son células con una fmmá muy particular, y la mayoría tiene extension.es delgadas y largas o prolongaciones que se pueden extender hasta una longitud de un metro. En la mayoría de lás vías, las neuronas liberan señales químicas, denominadas neurotransmi· sores, en el líquido extracelular. En unas pocas vías, las neuronas tienen Jmiones en hendidura o comunicantes ( S'175), lo que permite que las señales eléctricas pasen directamente de una célula a Otra. El empleo de señales eléctricas paci liberar sustancias quími· cas destle un,a célula no es exclusivo de las neuronas, como se vio en el capítulo 5 ( ~p. 166). Los protozoarios unicelulares y las plantas también emplean mecanismos eléctricos de señalización,

SINÓNIMO/S

Receptor

O

Vía aferente

Potencial de a
Espiga, impulso nervioso, señal de conducción

Sistema n~rvioso autónomO

Sistema nervioso visceral

~ _Viúferente

A rel="nofollow"><ón

Fibra nerviosa

IJIRID _Efector

Transporte axónico

Flujo axoplásmico

Gill Respuesta tisular

Terminación axónica

Botón sináptico, terminación presiiláptica

Axoplasma

Citoplasma ~e un axón

Cuerpo celular

Soma celular, cuerpo de la <élula nerviosa

Membrana celular de u~ axón

Axolema

Células de la gUa

Neuroglla, gUa

fntemeurona

Neurona de asociación

~ Centro Integrador

1

Retículo endop!asm~tico rugoso Sustancia de Ni:$51, cuerpo de Nissl Neurona sensitiva

Neurona aterente, aferente

que en muchos casos utilizan los mismos tipos de canales iónicos que los vertebrados. Los científicos que s~encian las proteínas de los canales iónicos han observado que muchas de estas proteí· nas se han conservado en toda la evolución, una indicación de su importancia fundamentaL Lo que es único del sistema nervioso es la compleja disposición de sus redes de interconexión. Las vías reflejas en el sistema nervioso no siguen necesariamente una línea recta de una neurona: a la siguiente. Una neurona puede influir en muchas otras o muchas neuronas pueden afectar la función de una sola. Estas redes neutales intrincadas dan lugar a propiedades eme¡geD.tes del · sistema nervioso: procesos complejoS, como la candencia, la inteligencia y la emoción, que no pueden prededrse a partir de lo que sabemos sobre las propiedades de las células nerviosas individuales. La búsqueda de explicaciones para las ptopiedades emergentes convierte a la neurodenda en una de las áreas de investigación más activas de la fisiología actual.: · La neurociencia, al igual que muchas otras áreas de la ciencia, tiene su propio lenguaje especializado: En muchos casos, múltiples términos describen una sola función o estructura, lo que puede conducir a confusiones. El cuadro 8-1 menumera algunos tér· minos de la neurociencia utilizados en este libro, juntamente con :rus sinónimos comunes.

ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA NERVIOSO El sistema nervioso puede dividirse en dos partes. El sistema nervioso central (SNC) está formado por el encéfalo y la médu-

mFIGURA ~1 Organizadón del sistema nervioso El sistema nervioso periférico {SNP) envfa información al sistema nerVioso central {SNC) a través de neuronas aferentes (senSitivas) y lleva la información del SNC hacia !as células diana a través de neuronaS eferentes. El sistema nervioso entérico puede actuar de forma autónoma o puede estar controlado por el SNC a través de la división autónoma del SNP.

la espinal. El sistema nervioso periférico (SNP) está formado por las neuronas aferentes (o sensitiV
rentes. El flujo de informadón a través del sistema nervioso sigue el patrón de reflejos básicos descrito en el capítulo 6 {mil p. 195). Los receptores sensitivos de todo el cuerpo reciben continua-

mente información sobre las condiciones tanto del medio interno-como del externo (Fig. 8-111). Estos receptores envían la ínformad~n- recibida a lo largo de neuronas aferentes Msta el sistema

nervioso central. En el capítulo 10 se explicarán las vías aferentes y los receptores sensitivos asociados. El sistema nervioso central es el centro integrador de los reflejos neurales. Las neuronas del SNC integran la información que llega por el ramo aferente del SNPy determinan si se necesita una respuesta. El capítulo 9 examina la estructura compleja y las fun. dones del SNC. El SNC envía entonces señales eferentes que dirigen una res-: puesta apropiada (si es necesario) que discurre a través de neuro-

Células del sistema nervioso

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

246

nas eferentes hasta las células efectoras del cuerpo. Las neuronas eferentes se subdividen en la división motora somática,· que controla los músculos esqueléticOs, y la división autónoma, que controla los músculos liso y cardíaco, las glándulas exocrinas, al~ gunas glándulas endocrinas y algunos tipos de tejido adiposo. La división autónoma del~ también se llama sistema nervioso visceral porque controla la conttacdón y la secredón de distintos ór~ ganos internos (visara, órganos inrernos). Las neuronas autónomas se dividen a su vez en los ramos simpático y parasimpáti.co, que pueden distinguilse por su organización anatómica y por las sustan· das químicas que utilizan para comunicarse con sus células diana. Muchos órganos internos reciben información de ambos tipos de neuronas autónomas y es un patrón frecuente encontrar que las pos . divisiones ejercen un a:mtrol antagónica sobre tm único punto diana (,;.p. 192). En el capítulo 11 se expücará el SNP. En años recientes, una tercera división del sistema nervioso ha recibido una atención considerable. El sistema nervioso entérl· co es una red de neuronas en las paredes del tubo digestivo. Amenudo es controlado por la división autónoma del sistema nervioso, pero también puede funcionar de forma autónoma con su propio centro integrador. Explicaremos más el sistema nervioso entérico en el capítulo 21 sobre el aparato digestiVo. Aunque la mayor parte de este libro se concentra sobre el papel de los retlejos neurales en la comunicación, la coordinación y la homeostasis del cuerpo, es importante sefialar que inlportantes procesos del sistema nervioso central pueden llevarse a cabo sin aferentes ni eferentes del sistema nervioso periférico. El SNC tiene la capacidad de ini9ar la actividad sin aferendas sensitivas y no necesita crear ninguna eferenda mensurable. Dos ejemplos son el pensamiento y el sueño, funciones encefálicas superiores complejas que pueden ocurrir totalmente dentro del SNC.

1

REVISIÓN 1. Organice los siguientes términos que describen los ti-

pos funcionales de neuronas en un mapa o bosquejo: · aferente, autónoma, encefálica, centra!, eferente, entérica. parasimpática, periférica, sensitiva, motora somática, espinal, simpática. Respuesta en la p; 289

CÉLULAS DEL SISTEMA NERVIOSO El sistema nervioso está compuesto fundamentalmente por dos tipos celulares: neuronas -las unidades de señalización bási· cas del sistema nervioso- y las células de sostén conocidas como células de la glía (o glía o neuroglia).

Las neuronas son células exdtables que generan y transportan señales eléctricas La neurona es la unidad funcional del sistema nervioso. (Una unidad fimc:ional es la estructura más pequeña que puede llevar a cabo las funciones de un sistema.) Las neuzonas son células con

"Se puede utilim ta ~lón nturona mc/Jlra para hacer refen>.nda a todas !as neuronas eferentes. Sin embatgo, desde cl punto de vista clfnlto cl bmnlno neumIUII!Wl
máticas que controlan los m(is(ulos esquclEticos.

247

Este Icono representa los diferentes componentes de las neuronas t!plcas. Búsquelo en las figuras · siguientes pa¡a ayudarlo

formas únicas y prolongaciones largas que· se extienden hada afuera desde el cuerpo celular. En geneial, estas prolongaciones se clasifican como dendritas (que reciben las señales entrantes} o axones (que transportan la información saliente). La ferina;· el número y la longitud de los axones y las dendritas varían de una neurona a la siguiente, pero estas estructuras constituyen una ca· racteristica esencial que permite a las neuronas comunicarse entre ellas y con otras células. · Tradicionalmente utilizamos las neuronas eferentes como las de la figura 8-2 m y la figura 8-3e li para enseñar de qué modo funciona una neurona. En otros tipos de neuronas, las prolonga· dones que mostramos en el modelo pueden faltar o ser diferen· tes. Pero si usted comprende estas neuronas modelo, comprenderá cómo funciona la mayoría de las neuronas. Las neuronas pueden clasificarse desde' el punto de vista estructural o funcional. Desde el punto de vista estructural, las neuronas se clasifican por la cantidad de prolongaciones que se originan a partir del cuerpo celular. Ellas pueden ser descritas como seudotmipolares (el axón y las dendritas se fusionan durante el desanollo para crear una prolongación larga; Fig. S.3á); bipo·Iares (axón único y dendrita única; Fig. 8-3b), multipolares (muchas dendritas y axones ramificados¡ Fig. 8-3d) o anax6tdcas (que carecen de un axón identificable¡ Fig. 8-3c). Pero como la fisiología está vinculada principalmente con la función, clasificaremos a las neuronas no desde el punto de vista estructural sino más bien de acuerdo con la función: neuronas sensitivas (aferen· tes), interneuronas y neuronas eferenteS (motoras somáticas y autónomas). Las neuronas sensitivas transportan información sobre temperatura, presión, luz y ottos estímulos desde los ¡:eceptores sensitivos hasta el SNC. Ellas varían respecto de la neurona modelo en la longitud y la organización de sus prolongaciones. Poi ejemplo, las neuronas sensitivas periféricas tienen cuerpos celulares que se en· cuentran próximos al SNC, con prolongaciones muy largas que se extienden basta los receptores en las extremidades y los órganos internos. En estas neuronaS, el cuerpo celular no se encuentra en el eje de las señales que pasan a lo largo del axón (Fig. 8-3a). Por el conttario, las neuronas sensitivas pata olfato y visión, con receptores localizados muy próximos al SNC, tienen dos prolonga·

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a recorrer su camino a través de la estructma y !a función del sistema ner;ioso.

1

Sinapsis

l!il FIGURA 8-2

.Neurona modelo

Una neurona típíca como la neurona presináptica que se muestra aqu! tiene un cuerpo celular y muchas extensiones. La región donde una terminadón axónica comunica con 'su célula diana postsináptica se conoce como sinapsls. dones, de modo que las señales que comienzan.en las dendritas discun:en a través del cuerpo. celular hasta el axón (Fl.g. 8-3b); · Las neuronas que están completamente dentro del SNC sé. conocen como intemeuronas (contracd6n de neuronas de infetame. xién). Ellas presentan distintas formas, pero a menudo tienen prolongaciones ramificadas bastante complejas que les permiten comunicaxse con muchas otras neuronas (F¡g. 8-3c). Algunas inter· neuronas son muy pequeñas comparadas con la neurona modelo. las neuronas eferentes, tanto motoras ~omáticas como autónomas, son en general muy similares a la neurona modelo de la figura 8-2. En la división autónoma, algunas neuronas presentan regíones ensaqchadas a lo largo del aXón. denominadas varlcosi· dades (véase Fig. 11-8). Las vadcosldades almacenan y h'beran neurotransmisor. Los axones largos, tanto de las neuronas periféricas aferentes como eferentes, forman manojos juntamente con el tejido conectivo en fibras simllares a cordones denominadas nervios, que se extienden desde el SNC hasta los puntos diana de las neuronas com¡¡pnentes. Los nervios pueden transportar sólo sefiales afe-

rentes (nervios sensitivos), sólo señales eferentes (nervios morores) o señales en ambas direcciones ·(nervios mixtos). Muchos nervios son lo suficientemente grarides como para Óbserva!se a simple vista y han reo'bido nombres anatómicos. Por ejemplo, el nervio frénico discurre desde la médula espinal hasta los músculos del diafragma. El cuerpo celular es el centro de control de la neurona · El cuerpo celular {soma celular) de una neurona se asemeja a la célula típica descrita en el capítulo 3, con un núcleo y todos los orgánulos necesarios para dirigí! la actividad celular ( i$1 p. 59). FJ dtoesqueletose extiende hada el axón y las dendritas. La posición del cuerpo celular varía en los diferentes tipos de neui:onas, pero en la mayoría de ellas el cuerpo celular es pequeño y generalmente constituye un décimo o meflos del volumen celular ~tal. A pesar de su pequeño tamaño, el cuerpo celular con su núcleo es esendal para el correcto funcionamiento de la céitila. Si una neurona es cortada, la sección separada del cuerpo celular degenera lentamente y muere porque carece de la maquinaria celu-

248

Células del sistema nervioso

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de !as redes

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Neuronas para

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mFIGURA 8-4 Transporte axónico rápido de los orgánUios membranosos

axón~ l! ¡\}\

La fundón primaria de las dendritas en elsístema nervioso periférico es recibir infonnación aferente y transferirla a una región integradora dentro de la neurona. En el SNC, la función de las dendritas es más compleja. Las espinas dendríticas pueden fun. donar como compartimentos independientes, intercambiando señales con otras neuronas en el encéfalo. Muchas espinas den·drlticas contienen polirribosomas y pueden elaborar sus propias proteínas. Los cambios en la morfología de las espinas se asocian con el aprendizaje y la memoria y con distintas enfermedades, como trastornos genéticos que producen retraso mental y enfermedades degenerativas como la enfermedad de Alzheimer. A causa de estas asociaciones, las espinits dendríticas constituyen un tema actual en la investigadón en neurociencia.

Multipólar

SeUi:lóúnlpo!ar

!bllas neuronas

seudounipolares tienen una linica prolongación denominada axón. Durante e! desarrollo, la dendrita se fusionó

con el axón.

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{a) Las neuronas

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249

bipolares tienen dos fibras relativamente iguales que se extienden hacia afuera del cuerpo celular central.

{e) las int~euronas

anaxónicas del SNCnotienen ninglinaxón

aparente.

(el} las intemeurona.s mult!polares del SNC están muy ramificadas pero carecen de extensiones !algas.

Las dendritas redben señales aferentes Las dendritas (dendron, árbol) son prolongaciones finas y ramificadas que reciben informadón aferente desde las células vecinas. Las dendritas aumentan la superficie de contacto de una neurona, lo que les permite comunicarse con muchas otras. Las neuronas más simples tienen una sola dendrita. Por otro lado, las neuronas del encéfalo pueden tener múltiples dendritas con una ramificación i.iJ.creíble-

una·neurona eferente multipolar t!pica tiene clnco a siete dendritas, y cada una de ellas se ramifica cuatro a seis

veces. Un (mico axón !algo puede ramificarse varias veces y acabar en varias terminaciones

mFIGURA 8-3 Categorlas ánatómicas y furiciona/es de las neuronas

lar para elaborar las proteínas esenciales. En una neurona motora somática lesionada cuyo axón ha sido seccionado, la degeneración de las porciones distal~s (alejadas) causa una parálisis permanente de los músculos inervados por esa neurona. (El término inervada significa "controlado por una- neUrona".) Si la neurona dafiada es sensitiva, la persona puede experimentar pérdida de sensibilidad (entumecimiento o parestesias) en la región que previamente estaba ínervada por esa neUrona. Los científicos intentan comprender los eventos ceJulares que 00Hien cuando las neuronas son dañadas, de modo de poder desarrollar procedimientos para reparar la pérdida funéional que acompaña a las lesiones de la médula espihal y los nervios.

(e}

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mente compleja (Fig. 8-3d). La superficie de una dendrita puede · incluso expandírse más por mectlo de espinas dendríticas, que varían desde. espigas delgadas hasta botOnes con forma de hongo.

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Los axones transmiten las señales eferentes hacia el punto diana La mayorfa de las neuronas periféricas tiene un único axón,· que se origina a partir de una región especializada del cuerpo celular denominada cono o promontorio axónico (Fig. 8-2). Los axOnes · varfan en longitud desde más de un metro hasta sólo algunoS mi· crómetros. Ellos a menudo se ramifican poco en toda su longitud, formando colaterales (col-, con; lateral, aigo sobre el lado}. En nuestra neurona modelo, cada colateral termina en un .cono llamado terminación iixónica. La terminación axónica contiene mitocondrias y vesículas unidas a la membrana llenas de moléculas neurocrinas (¡¡¡¡¡p. 176). La fun~ón primaria de un·axón es transmitir las señales eléctricas eferentes désde el centro integr.ador de la neurona hasta la terminación del axón. En el extremo" distal del axó~, la señal eléctrica suele ser traducida en un mensaje químico mediante la se: creción de un neuiotransmisor, un neuromodulador -o una neurohonnona. Las neuronas que secretan neurotransmisores y neuromoduladores terminan cerca de sus células diana, que suelen ser otras neuronas, músculos o giándulas. La región donde una terminación axónica se reúne con su célula ~ana se llama sinapsis (sin-, con; hapsis, unirse). La neurona

que lleva la señal hasta la sínapsís se conoce como célula presináptica, y la célula que recibe la señal se llama célula postsináptica. El espacio estrecho entre las dos células se denomina hendidura sináptica. ISIÓN ¿Dónde terminan las neuronas que secretan neurohor· monas? 3. Olbuje una cadena de tres neuronas que hagan sinaP'

sis una-sobre otra en secuencia. Marque !os extremos presiná¡rtico y postsináptico de cada neurona, !os cuerpos celulares, las dendritas, los axones y las terminadones axónicas. Respuestas en la p. 289

Los axones están diseñados para transmitir señales químicas y eléctricas. Su citoplasma está lleno de muchos tipos de fibras y fi. lamentos pero carece de ribosomas y retículo endopi?Smático. Por lo tanto, cualquier proteína destinada al axón o la terminación axónica debe ser sintetizada en el retículo endáplasmático rugoso del cuerpo celular. Luego las proteínas descienden a través del axón por un proceso conocido coni.o transporte axónico. El transporte axónico lento mueve el material por flujo axoplásmico (dtoplasmático) desde el cuerpo celular hasta la terminación axónica. El material se mueve a una veloddad de sólo 0,22,5 mm/día; por lo tanto, el transporte lento es utilizado para los componentes que no son consumidos rápidamente por la célula, como eilzimas y proteínas del dtoesqueleto. El transporte axónico rápido (Fig. 8..:4li!l) mueve l9s orgánulos a velocidades de hasta 400 mm por día. La neurona utiliza mi· crotúbulos estaCionarios conlo ruta a lo largo de las cuales las vesículas transportadas y las mitocondrias "caminan"-con ayuda de proteínas motoras. Estas proteínas motoras se unen y desunen alternativamente a los microtúbulos con consumo de ATP llevando paso a paso sus orgánulos a lo largo del axón. El papel de las pro-

1

250

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de ras redes Cé!Úias del sistema nervioso

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251

{a) Gelulas de la glla del sistema nervioso central

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I,;?!'FtiWA Sistema nervioso periférico

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1

li FIGURA 8-5 Células de la glla y sus fundones

teínas rÍlotoras en el transporte axónico es similar al que -cumplen en la contracdón muscular y en el movimiento de los cromosomas durante la diVisión celular. El transporte axónico .rápido va en dos direcd.ones. El transporte hada adelante (o anter6grado) mueve las vesículassinápticas y secretoras y las mitocondrias desde el cuerpo celular hasta la terminación axónica. El transporte hada atrás (o retrógrado) retoma los viejos componentes celulares desde la temlinactón axónica hasta el cuerpo celular para cl reddado. Existen pruebas de que los factores de crecimiento nervioso y algunos virus también alcanzan el cuerpo celular por transporte retrógrado .rápido.

neuromoduladores secretados por las. neuronas. La fundón de las células de la glia es un área activa de investigación en neurociendas y aún no conocemos plenamente todos los papeles que desempeñan estas importantes células en el sistema nervioso. El sistema nervioso periférico tiene dos tipos de células de la glía -células de Schwann y células satélite- y el SNC tiene cuatro tipos: oligodendrodtos~ microglia, astrodios y células ependimarias {Flg. 8-5 ~- Las células de Schwann en el SNP y los oligodendrodtos en el SNC s_ostienen y aíslan a los axones al formar mielina, una sustanda compuesta por múltiples capas concéntricas de membrana fosfolipídica (Flg. 8-6 liitl. Se forma IIÍielina cuando estas ¡;élulas de la. glía envuelven un axón y extraen el citoplasma de la ~ de modo que cada envoltura tiene dos capas de membrana (Fig. 8-6b). CoLas células de la g/ía son las células de sostén . mo analogía, plerue en envolver· un gl_obo desinflado apretadamendel sistema nervioso te alrededor de un lápiz. Algunas neuronas tienen hasta 150 envol· Las células de la giía (g/ía, pegatl;lento) son los héroes no returas (300 capas membranoSas) en la vaina de mielina que rodea a conocidos del sistema nervioso y superan en número a las neurosus axones. Las uniones en hendidura conectan las capas y perminas en 10-50 a l. Aunque las. células de la glía no partidpan di· ten el flujo dé nutrientes y la informadón de una capa a otra. · rectamente en la transmisión de señ.ales eléctricas en distancias Una de las diferencias éntre los oligodendrodtos y -las células largas, proporcionan un soporte físico y bioquímico importante a de Schwann es la cantidad de axones qUe envuelve cada célula. las neuronas. El t~jido nervioso secreta muy poca matriz extrace-En el SNC, un ollgondendrocito forma .mielina alrededor de porlular ( ~p. 68) y las células qe la glía proporcionan estabilidad a dones de varios axones (Fig. 8-6a). En el sistema nervioso perifélas neuronas al rodearlas. Algunas células de la glía proporcionan rico, una célula de Schwann se asocia con un único axón; un soporte metabólico a las neuronas y ayudan a mantener la hoaxón dado puede tener hasta 500 células de SChwann, cada una meostasis del líquido extracelular del encéfalo al captar el exceso de ellas envuelta alrededor de un segmento de 1·1,5 mm del axón de metabolitos y K+. (fig.·8-6c). Entre las áreas de míelina, una pequeñ.a región de la Las células de la glia se comunican con las neuronas y entre membrana del axón se mantiene en contacto directo con el liquiellas fundamentalmente a través dé ,señales químicas. Los factodo extracelular. Estas brechas, denominadas nodos de Ranvier, res de crecimiento derivados de la glía y los factores tr6ficos (nu· desempeñan un papel importante en la transmisión de las señatritivos) ayudan a mantener a las neuronas y a guiarlas durante la les eléctricas a lo largo del axón. reparadón y el crecimiento. La investigación sugiere que las céluEl segundo tipo de célula de la gUa en el SNC, la célula satélas de la glia a su vez responden a los neurotransmisores y los· lite, es una célula de Schwann amielínica. Las células satélite for-

(b) FO!TllaCión de mlelina en el sistema nervioso periférico

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Cuerpo celular

se envuelve alrededor del axón muchas veces.

8 nodo de Ranvler es una se«ión am!elfnlca de la membrana del axón entre dos células

deSchwann.

lil FIGURA 8-6 Sitios y formación de la mielina

252

Señales eléctricas en las neuronas

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

man cápsulas de sostén alrededor de los cuerpos de las células nerviosas localizados en los ganglios nerviosos. Un ganglio ner· vioso es un agrupamiento de cuerpos de células nerviosas que se encuentra por fuera del SNC. Los ganglios se presentan como nó-dulos o agrandamientos a lo largo de un nervio. La estructura equivalente en el interior del SNC se conoce como núcleo. Las células de la glía conocidas como microglia son células in· munitarias especialiZadas que residen de forma permanente en el SNC. CUando son activadas, eliminan células dafiadas e invasores extraños. Los astrodtos (astron, estrella) son células muy ramifica· das que hacen contacto con las neuronas y los vasos sanguíneos, y pueden transferir nutrientes entre ambos. Además, estas células ayu. dan a mantener !a homeostasis en el liquido extracelular alrededor de las neuronas del SNC al captar K+ y neurottansmisores desde él liquido extracclular. Los astrOcitos se comunican entre ellos a través de uniones en hendidura. las células del epéndimo son células espedalizadas que crean una capa epitelial con permeabilidad selecti· va, el epéndinw, que separa los compartimentos líquidos del SNC. El epéndimo es la fuente de las células troncales o células madre nerviosas, células inmaduras que pueden diferenciarse en neuronas o células de la güa. En una época los científicos pensa· ban que si una neurona moría nunca podía ser reemplazada. El descubñmiento de las células troncales madre nerv:i~ cambió este punto de vista. Durante el desarrollo temprano, una capa de células· diferenciadas denominada neuroepitelio reviste fu luz del tubo neural, una estructura que más tarde se convertirá en el en· céfalo y la médula espinal. A medida que piOgresa el desarrollo, algunas células migran fuera del neuroepitelio y se diferencian en neuronas. Otras células que limitan la luz del tubo neural se espe-ctallzan en el epitelio del epéndimo. Sin embargo, entre las célu· las del epéndimo y en la capa subependimaria, algunas células troncales madre nerviosas permanecen no especializadas y espe-ran hasta que son llamadas~ reemplazar a las células dañadas. En algunos interesantes trabajos, los investigadores han podido obli· gar a las células troncales madre nerviosas a produdr dopamina, un n~otransmisor que es defidente en los pacientes que pade· cen enfermedad de Parkinson. En la actualidad, parece posible que en los años venideros podamos ver trasplantes de células troncales madre ideados para revertir la pérdida de función que producen algunas enfermedades neurológicas degenerativas. ISIÓN

¿Cuál es la función primaria de
mielina. ¿Cómo se diferencia una de otra? Respuestas en la p. 289

SEÑALES ELÉCTRICAS EN LAS NEURONAS La piOpiedad del nervio y las células musculares que los carac.

teriza como tejidos excitables es su capacidad para propagar seña· les eléctricas rápidamente en respuesta a un estímulo. Sabemos que muchos otros tipos celulares generan señales eléctricas para inictar procesos intzacelulares (véase secreción de insulina, p, 166), pero la capacidad del nervio y de la célula nerviosa para en·

viar una señal eléctrica constante a larga distancia es caracteristi· ca de la señalización eléctrica en estos tejidos.

253

'¡.;_,; .c:~n-wrtratió~;~óhrCá~ }t'.'~iié)~res de ~quilibiio. •,·---- __ ._--,"---·-___ _, ____ ,-_·-:e-, -·----· ', ____ ,_-___ , -- '

La ecuación de Nemst predice el potencial de membrana para un ión único

IÓN K"

lÍQUIDO EXTRAC!:LULAR (mM)

ÚQUIDO INTRACELULAR (mM)

E!ÓN A37 °C

5 mM Ontervalo normal: 3,5-·5)

lSOmM

-90mV

145 mM Onte!Valo normal: 135-145)

15mM

+60mV

Recuérdese del capítulo 5 que todas las células vivas tienen un potenctal de membrana de reposo (Vm) (i! p. 162), que es· el resuJ. tado de la distribuctón desigual de los iones a través de la membrana celular. Dos factores influyen en el potencial de membrana:

.,. Cl·

108 mM (intervalo norma!: 101)..108}

10 mM (intervalo: 5-15)

-63

l. Jos gradientes de concentradones de los iones a través de la

"""

1mM

0,0001 mM

véase Revisión pregunta 6

membrana. Nonnalmente, el sodio (Na+), el cloruro (CI-) y el c;alcio (CaZ+) están más concentrados en el liquido extra· celular que en el citosol. El potasio (K+) está más concentra· do en el dtosol que en el líquido extraceliJlar. · 2. la permeabilidad de la membrana a esos iones. La membrana celular en reposo es mucho más permeable al K+ que al Na+ o al CaZ+. Esto hace que el K+ sea el principal ión que con· tribuye al potencial de membrana eri reposo.

ctón de todos los iones que pueden atravesar la membrana. Esta ecuadón Incluye los valores de permeabilidad de la membrana por· que la permeabilidad de un ión influye en su contribudón al poten· dal de membrana Si la membrana es impermeable a un Ión, ese ión no afectará el potendal de membrana Para las células de los mamíferos, aceptamos que Na+, K+ y Ct son los tres iones que influyen en el potencial de membrana en las células en reposo. La contribudón de cada ión al potendal de membrana es proporcional a su capaddad para atravesar la mem. brana. La ecuadón de GOldman·Hodgkin·Katz para las células que son permeables a Na+, K+ y CI-es:

El capítulo S introdujo la ecuadón de Nemst, que descnbe el potencial de membrana que produd:ria un único ión si la mero· brana fuera permeable sólo a ese ión ( ~ p. 163). Para cualquier ión, este potencial de membrana se denomina E;6n, o potencial de equilibrio del ión: [ión] 61

Vm= 61 log PK[K+]&tel!Q¡ + PNa[Na+J.nmo, + Pa[Ctllmedot

&,w.=-log~

z l_ión1m~mor donde: 61 es 2,303 IITIF a 37 ~e· z es la carga eléctrica del ión (+1 para K~) [iónlwcno, y [iónJrntcti< rel="nofollow">r son las concentraciones fuera y dentro de la célula. Cuando utilizamos las concentradones intracelular y extrace-lular estimada para el K+ (cuadro S.21ñ) en la ecuadón de Nemst, ésta predice un potendal de equilibrio para el potasio de -90 mV. Sin embargo, un valor promedio para el potendal de membrana ep reposo de las neuronas es de -70 mV (el interior de la célula en relación con el exterior), más positivo que el predicho por el potencial de equilibrio del potasi.o. Esto significa que otros iones deben estar contribuyendo al potencial de membrana. Las neura:nas en reposo son levemente permeables al. Na+ y el pasaje de Na+ positivo haGa la célula hace que el potendal de membrana en re. pOSo sea ligeramente más positivo de-lo que sería si la célula fue. ra permeable sólo al K+, ,REVISIÓN f:i":__

'~j;

"-6. Dados los valores del cuadro a.i,· utilice la ecuación de Nemst para calcular el potencial de equilibrio para el (al+. Utilice !a información acerca de los logaritmos propordonada en el apéndice A e intente hacer los cálculos sin calculadora. Respuesta en la p. Z89

La ecuación de Go/dman-Hodgkin·Katz predice el

potencial de membrana para múltiples iones La ecuación de Goldman·Hodgkin·Katz se utiliza para calcu· lar el potencial de membrana en reposo resultante de la con tribu· . •.R es la constante de !os gases ideales, Tes !a tempeu.tuta absoluta y Pes la cons-tante de Faraday. Pata lnformac!Ón adlctonal, v~ el apéndi~ B.

'

pK[K+Jinte!ior + PNai,Na+Jinterior + Pq[CI-J~nor donde: V mes el potendal de membrana en reposo a 37 oc 61 es 2,303 IITIF a 37 ~e ·Pes la permeabilidad relativa de la membrana al ión indicado en el subíndice. [ión]ateMr y [ión]lnll:!lor son las concentractones del ión fuera y dentro de la célula. Aunque esta ecuactón parece muy complicada, se puede simpli· ficar en estas palabras:. el potencial de membrana en reposo está de. terminado por las contribuciones combinadas del producto {gra· diente de concentración) x (permeabilidad de la membrana) para cada ióll. Si la membrana no es permeable a un ión, el término de pennea· . bllidad para ese ión Será cero, y el ión abandonará la ecuactór~:. Por ejemplo, las células en reposo normalmente no son permeables a Ca2+ y, por lo tanto este ión no forma parte de la ecuación de Gold· man-Hodgl
El movimiento de iones a través de la membrana celulaf crea señales eléctricas El ,"potendal de membrana en reposo de las ~ulas vivas está

mV

determinado fundamentalmente por el gradiente dé concentra· ctón del K+ y la permeabilidad en reposo de la célula a K+, Na+ y cr. Un cambio en el gradiente de concentración del K+ -0 en la permeabilidad a los iones modificará el potendal de membrana. Por ejemplo, en reposo, la membrana celuiar de una neurona es sólo ligeramente permeable al Na+. Pero si la membrana aumen· ta bruscamente su permeabilidad al Na+, éste ingresa en la célula, a favor de su gradiente electroquímico (Ni! p. 135). El agregado de Na+ al líquido intracelular despolariza la membrana celular ( ~ fig. 5·37, p.l66) y crea una señal eléqrica. El movimiento de iones a través de una membrana también puede hiperpolarizar una célula. Si la membrana celular bruscamente se vuelve más permeable al. K+, se pierde la ~ga positiva desde el interior de la célula y ésta se vuelve más negativa (se hi· perpolariza). Una célula también puede -hiperpolarizarse si iones con carga negativa, como CI-, entran en la célula desde el líquido extracelular. RE(V'.ISIÓN ". ,-.":_;:7. En !os siguientes casos, una célula con un potencial de membrana en reposo de -70 mV¿se despolariza o hi· perpolariza? (Usted debe considerar tanto el gradien·

te de concentración como el gradiente eléctrico de! ión para determinar el movimiento iónico neto.) a) La célula se vuelve más permeable a! Ca 2 ~. b) La célula se vuelve menos permeable al K+. 8. Si una pequeña cantidad de Na~ se escapa hada !a célula

la membrana celular ¿se despolariza o hiperpofariza? Respuestas en la p. 289 Es import
1

Señales eléctricas en fas neuronas 254

brana tiene un efecto importante sobre el potencial de membrana de la célula, igual que un grano de arena en su ojo le ocasio. nará un malestar importante. ,.

Los canales tipo compuerta controlan la permeabilidad de la neurona a los iones ¿Cómo cambia una célula su permeabilidad iónlca? La forma más simple es abrir o cerrar los canales existentes en la -membra· na. Las neuronas contienen distintos canales iónicos tipo compuerta que alternan entre los estados abierto y cerrado, en fun· dónde las condiciones intracelular y extracelular ( ~ p.139). Un método más lento para modificar la permeabilidad de la membrana es que la célula inserte nuevos canales en la membrana o elimine algunos canales existentes. En general, los canales iónlcos se denominan según el ión o los iones principales cuyo pasaje permiten. Existen cuatro tipos principales de canales iónicos selectivos en la neurona:: 1) canales de Na+, 2) canales de K+, 3) canales de eaa.. y 4) canales de Q-, Otros canales son menos selectivos¡ como los canales de cationes monovalentes que permiten que pasen tanto Na+ como K+. La facilidad con la cual los iones fluyen a través de un canal se denomina conductancia del canal. La conductanda del canal varia según el estado de compuerta del canal y la isoforrna de la proteína del canal. Como se describe en el capítulo 5, los canales iónicos pueden pasar la mayor parte del tiempo en estado abierto (cana· les permeables) o pueden.tener compuertas que abren o cierran en respuesta a estímulos particulares: 1. Los canales iónicos con compuerta me_cánica se encuentran en las neuronas sensitivas y se abren en respuesta a fuerzas físicas como presión o estiramiento. 2. Los canales iónicos regulados por compuerta química en la mayoría de las n~nas responderi a distintos ligan· dosf como neurotransmisores extraceluláres y neuromoduladores o moléculas señal intracclulares. 3. Los canales iónicos regulados por voltaje responden a los cambios en el potencial de membrana de la célula. Estos canales desempeñan un papel importante en la iniciación y la conducción de las señales eléctricas. No todos los canales se comportan exactamente de la misma forma. El voltaje umbral o estímulo mínimo ( ~ p. 196), para la apertura de los canales varía de un tipo de canal a otro. Por ejemplo, algunos canales en los que pensamos como canales permeables son en realidad canales regulados por voltaje que se mantienen abiertos en el rango de voltajeS del potencial de membrana de reposo. La velocidad con la cual un canal con compuerta se abre y se cierra también difiere entré los diferentes tipos de canales. La apertura del cailal se denomina activad6n del canal. El cierre del canal se denomina inaetivación. Los caitales activados permiten el flujo de iones; los canales inactivados no lo hacen. Por ejemplo, los axones contienen canales de "Na+ y canales de K+ que· son activados por la despolarización celular. Los canales de Na+ se abren muy rápidamente, pero los de K~ se abren de forma más lenta. El resultado es un flujo inicial de Na+ a través de la membrana, seguido más tarde por un flujo de K+. Cada tipo de canal mayor tiene múltiples subtipos con propie-

1

255

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

dades variadas. Las neuronas contienen pot lo menos dnco subtipos de canales de eat+ activados por voltaje, cuatro subtipos de canales de K+ activados por voltaje y dos subti.pos de canales de Na~ activados por voltaje. Dentro de cada subtipo también existen múltiples isoforrnas que pueden expresar diferentes propiedades de apertura y cierre. •

Los cambios en la permeabilidad de los canales

crean señales eléctricas Cuando los canales iónicos se abren, los iones pueden entrar en la célula o salir de ella. El flujo de carga eléctrica transportada por unión se denomina corriente del ión y se abrevia ~.m· La dirección del movimiento de los iones depende del gradiente elictroquimico (concentración y eléctrico combinado) para el ión. En general, los iones potasio se mueven hacia fuera de la célula. Na+, a- y Ca2+ habitualmente fluyen hada la célula. El flujo neto de iones a través de la membrana despolariza o hiperpolartza a lacé· lula, lo que crea una señal eléctrica. Las señales eléctricas pueden clasificarse en dos tipos básicos: potenciales escalonados y potenciales de acción (cuadro 8-3 !!). Los potenciales escalonados son seftales de intensidad variable que discuuen en cortas distancias y pierden intensidad a medida que viajen a través de la célula. Se utilizan para 1a comunicación a corta distancia. Si un potencial escalonado despo~te tiene

cOmparaclóri.·dei'-PQt~"éiat ~Stai~nado y.~í'Jió~~·~iái: d~: ~~C{ón·:eri··¡~~-ne~~~~~ . ' ,.,._ o--<:-·-> ..-,.··-"- . ,.,.-,,, .. ,-.,, ..... '-' -. ,.-,- .-'-- ·"'' ,'--

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POTENOAL ESCALONADO

POTENOAl DE ACCIÓN

Tipo de señal

Señal aferente

Sefial de conducción

Dónde ocurre

Habitualmente dendritas y cuerPo celular

Zona gatillo a través del axón

Tipos efe canales fónicos con compuerta involucrados

Mecánicamente, qulmicame~e o canales regulados por voltaje

Canales regulados por voltaje

Iones Involucrados

Habitualmente Na+, a- , (al+

Tipo dese~!

.Despo!arizante (p. ej., Na•) o hiperpofarizante (p. ej.,CI-)

Despo!arizante

Intensidad de la señal

Depende del estimulo inida!; pueden sumarse

· Es siempre igual; (fenómeno todo o nada); no pueden sumarse

Qué inicia la señal

Entrada de iones a través de canales

Potencial escalonado supraumbral en la zona gatillo

cararutrfstic:as singulares

No se requiere ningún nivel míni~o par~ Iniciarlo

Se reQuiere un estfmulo umbral para lnidarlo

Dos señales que llegan lo suficientemente juntas en el tiempo re suman

en el tiempo no pueden sumarse

Na~

y K+

Periodo refractario: dos señales demasiado próximas entre ellas

la intensidad del estímulo inicial está indicada por

:

la frecuencia de una serie de potenciales de acción

la intensidad suficiente cuando alcanza una región integradora . dentro de una neurona, el potencial escalonado inicia un potencial de acción. Los potenciales de acción son despolarizaciones grandes y de intensidad constante que pueden viajar largas dis· tandas a través de una neurona sin perder su intensidad. Su función es el señalamiento rápido en largas distancias.

Los potenda/es escalonados reflejan la intensidad del estimulo que-Jos inida Los potendales escalonados en las neuronas son despolarizadones o hiperpolartzaciones que ocurren en las dendritas y el ·cuerpo célular o, menos a menudo, cerca de las terminaciones axónicas. Estos cambios en el potencial de membrana se denominan "escalonados" porque su tamaño o amplitud (amplitudo, grande), es directamente proporcional a la intensidad del acontecimiento desencadenante. Un estímtúo grande produce un potenda! escalonado intenso y un estímulo pequeño conduce a un po· tendal escalonado débil. En las neuronas del SNC y la división eferente, los potenciales escalonados ocurren atando las sefiales químicas provenientes de otras neuronas abren canales iónicos regulados por compuerta química, lo que permite que las neurOnas entren en la neurona o la abandonen. Los estímulos mecánicos (como el estiramiento) abren los canales iónicos en algunas neuronas sensitivas. Los potendales escalonados también pueden ocurrir cuando un canal abierto se dena, lo que disminuye el movimiento de iones a tra· vés de la membrana celulaL Por ejemplo, st los canales de K+ se cierran, menos K+ abandona la céltúa y la retención de K• despolariza la céltúa.

1

REVISIÓN ,',:9. Relacione el movimiento de cada ión con el tipo de potencial escalonado que crea. a) Entrada de Na+ b) Entrada de ct· e) Salida de K+ d)

Entrada de Cal"

1. despolarizante 2. hiperpolarizante Respuesta en la p. 289

La figura 8-7 m muestra un potencial escalonado que comienza atando un estímulo abre canales de cationes monovalentes sobre el cuerpo celular de una neurona. Los iones sodio se mueven hada el interior de la neurona, lo que introduce energía eléctrica. La carga positiva transportada hada deÍltro por el Na+ se propaga como una onda de despolarización a través de citoplasma, del mismo modo que una piedra arrojada en el agua crea ondas u olas que se propagan alejándose de su origen. La onda de despolariza· dón que se mueve a través de la célula se conoce como flÚ.jo de corriente local. Por convención, la corriente en los sistemas bio. lógicos es el movimiento neto de carga eléctrica positiva. La intensidad de la despolarización inicial en un potencial escalonado está determinada por la cantidad de cargas que ingresan en la célula, al igual que el tamaño de las ondas causado por una piedra arrojada al agua está determinado-por el tamaño de la piedra. Si se abren más canales de Na+, entra más Na• y el potencial escalonado tiene una amplitud inicial más alta. Cuando más fuer· te es la amplitud inicial, más lejos puede propagaiSe el potencial escalonado a través de-la neurona antes de desaparecer. ¿Por qué los potenciales escalonados pierden intensidad a medida que se mueven a través del citoplasma? Existen dos razones:

Señales eléctricas en !as neuronas

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de !as redes

256

257

(a} Un potencial eséalonado comlenza por enclma del uinb!al (!)·en su punto {b) Un estimulo más intenso en el m!Smo punto sobre el cuerpo celular da inic!o, paro cf!Sl11lnuye en intensidad a medida que recorre el cue¡po ce!urar. crea un potencial escalonado que sigue estando encima del umbral En razona wrtillo se encuentra por debajo del umb!al y por ro tanto no inicia para el momento en que alcanza la zona galillo, rmooo que prodlK:e un un potencial deaetión. " · - - -· . -· · .. poteneial~~~.acelón. .·

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PREGUNTA ¿En qué punto de la neurona el potencial escalonado será

más intenso, A o B? Sobre la CU!Va del gráfico, marque y rotule las localizaciones apropiadas de Ay B.

Pote'ncial iiscalonado por d~ del umbrnl

Tiempo Potencial escalonado por encima del umbral

mFIGURA 8-8 Potenáales escalonados subumbrales y supraumbrales en una neurona En (a) el potencial escalonado se encuentra por debajo del valor umbral de -55 mV cuando alcanza la zona gatillo. En (b) el potencial escalonado está por encima del Valor umbral cuando alcanza la zo.na gatillo.

8 FIGURA 8-7 Los potenáales escalonados disminuyen en intens~dad a medida que se propagan desde el punto de origen

1. Pérdida deamiente. Algunas de las cargas positivas se filtran

hacia atrás a través de la membrana a medida que la onda de despolarización se propaga a traVés· de la célula. La membrana en el merpei Celul
no axónico y la primera porción del axPn, región conocida como segmento inidal (véase Fig. 8-2). En las neuronas sensitivas, la zona gatillo está inmediatamente. adyacente al receptor, donde las dendritas se unen con el axón.

,,fté,i/1 S 1ó N ,,-~, -10.

Identifique las zonas gatillo de !as neuronas que se muestran en la figura a:.3, siempre que.sea posible. Respuerta en la p. 289

La zona gatillo es el centro integrador de la neurona y contiene alta concentractón de canales de Na+ regulados por voltaje en su membrana. Si los potehcialeS escalonados que alcanzan lazona gatillo despolarizan la membrana hasta el voltaje umbral, estos canales de Na"" se abren y se inicia un potendal de acción. Si la despolarización no alcanza el umbral, el potendal escalonado simplemente desaparece a medida que se mueve por el axón.

Como la despolarización hace que una neurona esté miis pro- · lo no es lo suficientemente intenso como para despolarizar lacépensa a disparar un potendal de acción, los potenciales escalonalula hasta el umbral en la zona gatillo y el potendal escalonado dos despolarizan tes se consideran exdtatnrics. El potencial escalodesaparece sin disparar un potencial de acción. · nado hiperpolañzante aleja el potendal de m!!Illbrana del valor La figura ~b muestra un estímulo !nidal miis intenso que umbral y :reduce la probabilidad de que la neurona dispare un polnida una despolarización más fuerte y finalmente produce un tendal de acctón. En consecuencia, los potenciales escillonados potendal de acción. Aunque este potencial escalonado inhibitohipetpolarizantes son considerados inhibitarios. rio también disminuye con la distanda a través de la neurona, su La figura 8-8 E!l muestra una neurona con tres electrodos de te· intensidad inicial miis alta asegura que se encuentre por encima gistro colocados a intervalos a lo largo del merpo celular y lazo. del umbral en la zona gatillo. En este ejemplo, se dispara un pona gatillo. En la figura ·s.,sa, un único estímulo dispara un potentencial de acción. da! postsináptico exdtatorio subumbral, que se encuentra por debajo del umbral para el momento en que· alcanza la zona gatillo. Los potendales de acción recorren largas distandas Aunque la célula está despolarizada a -40 mV en el sitio donde sin perder intensidad comienza el potendal escalonado, la corriente disminuye a mediLos potenciales de acción, también conocidos como espigas, da que discurre a través del merpo celular. En consecuencia, el difieren de los potenciales escalonados en que no disminuyen en potencial escalonado se encuentra por debajo del umbral para el intensidad a medida que viajan a través de la neurona. La capadmomento en que alcanza la zona gatillo. (En la neurona típica de dad de una neurona para responder rápidamente a un estímulo y znarnft'ero, el umbral es aproximadamente de-55 mV.) El estímu-

1

258

Capftulo 8 Neuronas:. propiedades celulares y de las redes

Señales éléctricas en las neuronas los canales de Na~ regulados por voltaje, lo que hace que la membrana sea mucho más permeable al Na+, Como el Na+ está más concentrado fuera de la célula y dado que el potencial de membrana negativo en el interior de la célula atrae estos iQnes con car· ga positiva, el Na+ fluye hacia el interior de la célula. El agregado de una carga positiva al liquido intracelular despolariza la membrana celular, y la vuelve progresivamente máS positiva {lo que se muestra en la fase de crecimiento abrupto del gráfico®). En el terdo superior de la fase de crecimiento, el potencial de membrana ha invertido la polaridad; es decir, el interior de la célula se ha vuelto más positivo que el exteriot Esta inversión está representada en el gráfico por la sobreestimulación (oversfwot), la porción del potencial de acción pOr encima de OmV. Tan pronto como el potencial de membrana de la célula se vuelve positivo, la fuerza impulsora eléctrica que mueve el Na+ hada el interior de la célula desaparece. Sin embargo, el gradiente de concentración de Na+ permanece, de modo que el Na+ sigue entrando en la célula. Como la permeabilidad al Nat sigue siendo alta, el potendal de membrana intenta alcanzar el pqtencial de equilibrio del Na+ <Er.al; de +60 mV. (Recuerde del capíhllo 5 que E¡.¡. es el potencial de membrana al cual el movimiento de Na+ hada el interior de' ción, como se vio en la figura S.Sb. Esto.s potenciales de a·.c.dón requieren sólo dos tipos de canales iónicos con compuerta: un ca· la célula a favor del gradiente de concentradón se contran:esta·con na1 de Na+ regulado por voltaje y un canal de K+ regulado por vol· · el potencial de membrana positivo (~p. 163.) Sin embargo, antes de alcanzar el E¡.¡., se derran los canales de Na+ en el axón. La pertaje, más algunos canales permeables.'¡ . Pero -el proceso del señallzadón eléctrica en el SNC puede ser meabilidad al sodio disminuye drásticamente y el potendal de acmucho más complejo. Las neuronas encefálicas muestran difeción alcanza un picó a +30mV®. La fase de caída del potencial de acci6n se corresponde con rentes "personalid_ades eléctricas" que disparan potenciales de acción según distintos patrones, a veces sin íequerir un estímulo exun aumento de la permeabilidad del K+, Los canales de K+ regulatemo que los lleve al umbral. Por ejemplo, las neuronas pueden dos por voltaje, al- igual que los de Na+, comienzan a abrirse E!!l ser tónícamente activas (m p. 192) y disparar trenes regulares de respuesta a la despolarización. Pero las compuertas de los canales de K+ se abren de forma mucho más lenta y el pico de la permeapotenciales de acdón (marcapasos en salvas) o pueden mostrar explosiones, salvas de potendales de acdón que alternan ritmicamen- bilidad al K+ se produce más tarde que el de la permeat¡illdad al te con intervalos de quietud (marcapasos rftmitos). Estos diferentes Na+ (Ftg. 8-9, gráfico inferior). Para el momento en que se abren patrones de disparo son creados por variantes de canales fónicos los canales de K+, el potencial de membrana de la célula ha alcancuyos voltajes de activación e inactivadón, velocidades de apertu· zado +30mV debido a la entrada de Na+ a través de los canales de ra y cierre, y sensibilidad a los neuromoduladores difieren. Esta va· Na+, que se abren más rápido. riabilidad hace que las neuronas encefálicas sean más dinámicas y Cuando los canales de Na+ se cierran en el pico del potencial complicadas que la simple neurona motora som~tica que utilizarede acción, los canales de K+ acaban de abrirse, lo que toma a la . membrana muy permeable al K+, Con el potencial de membrana mos como nuestro modelo en la explicadón que sigue. positivo, los gradientes de concentración y eléctrico para el K+ fa. vorecen el movimiento de K+ hada afuera de la célula. Amedida Los potendales de acdón representan el movimiento que el K+ sale de la célula, el potencial de membrana se tomarádel Na+ y el K+ a través ~e la membrana pidamente más negativo, por lo cual el potencial de acción.® enLos potenciales de acción se producen cUando se abren los catra en la fase de -caída y se aproxima al potencial de reposo. nales iónicos regulados por voltáje; lo que altera. la permeabilidad Cuando el potencial de membrana que cae alcanza -70 mV, de la.membrana al Na~ y al K+. La figw:a 8-911 muestra los camlos canales de K+ regulados por voltaje aún no se han cerrado. El bios de voltaje y de permeabilidad aJos iones que ocurren en una potasio sigue abandonando la célula a través de los canales regusección de la membrana durante un potencial de acción. El gráfilados por voltaje y los canales permeables de K+, y la membrana co puede dívidirse en tres fases: la fase de crecimiento del potense hiperpolarlza aproximándose al Eg de -90 inv. Esta poshipercial de acción, la fase de cafda y la fase de poshiperpolarizadón. polarizaci6n ·® también se denomina: undershoot (subestimulaAntes y d~spués del potencial de acción, en® y®, la neurona esción) Una vez. que los canales de K+ regulados por voltaje lentos tá en su potendal de membrana en reposo de -70 mV: finalmente se derran, se detiene algo de la salida de K+®. La re-tendón de K+ y el pasaje· de Na+ hada el interior restauran el poLa fase de crecimiento del potencial de acción se debe a un autendal de membrana de -70 mV®, valor que refleja la permeabimento transitorio súbito en la permeabilidad de la célula al Na+. lidad en reposo de la célula al K+, el Cl- y el Na+, El potencial de acción comienza cuando un potencial escalonado Para resumir, el potencial de acción es un cambio e~ el potenalcanza la zona gatillo ® y despolariza la membrana haSta el umda! de membrana que ocurre cuando se abren los canales iónicos bral (-SS mV) ®. A medida que la célula se despolariza, se abreri disparar un potencial de acción se denomina excitabilidad de la célula. Los registros de los potenciales de acción,,de las neuronas muestran despolarizaciones de una amplitud de alrededor de 100 mV. La intensidad del potenctal escalonado que inicia un potencial de acción no tiene ninguna influencia sobre la amplitud del potencial de acción. Los potenctales de acctón a veces se denominan fenómenos de todo o nada porque ocurren como una des. polarización máxima (si el estímulo alcanza el umbral).o no ocurren en absoluto {si el estímulo se encuentra por debajo del umbral). Un potencial de acción medido en el extremo distal del axón es idéntico al potencial de acctón que comenzó en la zona gatillo. Esta propiedad es esencial para la transmisión de sefiales en largas distancias, como desde el pulpejo de un dedo hasta la· médula. espinal, La explicación del disparo del potencial de acción que sigue es típica de lo que sucede en las neuronas del SNP. En este mecanfs. mo simple pero elegante, por cuya descripción A. L. Hodking y A. F. Huxley ganaron un premio Nobel en 1963, un estímulo supraumbral (por encima del umbral) produce un potencial de ac·

259

Potencia! de membrana en reposo Estimulo despolarizante

la membrana se despolariza hasta el umbral. Los canales de Na+ regulados por voltaje se abren y entra Na+ a la célula los canales de !(+ reguladOs por voltaje comienzan a abn"rse lentamente. La entrada rápida de Na+ despolariza la célula.

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11 FIGURA 8-9 Potendal de acdón

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regulados por voltaje de la mem~ana, lo que aumenta la permeabilidad de la célula, primero al Na+ y luego al K+, El influjo (movimiento hada el interior de la célula) de Na+ despolariza fa célula. Esta despolarización es seguida por el eflujo de K+ (movimiento hacia el exterior de Ia célula), que restablece el potencial de membrana en reposo en la célula.

Los canales de Na+ en el axón tienen dos

compuertas Un interrogante· que asombró a los científicos durañte muchos años fue de qué modo los canales de Na+ regulados por voltaje podrían cerrme cuando la célula estaba despolaiízada. ¿Por qué estos canales debían cemusef- si la despolarización era el estímulo pata la apertura de los canales de Na+? Después de muchos años de estudio, descu~rieron la respuesta. Estos canal~ de Na+ regulados por volta-

je tienen dos compuertas para regular el movimiento iónico, en lugar de una úni.ca compuerta. las doS compuertás, denominadas compuertas de activación y de inactivactón, se mueven hacta atrás y adelante pata abrir y cerrar el canal de Na+, Cuando una neurona se encuentra en su potendal de membtana en reposo, la compuerta de activación del canal.de Na+ es-tá cerrada y el sodio no atraviesa el canal (Fig. S-lOa m). la compuerta de inactivactón, al parecer una secuencia de aminoáddos semejante a una bola y una cadena en el)ado citoplasmático del canal, está abierta. Cuando se despolariza la membrana celular que está cerca del canal, la compuerta de activación se abre (Fig. 8-lOb). Esto abre el poro del canal y permite que el Na+ se mueva hada la célula a favor de su gradiente electroquímico (Fig. 8-lOc). El agregado de una carga positiva despolariza más el interior de la célul~ y comienza un bucle de retroalimentación positiva ( ~ p. 199) (F¡_g. 8-lllfl). Se abren más canales de Na~ y entra más sodio,

1

capítulo 8 Neuronas: propiedades ceh.!lares y de !as redes

260

{a} En el potencial de membrnna en reposo, la compuerta de activación cierra el canal.

1

(e)

Gon la compuerta da activación abierta, entra Na+ a la célula. \'

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Señales eléctricas en las neuronas

mFIGURA 8·10 Modelo de canal de Na+ regulado pOr voltaje

•

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Los insecticidas en base de piretrina, derivados de los crisantemos, inutilizan las compuertas de_ inactivadón de Jos canales de Na+ de modo que !os canales permanecen abiertos. Eñ las neuronas envenenadas con pire1rlnas,.¿cuál seria su predicción con respecto a Jo que ocurriría con el potencial de membrana? Explique su respuesta.

12. Cuando las compuertas de los canales de Na+ regresan a su posición original, ¿la compuerta de activación se está abriendo o cerrando? ¿la compuerta de inactivadón se está abriendo o cerrando? Respuestas en la p. 289

Los potenciales de acción no se c(isparan durante el periodo refractario absoluto (e) Durante la repolarizaclón causada por el ~ que sale de !a célula,

las dos CQmpuertas retom_an a sus posiciones originales.

I:~~;@W?t~~;qWt~-11$li!st~~,,~~~~::

La característica diferencíadora de este car¡a! ~s la presencia de dos compuertas: una de act1Vación y una de in¡¡ctivación.

lo que despolariza más a la célula. Mientras la cél3lla permanece despolarizada, las compuertas de activación en los canales de Na+ continúan abiertas. Como sucede en todos los bucles de retroalimentación positiva, se necesita una intervención externa para detener la despolarización creciente de la célula. Esta intervención externa depende de las compuertas de inacttvadón en los canales de Na+. Tanto las compuertas de activación como de inactivación se mueven en respuesta a la despolarizadón, pero el movimiento. de la compuerta de inactivación está atrasado 0,5 m/seg. Durante ese lapso el canal de Na+ permanece abierto, lo que permite que el influjo suficiente de Na+ origine la fase ascendente del potencial de acción. Cuando finalmente se cierra la compuerta de inactivación más lenta (Fig. 8-lOd), se detiene el influjo.de Na+ y el potencial alcanza un pico. Mientras la neurona se repolariza durante la salida de K+, las compuertas del canal de Na+ regresan a sus posiciones originales para poder responder a la despolarizactón siguiente (Fig. S-lOe). De este modo, los canales de Na+ con compuerta de voltaje utilizan un proceso de dos pasos para la apertura y el cierre, en lugar de una compuerta única que oscUa·.hacta atrás y adelante. Esta importante propiedad permite conducir las señales eléctricas a lo largo del axón sólo en una direcdón, como se verá en la siguiente secdón.

La doble compuerta de los canales de Na+ desempeña un papel importante en el fenómeno conocido como periodo refractario. El adjetivo refractario proviene de una ·palabra latina que significa "obstinado". La "obstinadón" de la neurona se refiere al hecho de que, una vez que ha comenzado el.potencial de acción, no se puede disparar un segundo potencial de acción durante unos 2 m/seg. no importa cuán grande sea el estimulo. Este peñodo se denomina periodo refractario absoluto (Fig. 8-12 Ef) y representa el tiempo necesario para que las compuertas del canal de Na+ retomen a sus posiciones de reposo. El peñodo refractario absoluto asegura que no ocurra un segundo potencial de acción antes de que haya terminado el primero. Los potenciales de acción no

261

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delcanaldeNa+,mas!enta, t : se cierra (véase Rg. 8-10). [ 1

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61 FIGURA 8-11 Movimiento íóníco durante un potendal de acdón la entrada de Na+ en !a célula crea un bucle de retroalimentación positiva que se detiene cuando se cierran !as compuertas de inact!-

vación del cana! de Na+.

se pueden superponer y na pueden viajar de forma retrógrada debida a sus perfodas refractarias.

La intensidad del estimulo es codificada por la frecuencia de los potenciales de acción

Al período refractario absoluto le sigue el período refractario Una característica que distingue 3. los potenciales de acción es relativo. Durante el período refractario relativo, se necesita un que todo potencial de acción en una neurona dada será idéntico potencial escalonado despolarizante más intenso que el normal .para superar el umbral y el potencial de acción será más p~queño a cualquier otro en esa neurona. Para que esto sea así, ¿de qué modo la neurona transmite la información acerca de la intensique uno normaL Durante este peñodo, muchas coñiPuertas de dad y la duradón del estímulo que inició el potencial de acdón? los canales de Na+, pero no todas ellas, han retomado a sus posiLa respuesta no es la amplitud del potencial de acción sino la freciones original.es y una despolarización adecu,ada las abrirá.-1quecuencia de propagación del potencial de acción. llos canales de Na+ que no han retomado totalmenté a su pOsiUn potendal escalonado que alcanza la zona gatillo no suele ción de reposo pueden ser abiertos por·un potencial escalonado desencadenar un solo potencial de acción, sino que, aunque apemayor de lo normal. nas alcance el umbral, desencadenará una salva de potendales de AdE!más, durante el período refractario relativo los canales de acdón (FJg. S.13a !!a). Si el potendal escalonado aumenta en in* K+ siguen aún abiertos. Aunque el Na+ puede entrar a través d!;! los tensidad (amplitud), se incrementa la frecuencia de los potencia. canales de Na+ recién abiertos, la despolarización debida al ingreles de acctón disparados (en potenciales de acción por segundo) so de Na+ será superada por la pérdida de K+. En consecuencia, (Fig. 8-13b), cualquier potencial de acción que se dispare tendrá una amplitud La cantidad de neurotransmisor liberado en la terminadón menor de lo normal. axónica está directamente relacionada con la cantidad total de El peñodo refractario es una característica clave que distingue potenciales de -acción que llegan a la terminación por unidad de los potenciales de acdón de los potenciales escalonados. Si dos estiempo. En general una salva de potenciales de acctón que llegan tímuios-al~ las dendritas de una neurona en un breVe períoa la terminación produce un aumento de la liberación del neurodo, los potenciales escalonados sucesivos creados por esos estímutransmisor, como se muestra en la figura 8-13. Sin embargo, en allos se pueden ir agregando. Sin embargo, si dos potenciales escalogunos casos de actividad sostenida la liberación de neurotransminados supraumbral alcanzan la zona gatillo del potencial de acción sor puede disminuir porque el axón no es capaz de reponer con dentro del período refractario absoluto, el segundo potencial escasuficiente rapidez sus reservas de neurotransmisor. lonado será ignorado porque los canales de Na+ están inactivados y no pueden ser abiertos nuevamente tan pronto. Los períodos refractarios limitan la velocidad con la cual se El potenda/ de acdón no altera los gradientes de pueden transmitir señales a través de una neurona. El período concentración de los iones refractario absoluto también asegura el viaje unidireccional del Como acabamos de saber, un potencial de acción es el resulpotencial de acdón desde el cuerpo celular hasta la terminatado de los movimientos fónicos a través de la membrana de la ción axónica, al impedir que el potencial de acción viaje hada neurona. Primero el Na+ entra en la célula y luego el K+ sale de atrás. ella. Sin embargo, es importante comprender que la cantidad de

1

262

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Señales eléctricas en las neuronas los canales de Na+ retoman a !a posición origir.al mientras que !os canales de K+ permanec(ln abiertos

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· (a) El estímulo débil ka poco netJrotrarisnilsor.

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¡¡¡¡ AGURA 8-13 Codificadón para intensidad del estimulo . Todos los potenciales de acción de una neurona son idénticos; por lo tanto, la lnténsidad del estfmu!o está indicada por la frecuencia de disparo de los potenciales de acción. Los estímulos más intensos liberan más neurotransmisor en la sinapsis.

~ Fi..· Li\>.;.,.;).J

neurona sin una bomba Na+-K+ funcional puede disparar mil potendales de acción o más antes de que ocurra un cambio significatiVo en los gradientes iónicos.

1

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Tiempo(ms)

m1 FIGURA &-12 Periodos refractarios

Durante el período refractario absoluto, ningún estímulo puede disparar otro potenCial de acción. Durante el período refraC!:ario relativo, sólo un estímulo mayor de _lo normal puede iniciar un nuevo potencial de acción. Si un canal de un tipO· especifico se encuentra en una fase deterrilinada la mayoría de los canales estarán asf. Cuando hay más de un "tipo de canal, la p(;blación estará dividida entre distintos estadios. iones que se mueven a través de la membrana en un potencial de acción simple es muy pequeña, de modo que las concentradanes relativas de N~ y K+ dentro y fuera de la célula se mantienen esencialmente sin Ínodifkaciones. Por ejemplo, sólo 1 de cada 100 000 iones K+ debe abandonar la célula pára desplazar el potencial de la niembrana desde +30 hasta -70 mV, equivalente a la fase de caí· da del pot~dal de acdón. La pequeña cantidad de iones que cru· zan la membrana durante un potencial de acdón no modifica los gradientes de concentración del Na+ y el K+.

Nonnalmente, los iones que se mueven hada adentro y hada afuera de la célula durante los potenciales de acción se restablecen rápidamente a sus compartimentos originales por la Na+-K+ATPasa (también conodda como la bomba Na+-K+). La bomba utiliza energía proveniente del A1P para intercambia'r el Na+ que entra en la célula por el K+ que se escapó de ella ( lii,! p.l43). ¡Pero, no es necesario que ocurra este intercambio antes de que dispare el si· guiente potencial de acd6n, porque el gradiente de concentraci6n Mni~ ·cono se after6 significativamente por 1m solo potencial de acd6nl Una

R E.V'Is 1 ó N :<:,A~ á Si se coloca ouabafna, un inhibidor de la bomba Na~­ <~-·;' K+, en una neurona y luego se !a estimula repetidas

veces, ¿qué espera ver que suceda con Jos potenciales de acción generados por esa neurOna? a) Cesan de inmediato. b) No existe ningún efecto inmediato, pero disminu· yen con el tiempo y finalmente desaparecen. <:})Se hacen más pequeños inmediatamente, luego se estabilizan con una amplitud menor. · d) La ouabaína no tiene ningún efecto sobre !os pa.. tendales de acción. Respuesta en la p. 289

Los potenciales de acdón son Conduddos desde la zona gatillo hasta la terminación axónica El movimiento de alta velocidad d~ un potendal.de acción a través del axón se denomina conducción. La conducción representa el flujo de energia eléctrica deSde_ una parte de la célula a otra en un proceso que repone constantemente la energía perdi·

da. Por esto, un potencial de acción no pierde intensidad en todo su traJ,ecto como le ocurre al potencial escalonado.· Para ver por

qué el potencial de acdón que alcanza el extremo de un ix:ón es idéntico al potendal de acción que comenzó en la zona gatillo debemos examinar la conducción a nivel celular. La despolarización de una sección del axón hace que los iones positivos se propaguen a través del citoplasma en todas direcciones pór un flujo de corriente local (Fig. 8-141i). Simultáneamente, en el exterior de la membrana axónica la corriente fluye de

Flujo de corriente local

Sección despo!kizada_del axón U FIGURA &-14 Flujo de corriente local

Cuando una sección del axón se despolariza, las cargas positivas se mueven por flujo de corriente local a las secciones adyacentes del citoplasma. S
Señales eléctricas en !as neuronas 264

265

capftulo 8 Neuronas: propiedades celulart!s y de las redes

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Uo po.tencial escalonado . . por encima de! umbral --S? alcanza la zona gatillo. ----·-~r,~~---

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forma retrógrada hacia la sección despolarizada. El flujo de co-rriente local en el citoplasma ,.disminuiría con la distanda y final· . mente desaparecería. Pero el axón está bien provisto de canales de Na~ regulados por voltaje. Siempre que_ una despolarizadón los al· canza, esos canales se abren, lo que pennite que el Na+ entre en la célula y refuerce la despolarización. Este mecanismo inida el bucle de retroalimentació~ positiva qU:e se muestra en la figura 8· 11. Veamos cómo fundona esto cuando un potendal de acción comienza en la zona gatillo del axón. El estímulo es un potencial escalonado supraumbral que entra en la zona gatillo (Fig. &.15 ffil, úl). La despolarización abre·Jos canales de Na+ regulados por voltaje, el Na+ entra en el axón y el segmen· to inicial del axón se despolariza®. La carga positiva desde la zona gatillo despolarizada se propaga hada las secciones adya¡;;entes de la membrana®, repelida por el Na+ que entró al citoplasma y atraída por la carga negativa del potencial de membrana en reposo. El flujo de corriente local hada la tenninadón axónica (a la derecha en la figura 8-15) comienza la conducdón del potencial de acdón. Cuando la membrana distal a la zona gatillo se despolañza, sus canales de Na~ se abren, lo que permite que el Na+ entre en la célula @. Esto comienza el bucle de retroalimentación positiva: la despolarización abre los canales de Na+, el Na+ entra en la célula, produce más despolarización y abie n;tás Canales de Na+ en la membrana adyacente. La entrada continua de Na+ en el axón hada la tenninadón axónica hace que la intensidad de la señal no disminuya a medida que el potencial de acdón se propaga. (Compárese con los potenciales escalonados de la figura 8-7, en los cuales·el Na~ entra sólo en el punto del estímulo, lo que produce un cambio con el potencial de membrana que pierde in· tensidad en la distancia.) A medida que cada segmento del axón alcanza el pico del potendal de acdón, sus·canales de Na+ se inactivan. Durante la fase

de caída del potencial de acción, se abren los canales de K+, lo que permite que el K+ abandone el dtoplasma. Finalmente, los canales de K+ se cierran y la membrana en ese segmento de axón retoma a su potencial de reposo. Aunque la carga positiva desde un segmento despolarizado de membrana puede fluir hada atrás hada el cuerpo celular @, la despolarización en esa dirección no tiene ningún efecto. La sección del axón proximal a la región activa se encuentra en el período refractario absoluto, y sus canales de Na+ están desactivados; por lo tanto, el poWncial de acción no puede propagarse hacia atrás. ¿Qué sucede con el flujo de corriente hada atrás desde la zona de disparo al cuerpo celular? Solíamos creer que ~tían pocos canales iónicos regulados por voltaje en el ruerpo celular, de modo que el flujo de corriente retrógrado podía ser ignOrado. Perc,> hoy sabemos que el ruerpo celular y las dendñtas tienen canales ióoicos regulados por voltaje y pueden responder al flujo retrógrado de car· ga de los potenciales de acción. Estas señales retrógradas pueden influir y modificar la siguiente señal que alcanza la célula. Cuando hablamos sobre los potenciales de acdón es importante darse cuenta de que el potencial de acción no es uno solo ·. que se mueve a través de la célula. El potencial de acción que se ; · produce en la zona gatillo produce un efecto del tipo de primera de una serie de fichas de dominó paradas. Cuando la pñmera fi.. · cha de dominó cae golpea a la siguiente y le pasa su energía dné- • ti ca. Cu~do cae la segunda ficha pasa la energía cinética a la ter- ·. • cera y aSí sucesivamente. Si usted pudiera tomar una instantánea de la linea de fichas de dominó que caen, verla que a medida que la pñmera ficha llega al reposo en la posidón de caída, la siguiente está casi abajo, la tercera en su mayor parte del camino hada abajo, etc., hasta que alcanza a la ficha de dominó que acaba de ser golpeada y está comenzando a caer (Fig. S.16a 0).

1

{a) la transmisión de los potenciales de acc!ón puede compararse con una "instarrtanea" de fichas de dominó que caen, donde cada ficha de dominó

El flujo de CQrriente focal desde la tegión activa hace que nuevas secciones de la membrana se despolaricen.

está en una posición diferente.

--~;¿;;;,"~·~~~--

(b} Los registros simu!táneos muestran que cada sección de! axón está experimentando una fase diferente del potencial de acción.

Se han colocado electrodos a lo largo del axón.

Región refractaria

Áeg!óri lnacliVa.:

0®®®®®0®®@@ ' ' . ' 1::: , 1

ti

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PREGUNTA ' 1

Relacione !os segmentos de la neurona en el recuadro inferior de la figura con !a/s fwús correspóndlente/s: a) axón proximal (azu~ b) periodo refractario absoluto (rosa) e) región acfiva (amariio} d) período refractario relativo {Vklleta) e) reglón inactiva distal (azu~

11

1. fase de crecimiento del potencial de acción 2. fase de caida del potencial de acdón 3. poohipe;po!arización 4. potencial en reposo

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J B FIGURA 8·15 Conducción

de potendales de acáón

l$l FI~URA

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- - Tiempo-----+

8-16 Potenciales de acdón a lo largo de un axón

Potenciales de membrana registrados simultáneamente en cada electrodo

266

De la misma fonna, por el axón desdende una onda de potenciales de acción. El potencial de acción es. simplemente una representación del potencial de membrana en un segmento dado de la membrana celular en un momento dado. Amedida que la energía eléctrica del potencial de acción pasa desde una parte del axón a la siguiente, el estado de energía se refleja en el potencial de memtnana de esa región. Si inSertamOS una serie de electrodos de registro a lo largo de la longitud de un axón y enviamos una señal eléctrica en la zona gatillo, veremos una serie de potenciales de acción que se superponen en diferentes partes de la onda, al igual que las fichas de dominó que están congeladas en diferentes posiciones (Fig. 8-16b). ""'Rg,YISIÓN ,\';'14. Si se coloca un electrodo en el centro de un axón y se

1

Señales eléctricas en fas neuronas ,. 267

capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

despolariza artificialmente la célula por encima del umbral, ¿en qué dirección viaja un potencial de acción: hada la terminación axónica. hada el cuerpo celular o hada ambos? Explique su respuesta. Respuesta en la p. 289

Las neuronas más grandes conducen más rápid.o tos potendales de acdón Dos parámetros físicos clave influyen en la velocidad de con: ducdón del potencial de acción en una neurona de mamífero: 1) el diámetro del axón y 2) la resistencia de la membrana di!l axón al escape de iones hada afuera de la célula. Cuanto más grande es el diámetro del axón o más resistente a la pérdida la membrana, más rápido se mueve el potencial de acción. Para comprender la relación entre diámetro y conducción, piense en un tubo de agua y el agua que fluye a través de él. El agua que toca las paredes del tubo enruentra resistencia debido a la fricción entre las moléculas que fluyen y las paredes estacionarias. El agua en el centro del tubo no ena.tentra ninguna resistencia-directa de las paredes y, por Jo tanto, fluye más rápido. En un tubo de diámetro grande la fracción de agua que entra en contacto con las paredes es menor, lo que torna más baja la resistencia total. Las cargas que fluyen en el interior de un axón enruentran una resistenda de la membrana similar. Por lo tanto, cuanto mayor es el diámetro del axón, menor es su resistencia al flujo iónfco. La conexión entre el diámetro del axón y la velocidad de conducción es especialmente evidente en: las células nerviosas de los animales invertebrados, como el calamar y los gusanos de tierra. . Los axones gigantes de estos organismos, utilizados para respuestas de escape rápido, pueden tener l;lasta 1 mm de diámetro (Fig. 8-17a m). Su gran diámetro hace que estos axones puedan punzarse fáCilmente con electrodos y los estudios de estas especies han sido muy importantes en el desarrollo de nuestro conocimiento de la seña:lizad~n eléctrica. Los axones de diámetro mayores para conducción rápida se encuentran principalmente en los ani· males con sistemas nerviosos pequeños. Si se compara un corte transversal de un axón del calamar gigante con un corte transVersal de un nervio de mamífero, se ena.tentra que el nervio de mamífero contiene unas 200 neuronas en una sección de igual área (Fig. 8-17b}. Si cada uno de estos 200 axones fuei:a tan grande como el axón del calamar gigante, ese nervio debería tener 16 cm de diámetro, ¡demasiadO grande para nuestro cuerpo! Los sistemas nerviosos complejos empaquetan·

(a) Los axones grandes ofrecen menos resistencla al flujo de corriente, pero ocupan espacio.

Poxón del calamaf Q¡gante

Un axón

g!ganteda

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-o,al!'lm de diámetro

Vaina de miel!na dega_nerada

{b) Los pequeños axones mie!fnicos conducen !os potenciales da accl6n con tanta velocidad como

los g¡andes axones amielfnicos.

8 FIGURA ~18 Conducdón saltatoria (a) los potendales de acción parecen saltar de un nodo de Ranvier al siguiente. (b) En las enfermedades desmielinlzantes, la conduc· dón se hace más lenta debido a !a pérdida de corriente fue~a de fas regiones previamente aisladas entre los nodos.

S! 20 axones m!elítlicos de mamffero en el nervio anterior tuvieran cada uno el tamaílo dO ori axón da! calamar gigante, el nervio tendría este tamaño.

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o ¡-16mm....¡

mFIGURA 8-17 Diámetro del axón y veloddad de conducción más axones en un nervio pequeño cambiando axones de diámetro grande por axones de diámetro más pequeño envueltos en membranas aislantes de mielina.

La conducción es más rápida en tos axones mielínicos La conducción de los potenciales de acción a lo largo del axón es más rápida en los axones de resistencia alta, en los ruales la

pérdida de corriente hada afuera ~e la célula está minimizada; El axón sin mielina (amielínico) que se muestra en la figura 8-1.\._tie-. ne baja resistencia a la pérdida de corriente porque la totalidad de la membrana del axón está en contacto con el líquido extrácelular y tiene canales iónicos a tzavés de los cuales. puede escapar la _ coulen~ Por el contrario, los axones mielinizados o mielinicos limitan la cantidad de membrana en contacto con el líquido extracelular. En estos axones, pequeñas secciones de membrana des. nuda -los :qodos de Rimvier- alternan con segmentos más largos envueltos en múltiples capas de membrana (la vaina de mielina). "ta vaina de mielina crea una pared de alta resistencia que impide que los iones salgan del dtoplasm
nes mielínicos ocurre sólo en los nodos. Cada nodó tiene una alta concentración de canales de Na+ regulados pÓr voltaje, que se abren con la despolarización y permiten que el Na+ entre en el axón. Los iones de sodio qúe ingresan a un nodo refuerzan la despolarización y mantienen la amplitud del potendai de acción constante cuando pasa de_ un nodo al otro. El salto aparente. de un potencial de acción de un nodo al otro se denomina conducción saltatoria. ¿Qué vuelve más rápida la conducción en los axones mielínlcos? La apertura de los canales hace ligeramente más lenta la conducción. En los axones amíelínicos, los canales deben abrítse en todo el camino a lo lazgo de la membrana axónica para mantener la ampli,tud del potencial de acción. En los axones m.lelfnicos, sólo los nodos necesitan canales de Na+ pOr las propiedades aislantes de Ia membrana de'mielina. Amedida que el potencial de acción pasa a lo largo de los segmentoS mielínicos, la conducdón no se enlentece por la apertura de canales. Por lo tanto, la cónducción saltatoria es una alternativa eficaz a los axones de gran diámetro y permite potenciales de acción rápidos a trnvés de axones pequefios. Un axón mielfnico de rana de

1

Z68

Señales eléctricas en !as neuronas

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de !as redes

10 ¡un de diámetro conduce los potenciales de acción a la misma velocidad que un axón amielínico de calamar de 500 ¡un. Por lo tanto, la corriente eléctrica fluye a través de diterentes axones a diferentes velocidades, en función de dos parámetros: el diámetro del axón y su mlelinizadón.

(a} Cuando e! K~ sangufneo se encuantra en e! Intervalo norma! (normopotasemia), un potencia! escalonado subumbra! no dispara un potencia! de acc16n.

R.Eif 1S 1Ó N · ~ 15. Coloque las siguientes neuronas en orden según su ve!oddad de conducción, desde la mas rápida hasta la más lenta:

~

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a) axón mie!!nico, di
1

E

¡L_l

(b) En la nomiópotasem!a, un estímulo supraumbral (por encima del umbra!) disparará un potencia! de acción.

{e) La hiperpotasemia, concentrac!ón sanguínea de K+ aumentada, lleva a la mem* brana más cerca del umbral. Mora un estímulo que normalmente sería subtlmbral pueda disparar un potencia! da acción.

{d)

269

La h!popotasem!a, concentra~ ción sangufnea de K+ disminuida, hiperpolariza la membrana y· reduce !a probabilidad de qua !a neurooa d'rspara un potencial de accrón en respuesta a un estímulo qua normalmente estaña por encima del umbral.

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i ~ ·-·[J~~i... ~ $_*70

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~ Tiempo~

La actividad eléctrica puede ser alterada por distintos factores químicos

0 FIGURA 8-19 Efecto de la concentradón extracelufar de potasio sobre la exdtab;Jidad de las neuronas

Distintas sustancias quimicas alteran la conducd.ón de los potendales de acdón al unirse a los canales de Na+, K+ o ('.a2+ en ia membrana de la neurona. Por ejemplo, algunas nem·)toxinas se unen a los canales de Na+ y los bloqllean. LÓs anestésicos locales como la procaína, que bloquean la sensibilidad, funcionan de la misma forma. Si los canales de Na+ no soil funcionales, el Na+no puede entrar en el axón. En consecuencia, una despolarlzad~n que comienza en la zona gatillo pierde intensid?d a medida que desdende por el axón, de forma muy similar a un potencial escalonado normal. Si la onda de despolarizadón alcanza la terminación axónica, pÚede llegar demasiado débil para liberar neuro.

~ente-(~n~~-~a~ér1icos~. E!átó~ tis-~ ~Ofganis~O idé~ para llevara cabo estos ex_peyimentos. _Es p~qu~ñ_o, 'relativamente económico y tiene ·una expectativa de vida cOrta.-Adeinás,_sus .. prOéeSOs_ bi~l~gicos ~ii sirlii!áréS a-~~~ de_!Os Ser_es_-_huma~ós_Y e_l. genoma, del__ratón puede ser manipui~_Cio f!(TI_nlenté.:me~iante · t'ecnol_oglas de _ingenierfa g_enétka.= ,. ~--_.=_:=.·; ;_·-_\ ·:-· ,:- _· -_-: ·. ,_ .__ :: ~ · · -. Pa~.-aprender más, lea lo~_artkulos en_~f·_n_~m_ero .esP~i~f~b_rf!_-' · gen\:!m
ae

En la hiperpotasemia (e), la membrana se despolariza y la célula se toma más excitable. Con hipopotasemia (d), la membrana se- hi· perpolariza y la célula se torna menos excitable.

transmisor. En consecuencia, el mensaje de la neurona presjpáptica no pasa a la célula postsináptica. · Las alteraciones en las concentraciones de K+y de Ca2-ten ellí* quid o extracelular también se asocian con una actividad eléctrica anormal en el sistema nervioso. La relación entre las concentradones de K+ en el líquido extracelular y la conducción de poten· ciales de acción es la más clara y más fácil de entender, y es una de las más importantes desde el punto de vista clínico. La concentración de K+ en sangre y líquido intersticial es el principal determinante del potencial de reposo de todas las célu* las. Si la concentración de K+ en la sangre está fuera del intervalo · normal de 3,5-5 mmol!L, el resultado ~erá un cambio en el pOtencial de membrana en reposo de las célUlas (Fig. 8-19la). Este cam-. bio no es importante para la mayoría de las células, pero puede tener graves conseruendas para el organismo debido a la reiación existente entre el potencial en reposo y la excitabilidad de los te· jidos nervioso y muscular. En las concentraciones normales de K+, los potenciales escalonados subumbral no disparan potenciales de acción y los potenciales escalonados supraumbral sí lo hacen (Fi.g. 8-19a, b). Un aumento en la concentración sanguínea de K+ -hiperkalemia (hiper-, por encima; kale, potasio; -emía, en la sangre) o hiperpota~ semia- aproxima el potencial de membrana en reposo de una neurona al valor umbral y hace que las células disparen potenciales de acción en respuesta a potenciales escalonados más pequeños (Fi.g. 8-19c). Si ·la concentración sanguínea de K+ Cae demasiado bajo (hipokalemia o hipopotasemia), el potencial de membrana en reposo de las células se hiperpolariza, y se aleja más del valor ·umbtal. En este caso, un estímulo suficientemente intenso como para disparar un potencial de acdón cuando el potencial en repos? son los -70 mV normales no alcanza el valor umbral (Flg.

8* 19d). Este trastorno muestra debilidad porque las neuronas que controlan los músculos esqueléticos no están disparando normalmente.

1

270

Comunicación intercel!.itar en el sistema nervioso

capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Fil FIGURA 8-20 Una sinapsis La hipokalemia y la debilidad muscular resultante constituyen quimica una razón de por qué se desarrOllaron las bebidas 'Cieportivas com. la terminación axónlca contiene p!ementadas con Na+ y K+, como GatoradeTM. Guando las perso. nas sudan en exceso, pierden tanto agua como sales. Si reempla. · mitocondrias y vesículas sinápti· cas llenas de neurotransmisor. la zan esta pérdida de líquido por agua pura, el K+ que queda en la membrana postsináptlca posee sangre se diluye y se produce bipokalemia. Al reemplazada pér· receptores para el neurotransdida de sudor por una soiuctón salina diluida, un individuo puede impedir las-caídas potenctalmente peligrosas de las concentra-· misor que difunde a través de la dones sanguíneas de K+. Debido a la importanda del K+ para la hendidura sináptica. functón normal del sistema nervioso, el cuerpo re~a las concentraciones sanguíneas del K+ dentro de un interValo estrecho. Explicaremos el papel importante de los riñones en el mai,J;tenimiento del equilibrio ióníco en el capítulo 19. '

r

cy,ffi Un potencial de acción desporañza fa terminación ax:ó~c:,; .•_,_

!_f~ la despolarización abre los canales - da Ca2+ regulados por voltaje y al ea:2+ entra en !a célula.

Terminación axónica

' La entrada de calcio d'¡spara.la exocitos!s i@ J del contenido d~~la:..~.~~ sináptica.

®B neui-otransmisór ~¿~~-~través la y se une con receptores de

~endldura s!náptlca

sobre la c.étu!a postsináptica.

COMUNICACIÓN INTERCELULAR EN EL SISTEMA NERVIOSO

J?Jú'ú~ón del neurotransmisor inicia

una respuesta en la cétu!a posts;náptioa

El flujo de información a través del sistema nervioso por medio de señales eléctricas y químicas es una de las áreas más activas de investigación actual en neurodendas. La especificidad de la comunicación nerviosa depende de varios factores: las moléculas de señal secretadas por laS neuronas, los receptores de .las células diana para estas sustancias químicas y las conexiones anatómicas.entre las neuronas y sus puntos diana, que ocurren. en regiones conocidas como sinapsis.

1

li!l FJGURA 8-21

La información pasa de una célula a otra

en la sinapsis Cada sinapsis tiene dos partes: 1) la terminación axónica de la ce1ula presináptica y Z) la membrana de la célula postsfnÍíptica (Fig. 8-ZO !1). En un reflejo neural, la información pasa de la célula presináptica a la célula postsináptica. Las células postsinápticas pueden ser neuronas o células no neuronales. En la mayoría de las si· niipsis neurona-neurona, las terminaciones axónifas Presinápti· · cas están próximas a las den(_~ritas o el cuerpo celulaÍ de la neurona postsináptica. En general, las neuronas postsinápticas con muchas dendritas también tienen ~uchas sinapsis. Una cantidad regular de sinap-

271

receptores

siSes de lÓ 000,-pero se calcula que algunas células del encéfalo ¡tienen 150 000 sinapsis o más sobre sus dendritas! También pueden producirse sinapsis sobre el axón e incltW> en la taminación axónica de la célula postsináptica. Las sinapsis se clasifican como eléctricas o químicas de acuerdo con el tipo de señal que pasa de la célula presináptica a la postsináptica. · Sinapsis eléctricas Las sinapsis eléctricas pasan una señal eléctrica o corriente, directamente desde el citoplasma de una célula a otra a través de las uniones en hendidura. La información pue.. de fluir. en ambas direcciones a través de las uniones en hendidu: ra. Las sinapsis eléctricas, se presentan principalmente en el SNC. También se han hallado en las células cte·Ia glía, en los músculos liso y-cardíaco y en células no excitables fiue utilizan seííales eléc. ~kas, como las células beta del páncreas. La ventaja principal de las sinapsis eléctricas es la rápida conducción de señales desde una célula a otra, que sincroniza la actividad en una red de células. Las uniones en hendidura también permiten que las mo!éculas de señales químicas difundan entre cél~as adyaéentes. Sinapsis químicas La gran mayoría de las sinapsis en el sistema nervioso son sinapsis qulmicas, que utilizan neuro~misores para transmitir informactóil. de una célula a la siguiente. En las sinap;is químicas, la señal eléctrica de la célula presináptica se convierte en una señal química que cruza la hendidura sináptica entre la neurona presináptica y su punto diana. La combinación del

neurotransmisor con su receptor sobre la célula postsináptica ini· da una respuesta eléctrica o activa una vía de segundos mensaje-ros (~p. 180). · {' La síntesis de neurotransmisores puede ocurrir en el cuerpo de laS células nerviosas o en la terminación axónica. Pero las terminaciones axónicas no poseen los orgánulos necesarios para la síntesis de proteínas por lo que los neurotransmisores polipeptidicos y las enzimis protei.~ necesarias para el metabQlismo en la ter· minadón axónlca deben elaborarse en el cuerpo celular. Las enZimas disueltas son llevadas hasta las terminaciones axónicas por transporte axónico lento, pero los neurotransmisores, que se .con- · sumen más rápidamente que las enzimas, son movilizados en vesículas por transporte axónlco rápido. j · Cuando examinamos la temJ.41ación axónica de una célula presiriáptica con el microscopio electrónico, encon~amos muchas vesículas sinápticas y mitocondriás grandes en el citoplasma (Fig. 8--20). Algunas Vesículas están "ancladas" en zonas activas a lo largo de la membrana más cerca de la hendidura sináptica, esperando una seftal para liberar su contenido. Otras vesículas actúan como un pool Oe reserva y se agrupan cerca de los sitios de anclaje. Cada vesícula contiene neurotransmisor que es liberado · a demanda.

-~e:~ISIÓN c::··i:.:-i:·. 16. ¿Qué orgánulos son necesarios para sintetizar protef-

\':-''

nas y em¡)aquetar!as en veslculas?

·

17. ¿Cuál es la función de las mitocondrias en una célu!a? 18. ¿Cómo llegan las mitocondrias a las terminaciones axónicas? Respuestas en la p. 289

Eventos en una sinapsis

El caldo es la señal para la liberación del neurotransmisor en la sinapsis

1

La liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica ocurre por exocttosis. Hasta donde sabemos, la exocttosís en las neuronas es similar a la exodtosis en ótros tipos de células, como }as células beta del páncreas descritas en el capítulo 5 (.¡pjp, 166). l Las neurotoxinas que bloquean la liberación de neurotransmisotes, . entre ellas_ las toxinas tetánica y botulínica, ejercen su acción inhi· hiendo proteínas especificas del aparato exodtósi.co de la célula.) La figura 8--21 mmuestra cómo sOn liberados los neurotransmisores por exocitosis. Cuando la despolarización de' un potencial de acción alcanza la terminación axónica
272

alejadas de los sitios activos (véase Fig. 8-24). Pero se ha propuesto un segundo modelo de secreción. En este modelo, denominado la patrón "besa y corre", las vesículas sinápticas s~fusionan a mem· brana presináptica en un complejo denominado poro de fusión. F.sta fusión abre un pequéño canal que es tan sólo lo suficientemen· te grande como para que atraviese el neurotransmisor. Luego, en lu· gar de agrandar el áíea fusionada e incorporar la membrana de la vesícula a la membrana celular, se retira del poro de fusión y retom·a al pool de vesículas en el citoplasma.

REVISIÓN

..... " ..19. En un experimento sobre la transmisión sináptl
1

Comunicación intercelular en el sistema nervioso

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Las neurocrinas transmiten información de las neuronas a otras células ¿Qué son las moléculas señal neurocrinas que liberan las neuronas? Su composición química es variada y pueden fÜndonar como neurotransmisores, neuromoduladores o neurohormonas ( i1lll p. 176). Los neurotransmisores y neuromoduladores actúan como señales pa~acrinas, y sus células diana están localizadas cer· ca de la neurona que los secreta. En cambio, las neurohormonaS_ son ~ecretadas en la sangre y se distribuyen en todo el cuerpo. Én general, los neurotransmisores actúan en una sinapsis y producen una respuesta rápida. Los neuromoduladores actúan tanto en ~tios sinápticos cqino no sinápticos y_ tienen una acción más' lenta Algunos neuromoduladores y neurotransmisores también actúan sobre la célula que los secreta, lo que los convierte tanto en señales autocrinas .como en paracrinas. La cantidad de moléculas-identificadas como neurotransmisores y neuromoduladores es grande y crece constantemente,

273

\~~:;~ij~~~~~~· _.i:tf=··)~inc_ipales neurocrinas VESÍCULAS SINÁPTICAS CON PA'IRÓN "BFSÁ Y CORRE"

SUSTANOA QUfM!CA

REO:PTOR

TIPO

LOCAUZAOÓN DEL RECEPTOR

las vesículas sinápticas en la terminación axónica proviénede una combinación de estudios de electrofisiO!og!a_y"exaffien mi~ croscópico. Ha sido-diffcn·seguir el p~O_ce_sO. dinálniéo-de !a eXO:. citosis mediante microscoPia. La iniCrÓscopiá .électró.nica se reali· za en uri vacío, de modo que sólo sé puede-eStudiar tejido muerto y fijado, las células vivientes pü$den ~diárse m&liaii· te tnicroscopia óptica, pero la méjor ·res~luCÍón obteriib!e es demasiado baja como para mostrar detalles finoS: Sin- énlbarQo, una nueva técnica denominada rni~piúlefuerZa a~'. mica perffiite a los cientfficos observar la secred_ón en _las célu~ las vivas. con la rilicrOSC'Opia de ftJElrZa ~tómica, ioS-_!nvestig~-~·0:­ res han observado una nueva estructUra de_ inembraria, !:!1 poro de fusión, que parece_ estar formadO- ¡:i0r".iictj0.3'y protefnaS:.d_e acoplainiento. los poros de fusión son _elerile_ntos dave .en el . patrón "besa. y corre", en el cuai tas vesfCU!as sinápti~-se u~en a la meffibrana celu!_ar.sólo el ~enlpo'.sufi~i_ent~.airrió p_úálibe-. rar su contenido, Se·vierOnpof()sde.fusión en·c~!u!ás__ end_~ñ~ nas _Y éxocrinas Yen el tejido ilervi~sO, Ío que suii_~ie ci~e, su presencia pue_de·ser es~ncial en .!odas. 13s fomias .de· ~eér~dó_~~: Para aprender más. acerca de ios poros de tusió_~-y Ot)se~ar_ imá-~ genes computarizadás ccÍn l'(li.cr'os~?P;ia de .~erza ató~i~, léáse_ ~Fusion poTe_in live celis", ·Né~ln Phf$iol~g~ia!_Sden~5- · · 17:219·222, dicieffibre de 2002 (Wvffl.niPs._Org) ·

Acetilcolina {ACh)

Colinérgico Nicotfnico

JCR** {Na+, K+)

Músculos esqueléticos, neuronas au- Nicotina: agonista; curare, (l·bungarotoxina: antagonistas · tónomas, SNC -

Muscarínko

GPCR

Músculo liso y cardíaco, glándulas endocrinas y exoainas, SNC

Musau:ina: agonista; .atropina: antagonista

GPCR

Músculo liso y cardíaco, glándulas endocrinas y exoaiÍlas, SNC

a: Prazosina (Minipress®);

SNC

Agentes antipsicóticos: antagonistas; bromocriptina: agonista

Amlnas

Noradrenallna (NE)

Adrenérgko (a,~)

~:

proprano!o!

Oopamina {DA)

Dopamina {D)

Serotonina (S·hidroxitriptamina, 5-Hl}

Serotoninérgico (S.HT) 101 {f!a+, K+) GPCR

-SNC

Sumatriptán: agonista lSD: antagonista

Histamina

Histamina (H)

SNC

Ranitidina (Zanta&) y dmetídina (Tagame~): antagonistas

GPCR

GPCR

Aminoácidos

Glutamato

1notróp1co g!utaminér· gico AMPA

!CR (Na~, K+)

SNC

NMDA

!CR (Na~, K\ (al+)

SNC

GPCR

SNC

Glicina: potencia.dor

GABA (ácido ')'"aminobu- GABA (GABAA' GABAg) t(rico)

!CR (Cti

SNC

Plcrotoxina: antagonista; alcohoL ba~itúricos: potendadotes

Glicina

Glicina

!CR(C!-)

SNC

Estrirnina: an_tagonisti

Purina (P)

GPCR

SNC

Ninguno

NIA

NIA

dón enzimática simple que tiene lugar en la terminación axónica (Fig. 8~22 ffi). Las neuron~ que secretan ACh y los receptores que se unen a ella se describen como colinérgicos.

Amh1as Los neurotransmisores amínicos, al igual que las horma· nas amínicas (&!'p. 222), derivan de aminoácidos. El aminoáci. do titosina es convertido en dopan:Íina, noradrenalina y adrenalina. Estas tres neurocrinas también fundonan como neurohormonas cuando son secretadas por la médula suprarrenal ( ~ El sistema nervioso secreta distintas neurocrinas Fig. 11·10 p. 385). El conjunto de n~as del cuerpo es verdaderamente Las neuronas que secretan noradrenalina se denominan asombroso (cuadro 8-411). -Pueden agruparsé en siete clases según neuronas adienérgicas o,.más conecta.mente, neUIOnas norasu estructura: 1) aci!til¡;olina, Z)' aminils, 3) aminoácidos; 4) ptiridrenérgicas. En la primera parte del siglo xx, los investigadores nas, 5) gases, 6) pé¡)tidos y 7) lípidos. Las neuron·as del SNC libeQritánicos pensaban que las neurorias simpáticas secretaban ran muchos neurocrinos diferentes_, que incluyen algunos poliadrenalina (epinefrina), de a1ú el adjetivo adrenérgicas. Aunque péptidos conoddos principalmente· por su actividad hormonal nuestro conodmiento ha. cambiado, el nombre persiste. Siem~ En cambio, el SNP secreta sólo tres neurocrinas principales: los pre que usted vea la referenda al "control adrenérgko" de una neUrotransmisores acetilcolina y noradrenalina y la neurohormofundón, debe relacionarlo con una neurona que secreta nora· na adrenalina. drenalina. Otros neurotransmisores am.ínicos son la serotonina (taro· Acetilcolina La acetilcolina (ACh)i una clase química por sí sola, bién denominada 5-hidroxjtriptamina o 5-H1), elaborada a partir es sintetiZada a partir de colina y acetilcoenzima A(acetilCoA), la del aminoáddo triptófano, y la histamina, elaborada a partir de colina esJina molécula pequeña que sé encuentra también en los la histidina. Todos los neurOtransmisores aniínicos son activos en fosfolípidÚs de membrana. La acetilCoA es el intermediario metael SNC. Además, la noradrenalina es el prindpal neurotransmisor bólico entre la glucólisis con el ciclo del ácido cítrico ( g¡¡¡ p. 107), de !a división simpática autónoma periférica. La síntesis de ACh a partir de estos dos precursores es una reac-

AGONISTAS O.AVE, ANTAGONISTAS y POTENCIADORES*

La mayor parte de !o que conocemos acerca de la !iberadóil de-

Metabotrópico g!uta· m!nérgico

GPCR

PurlnaS

Adenosina Go,..

Óxido nftrico (NO)

•Esta lista no lnduye muchas sustancias qtúm!cas que se utillzail como agonlst!s yantagonistas en Investigación fulológ!ca. Pata revisa! la potendactón, véase p.

m

.

.

"'1CR"' cinal iónlco.receptor, GPCR = r«eptor asociado a la proteína G; A.\!PA =áddo «.amlno-3-hldroXI.S.meti!-4-lso:Wol proplónloo; NMDA =N-metll·IJ..as. part¡to¡ lSD = dietllamina del k!do llsérg!oo; N/A =no aplicable.

1. ;

274

Comunicación Intercelular en el sistema nervioso

capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

1.

\1'0 La acetilcolina (ACh) se forma a

1 partir de colina y~.~

(~ 812~~~u~sl~;:~~Ch es ' -.degradada rápidamente por !a enzima acet1co!lnesterasa.

<@ La C))!ina es tmnsportada de regreso hacia la terminación axón!ca y es utilizada para formar más ACh. .'

1

,

Aceti!collnesterasa (AChE}

Célula posts!náptlca

Bi FIGURA 8-22 Síntesis y reddado de atetilcolina en una sinapsis

transmisor excitatorio del SNC y el aspartato cumple la misma función en regiones seleccionadas del cerebro. El principal neur(}< transmisor ínhibitorio en el en.céfalo es el ácido -y.a.minobutírico {GABA). El aminoácido glicina también se considera inhibitorio, aunque puede Unirse a un tipo de recéptor de glutamato y ser excitatorlo~ I.a.glidna es el principal neurottansm.iSor inhibitorio de la médula espinal.

Aminoácidos Por lo menos cuatro aminoácidos funcionan como neurotransmisores en el SNC. El glutamato es el principal neuro-

,.

Péptidos El sistema nervioso sécreta distintos péptidos-que actúan como neurotransinisores ·Y neuromoduladores además de funcionar como neurohormonas. Estos péptidos incluyen la sus· tanda P, involucrada en algunas ~ del dolor, y los péptidos oploides (encefalinas y endorfinas) que median la analgesia (an·, sin; algas, dolor). Los péptidos que funcionan como neurohOnnonas y como neurotransmisores son co/eéistodnina (CCK), vasapresil!a y péptido natriurética atrial. Muchos neu_rotrarismisores p~tí· dicos se secretan junto con otros- neurotrM.mrusores. PÚrinás La adenosina, el adenosinmOtw{osfato (AMP) y el adenosin· trifosfato (ATP) pueden actuar como neurotransmisores. Estas moléculas, conocidas en conjunto como purinas (~p. 33), se unen a receptores purinérgícos en el SNC y sobre otros ~jid~ excitables, como el co:razón.

·

Gases Uno de los neurot:ransmisores más interesantes es el óxido nltrico (NO), un.gas inestable sintetizado a partir de oxígeno y el aminoácido arginina. El óXido nítrl€0 que actúa como netuó-"' transmisor difunde libremente en una célula diana en lugar de unirse a un receptor de la membrana (~p. 187). Una vez dentro de la célula diana se une a las proteínas. Con una vida medía de

275

tan sólo 2-30 segundos, el óxido nítrico es evasivo y dificil de estudiar. Thmbién es liberado por células qUe no son neuronas y a ;menudo actúa como paracrino. La investigación reciente sugiere que el mmu5xido de carbono {CO), conocido como un· gas tóxico, es producido por el orgarns.. mo en pequeñas cantidades pata servir como neurotransmisor. Lfpidos Los neurocrinos lipídicos incluyen varios eicosarioides ( ~p. 29) que son los ligandos endógenos para los receptJJres de cannabinoides. El reCeptor de cannabinoldes CB1 se encuentra en el encéfalo¡ el receptor CBz se encuentra en las células inmunita· ñas. Los receptores recibieron ese nombre. por .uno qe sus ligan· dos exógenos, el LV'-tetrahidrocannabinoide (THC),-que proviene de la planta Cannabis saliva, más comúnmente conocida como marihuana. -

Múltiples tipos de receptores amplifican los efectos

de los neurotransmisores Todos los neurotransmisores excepto el óxido nítrico tienen uno o más tipos de receptores a los cuales se unen. Cada tipo de receptor puede tener varios subtipos, una propiedad que le permi· te a un n\!urotransmisor tener dif~entes efectos en diferentes tejidos. Los subtipos de receptores se-distinguen por combinaciones de suQíndices de letras y números. Por ejem¡}lo, la serotonina {S. H1) tiene al menos 20 subtipos de receptores identificados, que . incluyen s.mu. y s-HT4• • Los recePtores -de los neurotransmisores entran en dos de las categorías de receptores de la menibrana que fueron explicadas . en el capítulo 6 ( p. 179): cahales iónicos regulados por ligan· do y receptores asociados a la proreina G {GPGR).!J,os receptores que alteran la función de los Canales tónicos se llaman receptores ianatr6picos, mientras que aquellos que ejerc~ sus acciones a tra. vés de sistemas de segundos mensajeros se denominan receptores metabatrópicos. Algunós GPCR metabotrópicos regulan la ap~­ ra o el .cietre de los canales tónicos:) · · El estudio de los neurotransmisores y sus receptores se ha sj.mplificado mucho gracias a dos adelantos en la biología molecular. Se han donado los genes para muchos subtipos de receptores, lo que permite a. los investigadores crear receptores mutantes y estu· . diar sus propiedades. Además, los investigadores han descub_ierto o sintetizado distintas moléculas agonistas y antagonistas que imitan· la actividad de los neurotransmisores o la inhiben al fijar. se a. los receptores ( Jiii p. 189). El cuadro· 8-4 incluye descripciones de los tipos de receptores y algunos de sus agonistas o antagonistas.

ª

Receptores colinérgkos Los receptores colinérgi.cos tienen dos subtipos principales: nicotínicos, que reciben este nombre porque la nicotina es su agonista, y musca.rínicos, para los cuales la muscaritm, un compuesto hallado en algunos hongos, es su agonista. Los receptor~ colinérg:lcos nicotínicos se encu~tran en el músculo esquelético, en la diyisión autónoma del SNP y en el SNC. Los receptores nicotínicos son canales catiónicos monovalentes a través de los cuales puede pasar el Na"'" y el K"'". L1 entrada de Na+ en la célula excede la salida de K"'" porque el gradiente elec· troquímico para el Na+ es mayor. En consecuencia, la entrada ne--

ta de Na+ despolariza a la célula postslnáptica y hace más probable que dispare un potencial de acción. Hay cinco subtipos relacionados de receptores colinérgi€Os muscarirucos. Todos están aSociados con las proteínas G y ligados a sistemas de segundos mensajeros. La respuesta tisular a la activación de un receptor muscarínico varía según el subtipo de receptor. Estos receptores están en el SNC y en la división parasim· pática autónoma del SNP. Receptores adrEnérgicos Los receptores adrenérgicos se dividen en dos clases; « (alfa) -y~ (beta), con múltiples subtipos de cada uno de ellos. Al igual que los receptores colinérgicos muscarínicos, los receptores adrenérgicos están asociados a la proteína G e inician cascadas de seguildoS mensajeros. En efecto, fue la acción de la adrenalina sobre los ~receptores en el ~do del perro lo que condujo a E. W. Shutherland al descubrimiento del AMP ddico y al concepto de sistemas de segundos mensajeros como transductores de mensajeros extracelulares (mil p. 183). Las dos clases de receptores adrenérgicos funcionan a través de diferentes vías de segundos mensajeros.

'R.i~'l S 1Ó N -i ·

20. Cuando las compañ!as farmacéuticas diseñan fármacos, íntentan hacer que un agente dado sea tan especifico como sea posible para el subtipo de receptor particu· lar al que está dirigido. Por ejemplo, un fánnaco podrfa estar dirigido a! receptor adrenergico ~ 1 ·más que a todos los receptores adrenérgkos «y p.?¿Cuá! es la ventaja particular de esto? Respuesta en la p. 289

Receptores glutamínérgicos El glutamato es el principal neurotransmisor exdtatorio del SNC y tambíén actúa como neuromodulador. La acción del glutamato en una sinapsís depende del ti· po de receptor que presenta la célula diana. Los receptores glutaminérgicos metabotrópicos actúan a través de GPCR. Dos receptores glutaminérgicos ionotrópicos son canales receptores; los receptores del NMDA reciben ese nombre por el agonista glutami· nérgico N-metil-0-aspartato y los receptores AMPA reciben ese

1

276

Comunicación intercelular en el sistema nervioso

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

277

@~ ~~rotransmi~~~ pueden ser

retomados a !as terminackmes axónk:as para ser reutmzados o transportados hacia

el interior de las células de la glía

~¡.)Los neurotransmisores

pueden difundlr

fu~ de la hendldura.sináptica. .

mFIGURA 8-24/nact~dón de Jos neurotransmisores

1 mi FIGURA 8·23 Respuestas rápida y lenta en las células postsinápticas

Algunos neurotransmisores crean respuestas rápidas y de corta acción al abrir directamente los canales iónicos. Otros neurotransmi· seres crean respuestas más lentas y de mayor duración al activar sistemas de segundos mensajeros.

nombre por su agonista el ácido a-amino·3·hidroxi·S..metilisoxazol· 4-propi6nial.

Los receptores AMPA son canales de cationes monovalentes regulados por ligando similares a los canales colinérgicos nicotí· nicos. La unión del glutamato abre el canal y la célula se despo. lariza debido al influjo neto de Na•. Los receptores NMDA son i:Ílusuales por varias razones. En primet lugar, son canales catiónicos que permiten que Na+, K+ y eat~- atraviesen el canal. Segundo, la apertw:a del canal requiere tanto la fijación de glutamato como un cambio en el potencial de membrana. EL canal del .receptor NMDA es bloqueado por unión magnesio (Mg2+) en los potenciales de membrana en reposo. La·

unión del glutanlato abre l.it cqmpuerta regulada por ligando, pe· ro los iones no pueden pasar .el Mgt~-. Pero si la célula se despola· riza el Mgl+ que bloquea el- canal es expulsado y los iones fluyen a través del poro {véase Fm. 8--30).

No todas las respuestas postsinápticas son rápidas y de corta duradón Cuando un neurotranSiilisor se combina con su receptor pone en movimiento una serie de respuestas en la célula postsináp· tica (fig. S..231li!). En la respuesta más simple, el neurotransmisor se une a un canal·reeeptor sobre la célula postsináptica y lo abre,

lo cual produce el movimiento de un ión entre la célula postsi· náptica y el líquido extracelular. El cambio resultante en el poten· dal de membrana se denomina pot~dal sináptico rápido por· que comienza rápid3mente y sólO dura algunos milisegundos. Si el potencial sináptico es Qespolarizante, se denomina potencial postsináptico eXdtatorio (PPSE) porque aurt1enta la probabili· dad de que la célula dispare un potencial de acción. Si el poteil· cial siná.ptico es hipezpolarizante, se denomina potencial postsi· náptico inhibitorio (PPSI) porque la híperpolarización aleja el potencial de membrana del umbral y reduce la probabilidad de que la célula dispare un potencial de acción. En las respuestas postsinápticas lentas, l9s neurotransmisOres se unen a-receptores asedados a prote1nas Gligados a sistemas de segundos mensajeros. Los segundos mensajeros pueden actuar desde el lado dtoplasmático de la membrana celular para al;r.tix o · cerrar canales tónicos. (Los potenciales sinápticos rápidos siempre abren canales iónicos.) Los potenciales de membrana resultantes· de este proceso se denominan potenciales sinápticos lentos porque·et método del segundo mensajero tarda más en crear una respuesta; Además, la respuesta propiamente dicha dura más tiem· po, habitualmente segundos a minutos. Las respuestas postsinápticas lentas no se limitan a alterar el estado de apertura de los canales iónicos. La activación por los neu· ro!IansmisOres de los sistemas de segundos mensajeros también puede modificar las proteínas celulares existentes o regular la pro... ducción de nuevas proteínas celulares. Este tipo de respuesta lenta ha sido ligada al crecimiento y el desarrollo de las neuronas y a los mecanismos que subyacen en la memoria a largo plazo.

La actividad de los neurotransmisores termina rápidamente

una característica clave de la señalización neural es su corta

duración,, que se logra gradas a la rápida eliminadón e inacti.va·l· ció.n del neurotransmisor en la hendidura sináptica. Esto se pue· de lograr de distintas formas .(Fig. 8·24 ID). Algunas moléculas de : neurotransmisor simplemente dliunden lejos de la sinapsis, sepa· rándose de los receptores. oti:os neurotransmisores son inactivados por las enzimas en la hendidura sináptica. Muchos neurotransmisores son eliminados dellí<juido extracelular por el trans· porte retrógrado hacia la célula presináptica o hada las neuronas o las células de la glía adyacentes. Por ejemplo, la acetilcolina (ACh) en ellfquido extracelular es degradada rápidamente por la enzima acetilcolinestérasa (AChE) en la matriz extracelular Yen la membrana de la célula postsináptica {véase Fig. 8·22). La colina proveniente de la ACh degradada es transportada activamente en forma retl:ógrada hacia la terminación axónica presináptica y utilizada para elabo. rar nueva acetikolina para volver a llenar las vesículas sinápti· cas recicta9as. Por el contrario, la acción de la noradrenalina en el tejido dla. na termina cuando el neurotransmisor es transportado activamente de nuevo hacia la terminación axónica: presináptica. Una vez que se enéuentra de nuevo en la terminación axónica, la noradrenallna es reernpaquetada en vesículas o degradada por enzi. mas intracelulares como la mcmoaminaoxidasa (MAO), que se en· cuentran en las mitocondrias.

-:,:

/J,~·;

"!511\Ev 1S 1óN =::;v21. Una clase de agentes antidepreSivos se denomina inhi· bidores selectivos de la recaptadón de serotonina (JSRS). ¿Qué hacen estos agentes con la actividad de la serotonina en !a sinapsis? Respuesta en la p. 230

278

Integración de fa transferencia .de la Información neura!

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

iNTEGRACIÓN DE lA TRANSfERENCIA DIE lA INFORMACIÓN NEUAAL

'···'·

''"

----'"'

.. -..

--.--

-

._.

--

-.

·:

{a} En-u~_vfa-_CÍiver9e~e. Una neurona preslriáptica se ramifica para -: ~-~f~ ~na_ cantl~?tl rilayor:
-¡ '1

!

Tradicionalmente, los científicos consideraban a las sinapsis químicas como sitios de comunicación unidirecciop.al, y todos los mensajes pasaban de una célula presináptica a o~ postsináptica. Ahora sabemos que no siempre sucede así. En el encéfalo, existen algunas sinapsís en las que las células a ambos lados de la hendidura sináptica liberan neurotransmisor que actúa sobre la célula opuesta. Tal vez lo más importante es que hemos aprendido que muchas células postsinápticas urespondenn a sus neuronas presinápticas enviando neuromoduladores que se unen a receptores presinápticos. Examinemos algunas de las fonnas en que se comunican las vías nerviosas complejas.

,f

279

REVISIÓN En la figura &-27b, dé por sentado que la neurona postsiná¡rtica tiene un potencial de membrana en reposo de-70 mVy un umbral _de-55 mV. Si la neurona· presináptica inhibitoria crea un PPSI de 5 mVy !as dos neuronas presinápticas exdtatorias tienen PPSE de 10 y 12 mV, ¿disparará la neurona postsináptka un pcr tendal de acción? 23. En los gráficos de la figura 8-28, ¿por qué no cambia el potencia! de membrana al mismo tiempo que el es· timulo? ·

Respuestas en la p. 290

O-'

~

La actividad sináptica también puede ser modulada

en la terminación axónic:a

Las vías neurales pueden abarcar muc:has neuronas simultáneamente La comunicación entre las neuronas no siempre es un acontecimiento uno a uno. A veces una sola neurona presináptica se ta· mifica y sus colaterales hacen sinapsis sobre múltiples neuronas diana Este patrón se conoce como divergencia (Fig. 8-ZSa m). Si una cantidad mayor de neuronas presinápticas proporciona aterendas a una cantidad menor de neuronas postsinápticas, el pa· trón se conoce como convergencia (Fig. 8·25b). La combinación de convergencta y divergencta en el SNC puede conducir-a que en una neurona posf:Sináptica se establezcan sinapsis provenientes de hasta 10.000 neUronas presinápticas {Fig. 8·261i). runa ventaja de la conva-gencta en el sistema nervioso es que Iasa!erencias provenientes de múltiples origenes pueden influir en las eferencias de una única célula postsináptica. Cuando dos o más neuronas presinápticas convergen sobre las dendritas o el cuerpo celular de una única célula postsináptica, la respuesta de la célula postsináptica estará determinada por las aferencias su· madas provenientes de las neuronas presinápticas.~i todos los es· tímulos crean potenciales postsinápticos exdtatorios (PPSE) subumbrales, éstos pueden sumarse para crear un potencial su· praumbral en la zona gatill'La iniciación de un potencial de ac* ción de varios potenciales escalonados simultáneos es un ejemplo de suma espacihl)La palabra espacial se refiere al hecho de que los potenciales escalonados se originan en diferentes localizado.. nes (espacios) sobre la neurona. La figura S..27aliil muestra ]a suma espacial ruando tres neuronas presinápticas excitatorias convergen sobre una neurona post· sináptica Cada PPF.S es demaSiadó débil como para disparar un lil FIGURA 8--25 Convergenáa y dívergenda potencial de acción por sí solo, pero si tres neuronas disparan si· multáneamente, la suma de los tres-PPSE es supraumbral y crea un potencial de acctón. consecuencia, ningún potencial de acción pasá !a zona gatillo] fSe puede producir inhibición postsináptica cuando una neu· La suma de los potenciales escalonados no siempre requiere roni presináptica libera un neurotransmisor inhibitorio sobre aféiendas provenientes de más d~ una neurona presináptica. Dos una célula postsináptica y altera su respues~ La figura S..27b muestra!. tres neuronas, dos excttatorias y uná inhibitoria, que · Potenciales escalonados subumbrales provenientes de la misma neurona presináptica pueden sumarse si llegan a la zona gatillo lo convergen sobre una célula postsináptica. Las neuronas disparan suficientemente próximos-entre ellos en el tiempo. La suma que y crean un potencial postsináptico inhibitorio (PPSI) y dos poten· ocurre de los potenctales escalonados que se superponen en el ciales escalonados excitatorios que se suman a medida que alean. tiempo se denomina suma temporal Veamos el modo en que es· zan la zona de disparo. El PPSI contrarrestra los dos PPSE y crea to puede suceder. una sefial integrada que se encuentra por debajo del umbral. En

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Todos los ejemplos de modulación que acabamos de explicar tuvieron lugar en el lado postsináptico de una sinapsis, pero la ac~ tividad de las células presinápticas también se puede alterar. CUando una neurona moduladora (mhibitoria o exdtatoria) llega a una terminación axónica .de una célula presináptica o próxima a ella, la-suma de sus PFSE o PPSI con el pqtencial de acciór; que alcanza la terminación crea una modulactón presináptica.\Si la actividad en la neuiona moduladora disminuye la li'beractón del neurotransmisor, la modulación se denomina inhibid6n presináp. tica)Fig. 8·29a m). En la fadlitadán presináptica, las aferendas mo-l!il AGURA 8--26 La abundanda de sínapsis sobre una neuro· dúfudoras aumentan la liOeradón del neurotransmisor por lacéna postsináptica lula presináptica. . El cuerpo celular y las dendritas de una neurona motora somá* (La modulación -presináptica proporciona un medio de control tica están prácticamente cut rel="nofollow">iertos por cientos de terminaciones · más preciso que la modulación postsináptica) Si la reactividad de - axónicas desde otras neuronas. una neurona se modifica en las dendritas y el cuerpo celUlar; to.. das las células diana de la neurona se afectan por igual (Fig. g.. ia figura 8-28a ti1 muestra los registros provenientes de un 29b). Por el contrario, la inhibición presináptica sobre una neuelectrodo colocado en la zona gatillo de una neurona. Un estímu* rona divergente permite la modulación seleciiva de lOs colatera* lo (X1) comienza un potencial escalonado subumbral sobre el ·1es y sus puntos diana (Fig. S..29a). Una colateral puede ser ifihi.. cuerpo celular en el momento marcado sobre el eje x. El poteil· bida mientras que las otras se mantienen inalteradas. dal escalonado alcanza !a zona gatillo y la despolariza, como se La actividad sináptica también puede modificarse cambiando muestra en el gráfico (A1). Más tarde se presenta un segundo. estí· · la reactividad de la célula diana al neurotransmisor. Esto se puemulo (XJ y ·ru potencial escalonado subumbral ~~ alcanza lazo.. de lograr cambiando la identidad, la afinidad o Ja cantidad de rena gatillo un poco después del primero. El intervalo entre los dos· ceptores de neurotransmisores( Los moduladores pueden modifi* estímulos es tan prolongado que los dos potenciales escalonados car todos estos parámetros influyendo en 1~-.....s~tesis de enzimas, no Se.superponen. Ninguno de los potendales por si sólo se en~ transportadores de membrana y receptores.¡La mayoría de los cuentrá por encima del umbral, de modo que no se dispara nin* neuromoduladores actúan a través de sistemas de segundos men· gúrl potencial de acción~ sajeros que modifican las proteínas existentes, y sus efectos duran [jn la figura 8-28b, los dos estímulos se presentan tÍlás próxi· mucho más que los de los neurotransmisores.' mos entre ellos en el tiempo. En consecuencia, los dos potencia· ,t_:!} les escalonados subumbrales llegan a la zona. gatillo casi al mismo 6~;1J;€;V 1S 1 ó N tiempo. El segundo potencial escalonado agrega su despolariza· f{;:-[:~§24. ¿Por qué las terminaciones axónkas se denominan a "'-1t veces ~transductores biológicos~? ctón a la del primero, y hace que la zona gatillo se despolarice] Respuestas en la p. 2!10 En muchas situaciones, los potenciales escalonados en una neurona incorporan tanto suma tep1poriil como espadal. La su· ma de los potenciales escalonados confirma una propiedad clave La potenciación a largo plazo modifica de las neuronas: Ia in~grad6n postsináptica. Cuando m~tiples se-la comunicación sínáptíca fiales a1cani.an una neurona, la integradón postsináptica permite Dos utemas candent~~ de la new:obíología actual son lapoque la neurona evalúe la intensidad y la duración de las sefiales. tenciación a largo plazo (potentia, poder) y la áepresWn a largo Si la seftal integrada resultante se encuentra por enctma del um~ plazo, procesos en los .cuales la actividad en una sinapsis induce bral, Ja neurona dispara un potencial de acción.

1

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

280

Integración de !a transferencia de la información neura!

281

Í (a) ~ !3 fnh!bicióri presiná~ca, una neU~ona mOct~laQora ha_ce ~inapsls sobre una co!at~ de !~ neurona presináptica e inhibe selectivamente un punto diana. . · .. - _ • • ·

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11

@rres n~~~~~;¡¿;~~ disparan. Od

us potenciales escakmaiios parado se encuentran por

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del umbral.

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Terminación axónica

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los potenciales escalonados llegan a !a zona gatillo juntamente y se suman creando una señal supraumbral.

"'"'",;,'@'®

@Se gen;;;;;t;;~¡~-d~ acción.

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Neurona inhibitoria ~-

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Potenclal de acción

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Sin respuesta

·o~ Respu6Stá:

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Neurotransmisor ~ liberado

~o~

Potencial deaeclón

(@ Se genera un potencial

&'fi Una neurona inhibitoria dispara, lo que

de acción.

@Una neurOna J;bft~a ydos

'bloquea !a liberación de neurotransmisor

:en una sinapsls.

1 neuronas ex~~.~-~ disparan.

1

~~~~~->-·----

•>. -

{b) En !a inhibición postsináptica,_todos !os -puntoS diana serán inhibidos por igUal

Los potenciales sumados se encuentran poi' debajo del umbral, de modo que no se genera ni~giln P:Otencial de acción. ·

o.,,,.,,,..,.

..

Sin respuesta excitatoria

SI FIGURA 8-27 Suma espaáal

r&u~

o ., . , . ,.

..00

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1

~ -ssl--------------------YlJl~l]11___ _

¡;

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E ~

Una neurona excttatoria y una neurona inhibitoria disparan.

o

cambios sostenidos en la calidad o la cantidad de conexiones si-

~

Tiempo (m$)

{a) No hay suma. Dos potenciales escalonados no producen un potencial de acción sl están muy separados en tiempo.

mFIGURA 8-28 Suma temporal

céluta diana.

~~

j

x,

No ocurre ninguna respuesta en ninguna

!!!! FIGU~ 8--29 lnhíbidón presináptica y po_stsináptica

~

E: -70 ~

No se lnic!a ningún potencial

·de acción en la zona gatilfo.

X1

x2 Tiempo (ms)

(b) Suma que produce potencial de acción. SJ dos potenciales subumbrales llegan a la zona gatillo dentro de Un breve periodo de tiempo, pueden sumarse y crear un potencial de acción.

nápticas. Se cree que la potenciación y la depresión a largo plazo están relacionadas con los procesos neurales para aprendizaje y memoria. Muchos científicos están trabajando para descubrir los detalles moleculares de los mecanismos.

Un elemento clave en la potenciación a largo plazo es el ami· noácido glutamato, "el principal neurotransmisor exdtitoño en el SNC. Como.se vio antes, el glutamato tiene dos tipos de receptores: receptores NMDA y receptores AMPA. El canal NMDA tiene

una prOpiedad inusual: el canal es bloqueado tanto p:>runa compuerta como por unión Mgz.-_rLa apertwa del canal requiere t\ln·

to 1~ unión del neurotransmisor como la despolariÍactón de la célula.\ . Cuando las neuronas presinápticas liberan glutamato, la sustancia quúnica se une a ambos tipos de receptores sobre la célula postsináptica (Fig. 8-30 m). La activactón del receptor AMPA abre un canal catiónico y la entrada neta de Ná+ despolariza la célula. La compuerta del receptor NMDA se abre coh la unión del glutamato, pero el canal peimanece bloqueado por el Mgz... hasta que la célula se despolariza, La repulsióp. eléctrica empuja entonces al Mgz... fuera del canal, lo que permite que el CaZ+ entre en el d.tosol.

282

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Integración de la transferencia de la información neural

283

E.!~i:~· ~"=""~'~'-'-·'

la despolariZación expulsa el Mg2+ y abre el canal.

-·-~-· ~~~~,·~·-·--·

'Ei_ca2+~:~-~Ho-~ El desarrollo del sistema nervioso depende de las señales químicas

~~,.~··"·······

~'&) La cerum se vuelve más

·sensible al glutamato. _,

~

........... .

ustancia paracrina de la. postsínáptica aumenta

eracrón de glutamato.

Célula postsináplica

----"""--'~----

'

fi!i FIGURA 8-30 Potenáadón a largo plazo Los receptores NMDA para glutamato son responsables de los cambios que conducen a la potenciación a largo plazo. Con la poten· ciadón a largo plazo, la célula presináptica aumenta su liberación de glutamato y la célula postsináptica se vuelve más sensible al glutamato. · ·

La señal de ea<>.+ inicia las vias del segundo mensajero. Como resultado de estas vías, las células postsinápticas ·liberan una sustancia paracrina que actúa sobre la célula presináptica pata aumentar la ljberación del neurotransmisor. La célula postsináptica también se torna más sensible al glutamato, posiblemente al insertar más receptores de glutamato en la membrana postsináptica.

s

:•::a~:v 1 1 ó N \~-[,;'?'25. ¿Por qué la despolarización de la membrana rechaza al ·· Mg 2• hacia el lfquido extracelular? Respuesta en la p. 290

Los trastomtJS de la transmisión sináptica son responsables de muchas enfermedades La transmisión sináptica es el paso más vulnerable en el proceso de.señ.allzadón a través del sistema-nervioso. Es un lugar en el que muchas cosas pueden salir mal, lo que conduce a una interrupción de la iuf!dón normal. Pero al mismo tiempo los receptores en la sinapsis están expuestos al líquido extracclular, lo que los tom.á

más accesibles a los fármacos que los receptores intracelulares. En años recientes hemos descubierto que distintos trnstomos del sistema nervioso están relacionados con problemas en la t:ransmisión sináptica. Estos trastornos incluyen; la enfennedad de Parkinson, la esqu.izofreni.a y la depresióm Las enfermed4des mejor conocidas de Ia sinapsis son aquellas que involucran a la unión netÍromuscular. Las enfennedades originadas en problemas de la transmisión sináptica dentro del SNC han probado ser nlliS difidles de estudiar porque es más difícil aislarlas anatómicamente. Los fármacos que actúan sobre la actividad sináptica, sobre todo las sinapsis en el.SNC, son los más antigu9s conoct4os y más ampliamente utilizados de todos los agentes farmacológicos. La cafeína, la nicotina y el alcohol son drogas frecuentes en muchas culturas. Algunos de los agentes que utilizamos para tratar trastor~ nos como la esqu.izo~, la ansíedad y la epilepsia actúan influyendo en eventos sinápticos. No hemos comprendido aún plenamente la causa de muchos trastornos del SNC o el mecanismo de accióri de los fármacos. Este tema es un área importante de la investigadón farmacológica y todos los años se diseñan y aprueban nuevas clases de fármacos.

Durante el desarrollo de un sistema tan complejo éQmo el-~ tema nervioso, ¿cómo pueden las más de 100 000 millones de neuronas del cerebro hallar sUs puntos diana correctos y hacer si~ napsis entre más de 10 veces esa cantidad de células de la glía? ¿De qué modo puede una neurona motora somática en la médula espinal encontrar el camino correcto para formar una s~psis con su músculo diana en el primer dedo del pie? La respuesta está en las señales químicas utilizadas por el embrión en desarrollo, 'que _varían desde factores que controlan la diferenciación de las células troncales o células madre hasta los que dirigen a un axón que se alarga hacia su punto diana. Los axones de las células neíviosas embrionarias envían extremos especiales denominados conos de crecimiento que se extienden a través del compartimento extracelu!ar hasta que·en.cuentran a su célula diana (Fig. 8-31 m;. En algunos experimentos en los cuales las células diana son movilizadas hacia una localización inusual en el embrión, en muchos casos los aXones-son aún capaces de encontrar sus puntos diana al "percibir" su aroma químico. Los conos de crecimiento dependen de muchos tipos diferentes de señales para encontrar su camino: factores de cted.mlento, moléculas en la matriz extracelulary proteínas de membrana sobre los conos de crecimíento y sobre las células a lo largo del camino. Por ejemplo, las integrinas (~p. 70).sobre la membrana del cono de crecimiento se unen a lamininas, fibras proteicas en la matriz extracelular..Las moléculas de adhesión de las células nerviosas (NCAM) (~p. 69) interactúan con proteí· nas de la membrana de otras células. Una vez que un axón alcanza su célula diana, se forma una si· napsis. Pero la formación de sinapsis debe ser seguida por actividad eléctrica y química, o la sinapsis desaparecerá. La supervivencia de las netuonas parece depender de factores neúrotróficos (trophikos, nutrición) secretados por neuronas y células de la glía. Aún es mucho lo que desconocemos acerca de este proceso complicado y es un área activa de investigación fisiológica. Este escenario de "úsalo o plérdelo" se refleja_de manera más notable en el hecho de que el encéfalo del lactante; tiene sólo el

lí!l AGURA 8-31 Conos de aedmiento de un axón en desa-

rrollo 25% del tamaño del encéfalo adulto. El ulterior crecimiento del encéfalo se debe no al aumento de la cantidad de células, sino al aumento en-el tamañ.o y la cantidad de axones, dendritas y sinapsis. El desarrollo depende de la actividad eléctrica en el encéfalo; en otras palabras, de los potenciales de acción que se mueven a través de las vías sensitivas y las intemeuronas. Los lactantes desatendidos o privados de aferendas sensitivas pueden experimentar un retraso del desarrollo debido a-la falta de estimulación Oel sistema nervioso. Por otra parte, no existe ninguna prueba de que la esti.mulación extra en el lactante aumente el desarrollo intelectual, a pesar de Wl moviiD.iento populai para exponer a los niños al arte, la música y los idiomas extranjeros antes de que puedan incluso caminar. Una vez que se forman las sinapsis, no se mantienen fijas de por vida. Las variaciones en la actividad eléctrica pueden producir una reorganización de las conexiones. Este proceso, conocido como plasticidad (capacidad de cambio) de las sinapsis, continúa durante toda la vida. Ésta es una razón de por qué se estimula a los adultos de edad avanzada a que aprendan nuevas habilidades e información.

Cuando las neuronas se lesionan, los segmentos separados del cuerpo celular mueren Nuestras neuronas pueden crecer cuando somos jóvenes, ¿pero qué sucede cuando las neuronas se dañan? Las respuestas de las neuronas madw:as a la lesión son similares de muchas fonnas al crecimiento de las neuronas durante el desarrollo, y se basa sobre una combinación de señales químicas y eléctricas. Ésta es otra área de investigación activa porque las lesiones de la médula espinal y el daño encefálico por enfermedades y accidentes discapacitan a muchos individuos cada año. La pérdida de una neurona de una vú refleja puede tener consecuencias drásticas para toda la vía.

284

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Integración de !a transferencia de la infonnación neural

285

PA!ÍÁLIS!S M!SrnRIOSA

En este tema relacionado usted conoció una enfe!llledad paralitica desconcertante que p~rece ser nueva. Aunque mantiene cierta semejanza con el slndrome de Gui!lain·Barré, con una investigación más cuidadosa la enfermedad tiene aigunas car
PREGUNTA ¿Qué división/es del sistema ner~ vloso [ruedetn estar afectada en el síndrome de Gui!lain--Barré?

mFIGURA &-32 Lesión neuronal Cuando se corta un axón, la sectlón unida a! cuerpo celular (el muñón proximal) sigue viviendo, pero la sección del axón distal al cor~ te (el muñón dista Ocomienza a desintegrarse y morir. Bajo ciertas circunstancias, el muñón proximal puede volver a crecer a través de !a vaina de células de Schwann existente y volver a formar una sinapsis con el punto diana apropiado. 2

Si el cuerpo celular muere cuando se lesiona una -neurona, Bajo ciertas condiciones, los axones del sistema nervioso perifém~ere toda la neurona. Si el cuerpo celular está intacto y sólo se rico pueden regenerarse y restablecer sus conexiones sinápticas.l.as secciona el axón, la mayor parte de la neurona sobrevive1(Fig. S. células de Schwann de la neurona dañada secretan algunos ~cto­ 32 ~. En el sitio de la lesión, el citoplasma se escapa hada el en. res neurotrófi.cos que mantienen vivo el cuerpo celulaí y estimulan el nuevO crecimiento del axón. El extremo en ~ento de un tomo hasta que la membrana es reclutada para cerrar el orificto. El muñón proximal (el segmento más próximo al cuerpo celular) axón que se regenera se comporta de modo muy similar al cono de se hincha a medida que se acumulan los orgánulos y los filamencrecimiento de un axón en desarrollo, que sigue lils señales quími· tos transportados hasta el axón por transporte axónico. Los factocasen la matriz extracelular a lo largo de: su camino anterior hasta res qllÍÍD.icos producidos por las células de Schwann cw.:a del si· que ei axón se reúne con su célula diana. Á veces, sin embargo, la tio de la lesión se mueven por transporte retrógrado hasta el cuerpérdida del axón distal es permanente y la vía queda ~estruida. po celular y le informan que ha ocutñdo una lesión. El segmen· · Es menos ptobable que ocurra naturalmente la regeneración de to distal del axón (muñón distal), privado de su fuente de proteí~ · los axones en el sistema nervioso central. I.as células de 1~ glía del nas, comienza a degenerar lentamente. La muerte de esta parte de . SNC tienden a cerrar la región dañada y fonnar allí una dcatriz, y la neurona puede llevar un mes o más, aunque la transmisión las células del SNC dañado secretan factores que inhiben el nuevo sináptica cesa casi de iruriediato. ~ vaina de mielina alrededor crecimiento axónico. Muchos científicos están estudiando estos del axón distal comienza a desenredarse y el axón propiamente mecanismos de crecimiento e inhibición axónicos con la esperan· dicho colapsa. Los fragmentos son eliminados por la microglia o za de encofitÍar tratamientos que restablezcan la función de las VÍC· los fagocitos que ingieren y digieren los restos. timas de lesión medular y trastornos neurológicos degenerativos.

¿Cree tmed que fa parális1sobser~

vada en los niños chinos afectaba tanto a !as neuronas lllQtoras somáticas como a las sensitivas (afe. rentes)? ¿Por qué si o porqué no?

disease ofchitdreri and young adults in northem China", Lancet 338{8767): 593~597, 7 de septiembre de 1991. ·

ContrOle ·su .cóiiocimient6 de este tema relacionado cOmparando sus respuestas con !a información del cúadro resumen siguiente,

HECHOS

!NTEGRAoóN.YANAllsiS

El sistema ne!Vioso se divide en el _sistema nervioso periférico, que tiene tas subdivisiones aferente (sensitiva) y eferente, y el síste· · ma nerviosó central (SNQ. las neuronas eferentes Son neuronas motoras somáticas, que controlan los músculos esqueléticos, o·neuronas autónomas, que controlan las 'glándulaS y el músculo liso y cardiaco.

los :¡:ia_~~-n:..es eón sfndfo~é de_ tl_uiflaiit_·Barié. no pueden Perdbir '-as serisado.n s ni rnov.er ~~ pier~ 7 nas . Estó sugiere un prob!em~ tanto_ en las neuronas afereñte~.corr¡o:e_rl_ las moto_ras so1Tláti~.-Sin embar~o; til.mbiéii -es poSi~ie_~ue'exista uri prO- · ' b!ema en el centro integrador dei5NC. Usted no We~ Co~ la--iñforiñ.ii_~ión·s.ufi(¡~ll~e ComO p~ra· 'deterrnin.ar_ qué.div!~ión._está afectada,

es

i.a"f¡jiíi:i_ón Sen~iti,vá (aferen~) noimal.s,i pu~_ . ~e_ñ percí_~ir,_el phléfJ~_::La p~i-ál~is dei~ múscú~ . -Jos. s¡¡gJ¡r,e Un probleÍria,<;oiÍ_ i_
los niños chinos pueden sentir un pinchazo pero no pueden mover sus músculos.

las pruebas de"c6fldua::ión nerViosa miden la . la OÍiefina aísla Jos.ixbnes_y aum~[lta 'Ja've/ocldad velocidad de con'ducción y fa intensidad de de condUcción. Sin mielína, er3xón pierd"e iones. los potenciales de acción. En els!ndrome de Por _lo ta_nto, en el sfndrwne de Guí!J_a.iri-Barré us- . GuiUain·Barré, se destruye la mie!ina que_ro- ted esperará observar dismi~u_dó_ñ :efe_!~ vel_~cidad dea al axón. de conducció-n Yde la ·i~teñs_id
3

En el síndrome de GuiUain-Barré, ¿qué resultados esperarla de una prueba de conducción neiViosa?

4

¿la enfermedad paralítica que los exám·enes de la Conducción nerviOsa mos--: la. pé(di~~ .dé ·mielina-_d~bedis~I~_uir-!á-yet~Cidad afectó a los niños chinos era un· traron una velocidad-de conducción·normal . de_'é-orid~-~ciÓ_ri r_ l_a_iri~é.ils-i?a~_de l?,s pOt~n~~!es trastorno desmie!inizante? ¿Por pero una disminución de la .intenMad dé J~s . de aéciÓn.. P6r ·ro tanto, prO~clble:qu~.~·enqué sí o por qué no? potenciales de acción.-. · fertned
es

5

¿los resultados de la investigación del doctor McKhann sugieren que los niños chinos tenían sfndrome de Gui!!ain·Barré? ¿Por qué s1 o por qué no?

los infoimes de las aút~psias en ~~ rii~Os" , _ · .El SrridiOfíie· de ,~u!_Har~:B_a~~:és .~·na ·enf~~ed~d que fallecieron por la enfermedad mostrÍlron d~in:tt:_!hlizan1:é q_u.~ _afedél_tant() ~-!_as 'n_euronas . que los axones estaban dañados pero la mie- sensit,iyas COJllO a _la_s rñ~toras. l~_s niños:chinosteJfna era normal. · · nfan ~n~_ñmdón .sens'~va n~rm~liy_!a_s _Prue.~a_s. :. ~e_ c?_rld~cdiS_n ~~~fviósa Y!_os' ,~~.roS h_i~(llógicos . ln~icár?n}n(~¡in~_'~~~~~~~ P~(l,~n~ñtO, e_s· r~~Ofla· _ble)l_egar_a I~,Condu~ión' (f~__que_!á.liilfe'rmedad :· :.no és,un ~rriCfr¿n)e· de_.~Uiiláin·Barré:-, ·· ..

6

Sobre la base de fa información proporcionada en este capítufo; ¿qué otras enfermedades implican una alteradón de la trans· misión sínáptica?

La transmisión sináp_tica puede alt~_~a~e. p~T-. ·. ~·~~-~eniiéifa~·.~e,~af!{,in~oO~Ia·d~preSJ~_n;_ 1a:es,7 bloqueo de lá t_ibérac_ión del neurotiansmi~t :-· ¡juii~~nia Yla_:nij~en!a gravis -est~n r"elacíoña-d~de la célula jlr_esináptica, p!)ri~iertéréncia: ?os con p'i~blemas:é·n:la_tfansmisión'Si_náp~~ _{p. c;on la acCión del né_úrotransmisor_Sobri Ía (é.t 282)~ /·-___·· _· .-_- _ ·_,. ·-·. lul
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286

Preguntas

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

R!:SUMEN DEL CAPÍTULO Este capítulo anallza cl sistema nervioso, uno de los prinCipales sistemas de control responsables de mantener lahomrostasis. Las divisiones del sistema nervioso se corre!actonan con los pasos de una via refleja. Los receptores sensitivos controlan las variables reguladas y envían _sefiales aferen· tes al sistema nervioso central a través de neuronas sensitivas (aferentes). Las sei'iales eferentes, tanto eléctricas como químicas, Viajan a trav~ de diferentes divisiones (motora somática y autónoma) hasta suS puntos diana en todo el cuerpo. La transferencia de Información y la comunfcad6n dependen de señales eléctricas que pasan a Jo largo de las neuronas, de las interacciones rtrolecu1aros entre las moléculas señal y sus receptores, y de la transducctón de sei'iales en las células diana. Los capítulos 9 a 11 y 13 con· tienen más detalles sobre los procesos básicos presentados aqul. l. El sistema nervioso es una red compleja de neuronas'que forma el siStema de control rápido del organismo. (p. 244) 2. Las propied!ules emergentes del sistema nervioso incluyen conciencia, inteligencia y emoción. (p. 244)

Organización del sistema netvioso 3. El sistema nervioso está dividido en el sistema nervioso central (SNQ, compuesto por el cerebro y la médula espinal,. y el sistema nervioso periférico. (p. 245; Fig. 8-1). 4. El sistema nervioso periféñco tiene neuronas aferentes (sensitivas) que llevan información al SNC y neuronas eferentes que transportan la Información desde el SNC a distintas partes del cuerpo. (p. 24S) S. Las·neuronas eferentes incluyen neuronas motoras so~ticas, que controlan los músculos esqueléticos, y neuronas autóoomas, que controlan los músculos liso y cardíaco, las glándulas y algunos tejidos adiposos. (p. 246) 6. Las neuronas autónomas se subdividen en las ramas simpática y pa· rasimpática. (p. 246)

Células del sistema nervioso Sistema nervioso 1: revisión. de la anatomía

1

7. Las neuronas tienen un cuerpo celular con un núcleo y orgánulos para dirigir la .actividad celular, dendritas para recibir las señales entrantes, y un axón para transmitir señales eléctricas desde el cuerpo celular hasta la terminación axónica. (p. 246¡ Flg. 8-2) · 8. Las intemeuronas son neUronas que se ubican por completo dentro delSNC. (p. 247¡ Fig. 8-3) 9. La región donde una terminación axónica se encuentra ron su célula diana se denomina sinapsis. La taula diana se denomina célula postslnáptica, y la neurona que b"beJa la señal química re conoce como la célula preslnáptica. La región entre estas dos células es la hen· didura sináptica. (p. 249) , 10. El materia! es transpOrtado entre el cuerpo celular y la terminaCión axónica por transporte axónij:O. (p. 249; Flg. 84) 11. Las células de la giía proporctonan soporte físico Ydirigen el creó.· miento de las neuronas durante la reparación y el desarrollo. Las cé· lulas de Schwann y las células sa@ite son·cél.ulas de la glía asocia· das con el sistema nervioso periférico. La microglia, los ollgodendro· citos, los astrocitos y las células del epéndimo son células de la glía que se enaientran en el SNC. La microgUa son células inmunitarias modificadas que actúan como fagocitos. (p. 250¡ Flg. 8-S} 12. Las células de Sdlwann y Jos oligodendrocitos forman vainas de mi~ lina aislantes alrededor de las neuronas. Los nodos de Ranvi.er son setctones de membrana Sin aislamiento, que se presentan a Jn.terva· los a lo largo del axón. (p. 250; Fig. 8-6) 13. Las células troncales madre nerviosas se encuentran en la capa del epéndlmo. (p. 252)

Señales eléctricas en las neuronaS Sistema neiVioso 1: el potencial de membrana; canales iónicos;

vaina de- mielina acelera la conducción al aumentar la lesistencta de la membrana y disminuir la ·pérdida de corriente. (p. 266) 32. El salto aparente de los potiillciales de accl6n de nódo a riodo se de. nom.lna conducción saltatoria. (p. 267; Fig: 8-18) 33. Los cambios en !a concentraCión sanguínea de K~ afectan el potencial de membrana en reposo y la conduCCión de lós potenciales de acción. (p. 269; r18. s.t9)

el potencial de acción 14. El potencial de membrana está influidO por los gradientes de concen· tración de tos Iones a través de la memb~a y por la penneabiÍldad de la membrana a esos Iones. (p. 2S2) 15. La ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz predice el potencia! de membrana sobre la base de los gradientes de concentraCión de los iones y la permeabilidad de la membrana. (p. 252) 16. La permeabilidad de una célula a Jos !ones.s~ inodlfica cuando los ca· nales Jónicos en la membrana se abren y cierran. El movimiento de sólo algunos Iones modifica significatiVamente el potencial de mem· brana. (p. 253) 17. Los canales Jónicos con compuerta en las neUI!=masse abren o cierran en respuesta a sefíales químicas o mecáil.lcas o en respuesta a la despolarización de la membrana celular. (p. 254) 18. lm potenciales escalonados son despolarizaciones o hlpe¡polariza· ciones cuya intensidad es directamente proporcional a la intenSidad del evento desencadenante. Los potendales escalonados pierden in· tensldad a medida que atraviesan la dlula. (p. 25S; cuadto8-3;Fig. a.

n

19. La onda de despolarización que atraviesa la célula con un potencial escalonado se conoce como flujo de corriente IoaU. (p. 255) 20. Los potenciales de acción son sef\ales eléc):p.cas rápidas que viajan sin disminuciones de amplitud desd.e el cuerpo celular hasta las ter· m!nactones axón!cas. (p. 25S) 21. Los potenciales de acción comienzan en !a zona gatillo si un único potencial escalonado o la suma de múltiples potenciales escalonados exceden una despolarización mínima conocida como umbrál.. (p. 256; Fig. 8-8) . 22. Los potenciales escalonados despolarizantes aumentan-la probabili· dad de que una neurona dispare un potenda.i de acción. Los poten· · dales escalonados hlperpolañzantes reducen la probabilidad de que una neurona dispare un potencial de aed.ón. (p. 257) . 23. Los potenciales de acción son despolarizaciones uniformes, todo o nada. (p. 258) 24. La fase de crecimiento del potencial de acción se debe al aumento de · la permeabilidad al Na•. La fase de caída del potencial de acción se de· be al aumento de la permeabilidad al K~. (p. 258; Flg. S.9) 25. Los canales de Na• regulados por voltaje del axón tienen Una com· puerta de activación rápida y una compuerta de fnactivadón más lenta (p. 259; Flg. 8-10) 26. Una vez iniciado un potencial de acción, existe un período breve de tiempo conocido como periodo refractado absoluto durante el cual no se puede'dlsparar un regundo pOtenCial de acción, no importa cuán grande sea el estimulo. En consecuencia, los potendales de acción no pueden·sumarse. (p. 260; Fig. 8-12) 27. Durante el período refractario relativo, ;e necesita un potencial escalonao;Io mayor de lo nounal para diSparar un potencial de acción. (p.260) 28. La info,rmación sobre la Intensidad y la duración de un estímulo es transmitida por la frecuencia de propagación de los potenciales de acción. (p. 261; Fig. 8-13) 29. Muy pocos Iones atraviesan la membrana durante un potencial de acción. La ATPasa Na•-K• finalmente restablece el Na~ y el K• a sus com· partimentos originales. (p. 261) 30. El movimiento de un potencial de acción a través del axón a alta velocidad se denomina conducción. (p. 263¡ Fig. S.lS) 31. Un diámetro mayor del.axón y el aumento de la resistencia de la membrana aceleran la conducción de los potenciales de acción. La

Comunicación intercelular en .el sistema nervioso Sistema neiVioso 11: revisión de la anatomfa; ~ansmisión sináptica; canales iónicos 34. En las sfnapsis eléctricas, una Setíal eléctrica pasa directamente del ci· toplasma de una célula a otra a través de las. uniones en h.endidura. Las sinapsis químicas emplean neurotnlhsmlso!es para transmitir información de una célula a la slgU!ente; los neurotransmisores dlfun. den a través de la h.endidura slnáptica. (p. 271) 3S. Los neurotransmisores re sintetizan en el cuerpo celular o en la tenni· nación axónica. Se almacenan en vesículas sínápticas y liberados por exodtosis cuando un potencial de acción alcanza la temtinadón axó· nica. Los neurotransmisores se combinan con los receptores de las cé-lulas diana. (p. 271; flg. 8-21) 36. Los neurotransmisores existen en distintas fonnas. Las neuronas coli· nérglcas secretan acetilcoüna. Las neuronas adrenétglcas secretan noradrenalina. Otros neurotransmisores Importantes son glutama· to, GABA, serotonina, adenosina y óxido nítrico. (p. 274; cuadro 84)

37. Los receptores de los neurotransmiSOres son canales !ónices regulados por ligando o receptores asoctados a la proteina G. Los canales ióni· cos crean potenciales sinápticos rápidos. Los receptores asociados a

287

la proteina Gcrean potenciales sinápticos lentos o modifican el metabolismo celular. (p. 277; Fig, 8-23) 38, La accióri de los neurotransmisores es terminada rápidamente por la recaptación en las células, difusión lejos de la slnapsis o degradación enzimática. (p. 277; Fig. 8-24)

Integración de la transferencia de la información neural Sistema nervioso 11: potenciales sinápticos e integración celular 39. Si una neurona presináptica hace sinapsls sobre una cantidad ·mayor de neuronas postsinápticas, el patrón se conoce como divergenda. Si vanas neuronas preslnápticas proporcionan aferencias a una cantidad menor de neuronas posts!nápticas, el patrón se conoce como convergencia. (p. 278; Fig..8-25) 40. La suma de potenciales escalonados simultáneos provenientes de di· ferentes neuronas se conoce como suma espacial. La suma .de poten· ciales escalonados que se siguen estrechamente unos a otros de forma secuenCial se denomina suma tempo.tal. (p. 278¡ r.¡gs. 8-27¡ 8-28} 41. La modulación presináptica de una terminación axónica permite la modulación selectiva de las colaterales y sus puntos diana. La modu· ladón postsináptica ocurre cuando una neurona moduladora, habi· tualmente lnhibitoria, hace s!napsis sobre una célula postsináptica. (p. 279; Fig, 8-29) 4Z. La potenciación a largo plazo es un mecanismo por el cual las neu· ranas cambian la calidad o la cantidad de sus conexiones stnápticas.. (p. 281) 43. Las neuronas en desarrollo enruentran su camino hacia sus puntos diana utilizando señal~_ químicas. (p. 283)

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~~-~--~~--

.~-

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A.)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Mencione las tres clases fundonales de neuronas y explique cóíno .di· fieren desde el punto de vista estructural y funcionaL 2. Las neuronas motoras somáticas controlan . Las neuro-

nas controlan Jos músculos liso y cardíaco,~ glán· · dulas exocñnas y algunas glándulas endocrinas, y. algunos tipos de tejido adiposo. 3. Las neurona$ autónomas se das!fican como neuronas----

o----

4. Relacione cada término con su descripción: a) axón 1. prolongadón de una neurona que recibe las b} dendrita señales entrantes e) aferentes 2. neuronas sensitivas, transmiten información dj eferentes al SNC e) zona gatillo 3. prolongación larga que transmite seftales a la célula diana 4. región de la neurona donde comienza el potencial de acdón S. neuronas que transmiten información desde el SNC al resto del cuerpo 5. Mencione Jos dos tipOS principales de células hallados en el sistema nervioso. 6. Díbujé una neurona típica y marque el cuerpo celular, el axón, las dendritas, e! núcleo, la zona gatillo, el cono axónico, las colaterales y las terminaciones axónicas. Dibuje las mitocondrias, el retículo endop!asmático liso, el complejo de Golgi y las vesículas en las seCCiones apropiadas de la neurona. 7. El traruporte axónico se refiere a:

a) la liberación de moléculas de neurotransmisor en la hendidura si· náptica. b) el uso de los microtúbulos para enviar secreciones desde el cuerpo celular hasta la tenninadón axónica. e) el transporte de-vesículas que contienen proteínas por la longitud del axón. d) el moVimiento de la terminación axónlca para hacer s!napsiS con una nueva célula posts!náptica. e) ninguno de éstos 8. Relacione los números de las caracteristlcas apropiadas con los dos ti· pos de potenciales.' Las catacteñsticas pueden aplicarse a uno o am· bos tipos. a) potencial de acción 1. todo o nada b) potencia:~ graduad() 2. se pueden sumar 3. ·1a amplitud disminuye con la distancia 4. muestra un periodo refractario S. la amplitud depende de la Intensidad del estímulo 6. no tiene umbral 9. ¿Con cuántas otras neuronas hace sinaps.ls una neurona típica? o) 1 b) menos de 10 e) 1000 dj 10000 e) Más de 100 000

10. Menctone los cuatro tipos prinCipales de canales ióntcos hallados en las neuronas. ¿Poseen compuertas qufm.l.cas, mecánicas o de voltaje? U. Disponga los Siguientes acontecimientos en la secuencia apropiada: a} La neurona eferente alcanza e! umbral y dispara un potenctal de acción. · b) La neurona aferente alcanza el umbral y dispara un potencial de acción.

1

.., ·'

J

.

290

Capítulo 8 Neuronas: propiedades celulares y de las redes

Página 277 21. Los ISRS disminuyen la recaptación de serotonina en la terminación axónica, aumentando así el tiempo en que la se!ptonina es activa en

la sinapsis. Página 279

22. La neurona postsináptica dispamá un potendal activo, porque el efecto neto será una despolarización de 17mVa -70 mV- (-17) "'-53 mV, que es inmediatamente por encima del umbral de -SS mV. 23. El potencial de membrana no cambia al mismo tiempo que el estimulo porque la despolarización debe Viaíar desde el punto de estímulo hasta el punto de registro. Página 279 24. Las terminaciones axónicas convierten {transducen) la señal eléctrica

Página 282 25. La despolarización de la membrana hace que el interior de ésta

iea

más positivo con respecto al exterior. Al igual que cargas que se repelen una a otra, el potencial de membrana más positivo tiende a repeler el Mg<+.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página 256

Fígura 8-7: El potencial escalonado es más intenso en B. En el gráfico, A está entre 3 y 4, y Bestá entre el punto de origen y l. Página 264

Figura 8-15: a) 4; b) 2, 3; e) 1; d) 3; e) 4

del potencial de acción en una señal de neurotransmisor química.

El sistema nervioso central Propíedac!es emergentes de !as redes neU!'ales Evo!udón de los sistemas nerviosos

Anatomía de! sistema nervlo~o centra! 295 Sistema nervioso central se desarrolla a partir de 296 296 299 299

300

un tubo hueco El sistema nervioso central está dividido en sustancia gris y sustancia blanca El hueso y el tejido conectivo sostienen el sistema nervioso central El encéfalo flota en el líquido cefalorraquídeo La barrera hematoencefálica protege al encéfalo de las sustancias nocivas en la sangre El tejido nervioso tiene requerimientos metabólicos especiales

La médula espinal

El encéfalo 303 El tronco encefálico es la transición entre médula espinal y mesencéfalo 305 El tronco encefálico está constituido por el bulbo raquídeo, la protuberancia y el mesencéfalo 305 El cerebelo coordina el movimiento 306 El diencéfalo contiene los centros para la homeostasis 307 El cerebro es el sitio de las funciones encefálicas superiores 307 El cerebro tiene distintas regiones de sustancia gris y sustancia blanca

'

Función encefálica 309 La corteza cerebral está organizada en áreas

funcionales 310 La información sensitiva es integrada en la médula

espinal y el encéfalo 311 La información sensitiva es transformada en percepción 311 El sistema motor gobierna las eferencias del sistema nervioso central 312 El sistema conductual modula las eferencias motoras 312 E! sistema activador reticular influye en los estados de alerta 313 ¿Por qué dormimos? 315 Las funciones fisiológicas muestran ritmos circadianos 315 La emoción y la motivación involucran vías neura!es complejas 316 Los estados de ánimo son estados emocionales de larga duración 317 El aprendizaje y la memoria cambian las conexiones sinápticas en el encéfalo 317 El aprendizaje es la adquisición de conocimiento 318 Memoria es la capacidad de retener y recuperar información 320 El lenguaje es la conducta cognitiva más elaborada 321 La personalidad es una combinación de experiencia y herencia

INFORMACIÓN BÁSICA -· ..... -·-';

·o;

Direédories del cUérpo:."A¡:)éridici! -··RéQ-u!aCión Por iricremerito: 43; _:_ DifuSióil ·a 'traVés de ·membrimáS: 135; · Uniones· interce!ul~res:. 69; -Sina¡)s_is:· 249; ·__ Células d_e _la _gUa: 250;_. -:Epitelio _de trarispórte: 73; _Base iónica de_ los· potenciales de acción::2~8; --,Neurotra'nsmisoreS y neuro_m.odüladores: 176; __. Neuro_hip9fisis: ~26; --Potenciales sinápticos rápidos y lent()s: 277;___ Potendación_a largo plazo:_ 281

292

Capítulo 9 El sistema nervioso central

su hombro: Ésa "fue la primera deJas_n chas crisis qUe llegaron cOn fr_eé:u~nda y duración _crei:iéilteS.'

Ed Lalor, de Media Lab Europe, estaba sentado inmóvil en una silla con su cabeza en un cabezal similar a un tomo que- rodeaba su cráneo. En la pantalla del ordenador delante de él, uria criatu· ra extraña similar a una rana se balanceaba en una cuerdasuspen· dida sobre una dudad futurista. A medida que Ed desplazaba su vista entre dos conjuntos de cajas ruadriculadas que se apagaban y encendían, la criatura caminaba a lo largo de la cuerda floja, controlada sólo por la actividad eléctrica registrada externamente y proveniente del encéfalo de Ed. Mientras tanto, en Canadá y los Estados Unidos, los inves~dores mostraban cómo un dispositivo implantado en el cerebro permitía a un· ruadripléjico controlar un ordenador simplemente pensando sobre lo que deseaba hacer. Estas historias suenan a tienda ficctón, pero los dispositi· vos descritos de interfase cerebro-ordenador son reales. Los ctentíficos que los desarrollaron están utilizando lo que conocemos acerca del cerebro humano para aprovechar sus señales eléctricas y crear puentes lnalámbricos hada máquinas externas.

PROPIEDADES EMERGENTES DE LAS REDES NEURALES Las neuronas del sistema nervioso están conectadas entre sí formando circuitos que tienen functones especificas. Los drcuitos más complejos son los del encéfalo, donde miles de millones de neuronas están conectadas en redes intrincadas que convergen y divergen, creando una cantidad enormemente grande de vías. La señalización dentro de estas vías crea pensamientos, lenguajes, sentimiento, aprendizaje y mem-oria, los comportamientos com· piejos que nos hacen humanos. Algunos new:ocientificos han propuesto cambiar la unidad funcional del sistema nervioso de la neurona individual a las redes neurales porque lnduso las funciones más básicas requieren circuitos de neuronas. ¿Cómo es que las comblnaciones de neuronas relactonadas·

Evolución de los sistemas nerviosos

entre sí en cadenas o redes tienen colectiv:amente propiedades emergentes no halladas en ninguna neurona aislada? Aún no tenemos una respuesta a esta pregunta. Algt_iO.os éientíficos lntentan responderla observando los paralelismos entre el sistema nervioso y los circuitos integrados de los ordenadores: Se han escrito programas computarizados que intentan imitar los procesos del pensamiento de los seres humanos: Este campo de estudio, denominado inteligencia artificial, ha creado algunos programas interesantes, como el "psiquiatran programado para respondera quejas con comentarios y sugerendas apropiados. Sin em· bargo, ni siquiera estamos cerca.de crear un cerebro tan complejo como el de un ser humano, ni uno tan complejo como el de Hal, el ordenador de la película clásica 2001: Odisea del espacfu. Probablemente una razón de por qué los ordenadores no pueden modelar aún con predsión la fuil.ción encefálica es que carecen de plastiddad, la capacidad para modificar las conexiones de los circuitos y funcionar en respuesta, a las aferencias sensitivas y la experienda pasada ( ~ p. 283). AlUlque algunos programas computartzados pueden modificar sus respuestas bajo condidones específicas, no pueden siquiera aproximarse a la plastiddad de las redes encefálicas humanas, qúe se reestructuran solas fádlmente como resultado de las aferendas sensitivas, el aprendiZaje, la emoción y la creatividad. Ádemás, ahora sabemos que el cerebro puede agregar nuevas conexiones cuando· se diferencian las células troncales neurales. Los ordenadores no pueden incorporar solos nuevos draútos. · ¿Cómo puede una simple conexión de neuronas crear conductas afectivas, que están relacionadas con sentimiento y emoción, y conductas cognitivas (rognascere, llegar a saber), reladonadas con el pensamiento? En la búsqueda de principios de organización que llevan a la generación de estos comportamientos, los científicos buscan indidos en los sistemas animales más sencillos.

EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS NERVIOSOS Todos los animales tienen la capacidad de sentir los cambjos en . su medio ambiente y responder a ellos; Incluso los organiSmos uni· celulares, como el Paramedwn, son capaces de llevar a cabo las tareas básicas de la vida: encontrar alimento, evitar convertirse en él, encontrar una pareja. Y estos organismos unicelulares no tienen ningún centro encefálico ni lntegrador obvio, simplemente el p
(a) Red neural de !a medusa

{b) 8 sis\ema nervioso de ros platelmintos tiene ur~ cerebro Primitivo.

. Cerebro primitivo

(e) El sistema nervioso del gusano de tierra trene un cerebrosirrq>!e ygangllosa b largo de una cuerda nerviosa

----fJ!'A

subfaringeo

(d) 8 cerebro anterior de Jos peces es

Cuerda nerviosa ventral con gangri{)S

{f) El cerebro anterior humano dorilina el encéfalo.

p'equeño en cómparae!ón con el resto 'del encéfalo.

Cerebro

293

A~

·anterior~

1

fJJ FIGURA 9-1 Evofudón del sistema nervioso

tendales de acción y las señales químicas que atraviesan las sinapsis son iguales en todos los animales. Es só~o la cantidad de neuronas y· su organización lo que diferencia a una especie de otra R !;,IÍI S 1Ó N >;JO_,~::·. 1. Relacione cada una de las siguientes expresiones con ';&f;Y" e!l!os tipo/s de neurona apropiado!s:a) Neurona aferente b) Señal eferente e} Centro integrador d) Señal de entrada e) Señal de salida

1.1nterneurona 2, Neurona motora 3. Neurona sensitiva Respuesta en fa. p. 326

En los platelmintos primitivos observamos los inicios de un sistema nervioso como lo conocemos en los animales superiores, aunque en los platelmintos la distinción entre sistema nervioso central y sistema nervioso periférico no es clara. Los platelmintos tienen tUl cerebro rudimentario que consiste en -un cOnjunto de cuerpos de células nerviosas concentrados en la región .de la cabe· za (cefálica). Dos grandes nervios denominados cuerdas nerviosas salen del cerebro primitivo y conducen a ~a red nerviosa que inerva las regiones distales del cuerpo del platelminto (Fig. 9-lb). Los gusanos segmentados o anélidos, como la lombriz de tierra, tiep.en un sistema nervioso central más avanzado (Fig. 9-lc),

Los conjuntos de cuerpos Celulares ya no están limitados a la región cefálica, coill.o lo están en los platelmintos, sino que se presentan también en pares fusionados, denominados ganglios ( ~ p. 250), a l9largo de una cuerda nerviosa. Como Cada segmento del gusano contiene un ganglio, los reflejos simples pueden ser integrados dentro de un segmento sin aferencias desde el encéfa. lo. Reflejos que no requieren integración encefálica también ocurren en los animales superiores y se denominan reflejos·esplna• les en los seres humanos y otros vertebrados. Los anélidos y los lnvertebrados superiores tienen reflejos complejos controlados a través de redes nerviosas. Los investigadores utilizan a-las sanguijuelas (un tipo de anélido) y Aplysia, un tipo de molusco sln concha, para eStudiar las redes neurales y la formación de slnapsis porque las neuronas de estas especies son 10 veces más grandes que las del cerebro humano, y porque las redes tienen cantidades idénticas de neuronas de un animal a otro. La función neural de estos lnvertebrados proporciona un modelo simple que podemos aplicar a las redes de los vertebrados más complejos. Los cuerpos de las células nerviosas agrupados en los encéfa· los persisten en todos los filos más avanzados y se vuelven cada vez más complejos. Una ventaja de los cerebros cefálicos es que, en la mayoría de los animales, la cabeza es la parte del cuerpo que primero hace contacto con el medioarnbiente a medida que el animal se mueve. Por lo tanto, a medida que el encéfalo evolucio-naba, aumentaba la asociación con receptores cefálicos espedali·

Anatomfa del sistema nervioso centra!

295

Capítulo 9 El sistema nervioso central

294

zados, como ojos para la visión y quimlorreceptores para olfato y

ANATOMÍA DEL SiSTEMA NERVIOSO

gusto.

CENTRAL

En los artrópodos superiores, como los inSectos, regiones espe.

cificas del encéfalo se asocian con funciones particulares. Cerebros más complejos se asocian con conductas complejas, como la capacidad de los insectos sociales para organizaiSe en colonias, diVidir el trabajo y comunicarse. El pulpo (un molusco cefalópodo) tiene, entre los invertebrados, el desarrollo encefálico, y la conducta más complejos. En la evolución encefálica de los vertebrados, el cambio más espectacular se observa en la región del cerebro o encéfalo anterior, que induye el cerebro propiamente dicho. En Jos peces, el cere-. bro anterior es una protrusión pequeña (Fig. 9-ld) dedicada prin· dpalmente a procesar la información olfatoña sobre los olores en el medioambiente. En las aves y los roedores, parte del encéfalo anterior se ha ensanchado en uri cerebro con superficie lisa (Ftg. 9-le). En los seres humanos, el cerebro es la parte más grande y característica del encéfalo, con surcos profundos y pliegues {Fig. 9-lf). Más que cualquier otra cosa, el cerebro es lo que nos vuelve humanos. Todas las pruebas 'indican que es la parte del encéfalo que permite el razonamiento y la cognición. La otra estructura encefálica cuya evolución es obvia en los vertebrados es el cerebelo, una región del cerebro o encéfalo posteriar dedicada a coordinar el movimiento y el equilibrio. Las aves (Fig. 9-le) y los seres humanos (Fig. 9-lf) tienen estntcturas cerebelosas bien desarrolladas. El cerebelo, al igual que el cerebro, es fácilmente identificable en estos filos por sus surcos y pliegues. En este capítulo se comienza con una reseña general de la anatomía y las fundones del sistema nervioso central. Luego se observa de qué modo las redes neurales crean las fundones encefálicas superiores de pensamiento y emoción.

El sistema nervioso central (SNC) de los ~itebrados consiste en el encéfalo y la médula espinal. Como-se Vio en la sección anterior, los encéfalos aumentan en complejidad y en grado de especialización a medida que ascendemos en el árbol filogenético desde los peces hasta los seres humanos. Sin embargo, sí observa· mos el sistema nervioso de los vertebrados durante el desarrollo, surge un patrón anatómico básico. En todos los vertebrados, el SNC corisiste en capas de tejido nervioso que rodean una cavidad central llena de líquido yrevesti~ por epitelio.

{a) Un embrión de 4 semanas que muestra el extremo anterior del tubo netfr?l, que se ha especializado en !res reglones encefálicas

(b) A las 6 semanas, el tubo neural se ha dlferenciado en ras reglones encefálicas presentes al nacimiento. La cayjdad central6uz) que se muest!a en el corte transversal se convertirá en Jos venbicuJos encefálicos. {Véase F_¡g. 9-5}

{e) Para las 11 semanas de desarrollo embrionario, el crecimiento del cerebro es notablemente más rápido que el de las otras divisiones

001 encéfalo.

"""''"

~~~

(a} Embrión de 20 dlas (vista dorsal)

luz del tubo neural {d) En el momento del nacim!enlo, el cerebro ha cub!erto la mayor

parte de fas otras reglones del encéfalo. Su rápido crocimlento dentro de los límites rigkfos del cráneo Jo fuerza a desarrollar una superficie con circunvoluciones y surcos.

{e) las direcc¡ones =dorsal~ y "verrtrnl" son ólferentes en el encéfalo deb!do a fa fWxlón del tubo neuraJ dmante el desarrollo,

{b) Embrión de 23 dfas {viSta dorsal)

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:RASrnEO DÉLÁS NEURONAS EN UNA RE!l'

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Uno de los desaffQs.q~e en~~n~n ~~s· ~e:~-rl)~:~iÓ!oJ~~ Yi~~ ri_eu-.roanatomistas es rastre:?r laS _redes_de n~uronas qüe c-OritrÓ!af\ funciones espedficas, tarea que· puede ~r asb11IIa.da a _s_ei;¡ui_r_auna he-bra pequeña a tr~Vé"sde u_~a ~asaen_Jl'l~rañcld~._qel_ ~-~.­ maño de una pelota de_ pi~Y?· En w7.1, J<;•. -~ríitensso~~y_ cól~•. in(: . trodujeron el uso de .la peroxidása'de-_rábano_~(can~e.:un_a, _e!'JZÍ~, ma que_ actúa en preserida_ d_~ su sUstrato. pará.pr~du_dr u.n: pro-_.: dueto visible. CuandO 1a._inyéctan:·.en 'el _líquido__e:re$C'éñ~; los_ e::-, dentífio:>s pueden incluso decir qué ·canal~ i_óilko_s, ~ri~uroitáns·-: misores y receptores utiliza ~a neu~ona. --.

!i1!l

FIGURA g..3 El tubo neural se especializa en las siete regiones prindpales del sistema nervioso

El sistema nervioso central se desa"ol/a a partir de un tubo hueco liil FIGURA 9-2 El sistema nervioso embrionario (a) En el embrión de 20 días, las c.élutas. de la placa neural (violeta) comienzan a migrar hacia la lfnea media, donde se fusionan para formar el tubo neural. las células de la cresta neural migran con las células de la placa neural. {b) Para el dfa 23,1a formación del tubo neural casi está completa. El tubo neural se convertirá en el sistema nervioso central. Las células de la cresta neural sobre la cara dorsal del embrión evolucionarán en neuronas sensitivas, sensoriales y motoras del sistema nervioso periférico.

En el enibrión muy temprano, las células que se convertirán en el sistema nervioso se ubican en uná región aplanada denominada placa neural. A medida que el desarrollo· prosigue (aproximadamente el dfa 20 en el humano), las células de la placa neural a lo largo del borde migran hada la línea media (Fig, 9-2a il}. Aproximadamente el día 23, las células de la placa neural se ·han ·fusionado entre sí, aeahdo el tubo neural (F_¡g. 9~2b). Las ce1ulas de la cresta neuml de los bordes laterales de la placa neural se ubican ahqra dorsales al tubo neural.

La luz del tubo neural se mantiene hueca y se convierte en la cavidad central del SNC. Las células que revisten el tubo neural se diferenctan en _el epitelio del epéndimo {ili p. 252) o se mantienen Como células troncales indiferenciadas. Las capas celulares externas del tubo neural se convierten en las ·neuronas y la g1ía del SNC. Las células de la cresta neural se convierten en las neuronas sensitivas y motoras del sistema nervioso periférico. Para la semana 4 del desarrollo humano, la porción anterior del tubo neural ha comenzado a espedalizarse en las regiones del encéfalo (Fig. 9-3 11). Tres divisiones se advierten con daridad: el cerebro anterior o prosencéfalo, el mesencéfalo y el cerebro

1

296

Capítulo 9 El sistema nervioso central

posterior o romboencéfalo. La parte del tubo más allá del cerebro posterior se convertirá en la médula espinaL En este estadio, la por· dón del cerebiO anterior o prosencéfalo que se..convertirá en el ce· rebro no es mucho más grande que las otras regiones del encéfalo. A medida que el desarrollo prosigue, el crecimiento del cerebiO se hace más rápido que el de las otras regiones (Fig. 9·3b). Para la semana 6, el SNC ha formado las siete dívisiones importantes que es.. tán presentes en el momento del nacimiento. Seis de estas regiones están en el encéfalo -1) el cerebro, 2) el dlencéfalo, 3) el mesencéfalo 4) y S) el cerebelo y la protuberancia, 6) el bulbo raquídeo- y la séptima es la médula espinal. El cerebro y el diencéfalo se desarrollan a partir del cerebro anterior. El cerebelo, la protuberancia y el bulbo raquídeo son dívisiones del cerebro posterior. Para la semana 6, la cavidad central {luz) del tubo neural ha comenz¡¡.do a formar los ventrículos huecos (ventrirulus, vientre). Exis· ten dos ventJfculos laterales (el primero y el segundo) y dos venbfcu.. los descendentes (el tercero y el cuarto). La cavidad central del tubo neural también se convierte en el conducto central de la médula espinal. Para la semana 11, el cerebro ha crecido notablemente (Fig. 9-3c) y en el momento del nacimiento el cerebro es la estructura más grande y más obvia que vemos cuando miramos el encéfalo humano (Fig. 9·3d). El cerebro completamente desarrollado rodea el dien·

céfalo, el mesencéfalo y la protuberancia,. dejando sólo al cerebelo y el bulbo .raquídeo visibles JXJr debajo de éL Debido a la flexión (mclinadón) del tubo neural al comienzo del desarrollo (véase Fig. 9· 3b), algunos ténp.!nos direccionales tienen significados diferentes cuando son aplicados al encéfalo {Fig. 9.Je).

El sistema nervioso central está dividido en sustanda grls y sustanda blanca El sistema nervioso central, al igual que el sistema nervioso periférico, está compuesto por neuronas y células de la glía de sostén. Como señaló en el capítulo. 8, las intemeuronas son neuronas contenidas completamente en el SNC. Las neuronas serisitivas (afe. rentes) y las eferentes conectan las intemeuronas con los receptores y efectores periféricos. Cuando se visualizan a nivel macroscópico, los tejidos del SNC están dívididos en sustancia gris y sustancia blanca {Fig. 9-4c 1.9). La sustancia griS está constituida pór. cuerpos de células nerviosas amielinicos, dendritas y tenninadones axónicas.. Los cuerpos celulares están ensamblados de forma organizada tanto en el encéfalo como en la médula espinal. En algunas paries del encéfalo forman capas y en otras se reúnen ert grupos de neuronas ciue tienen fun. dones similares._ Los grupos de cuerpos celulares en el encéfalo y la médUla espinal se conocen como núcleos, y suelen identificarse mediante nombres específicos, como el núcleo geniculado lateral, donde se procesa la informadón visuaL La sustancia blanca está formada prindpalmente por axones mielinicos y contiene muy pocos cuerpos celulares. Su color claro piOviene de las vainas de mielina que rodean a los axones. Los ha· ces de axones que conectan difererttes regiones del SNC se conocen como tractos. Los tractos del sistema ~oso central son equiva· lentes a los nervios del sistema nervioso perlférlco. La consistencia del eru:éfalo y la médula espinal es blanda y gelatinosa. Aunque las neuronas y las células de la glía individuales

se

Anatomía del sistema nervioso central tienen dtoesqueletos internos altamente organ.Íz¡ldos que mantienen la forma y la orientación celular, el tejido-.nervioso tiene una matriz extracelular mínima y depende de 5tructutas externas para protegerse de los traumatismos. Estas estructuras S?f! la cubierta ex· tema ósea, tres capas de membrana de tejido conectivo y el líquido entre las membranas.

297

UMEN ANATÓMICO

RE.VISIÓN 2. Mencione los cuatro tipos de (élulas de la glfa hallados en el SNC y describa !a/s fundón!es de cada uno de · ellos.

{b) Las capas menfngeas amo~guan y protegen al delicado tejido neural.

Respuesta en la p. 326

""""'

El hueso y el tejido conectivo sostienen el sistema nervioso central

Duramadre

Seno venoso

En los vertebrados, el encéfalo está encerrado en un cráneo óseo {Fig. 9-4a) y la médula espinal discurre a través de un canal en la columna vertebral. La segmentadón corporal que es carac-

Aracnoides

terística de muchos invertebrados se pue<:[e ver en las vértebras óseas, que están apiladas unas sobre otras y separadas por discos de tejido conectivo. "Nervios del sistema nervioso periférico en· tran y salen de la médula espinal atravesando escotaduras. entre las vértebras apiladas (Fig. 9-4c). Tres capas de membrana, denominadas en conjunto las meninges (singular meninge, membrana), se ubican entre los huesos y los tejidos del sistema nervioso central. Estas membranas ayu· dan a estabilizar el tejido nervioso Yprotegerlo de los golpes contra los huesos del esqueleto. Comenzando desde los huesos y moviéndose hada el tejido nervioso, las membranas son: 1) la dura· madre, 2) la aracnoides y 3) la piamadre (Fig. 9·4b, e). La piainadre (pius, piadosa; mater, madre) es una delgada membrana que se adhiere a la superficie del encéfalo y la médula espinal. Las"arterias que irrigim el encéfalo están vinculadas con esta capa. La aracnoides (aracnoides, similar a una telaraña) está unida laxa. mente· a la piamadre y deja un espade $baraataideo entte las dos capas. La duramadre (durare, durar) es gruesa (duradero) y se vin· Cula con venas que drenan sangre desde el encéfalo a ti:avés de va· sos o cavidades denominados senos. El componente protector final dl'!l SNC es el líquido eXtracelu· lar que sirve de amortiguador al delicado tejido nervioSo. El cráneo tiene un volumen Interno de 1,4 L, de los cuales alrededor de 1 L está ocupado por células. El volumen restante está dividido en dos compartimentos extracelulares distintos: la sangre (100-150 mL) y los lfquidos cefalorraqtúdeo e intersticial (250·300 mL). El líquido cefalorraquídeo y el líquido intersticial juntos forman el medíoambiente extracelulai para las neuronas. El liquido inters· tictal se ubica por dentro de la piamadte; el líquido cefalorraquí· deo se encuentra en los ventrículos y en el espado entre la pia· madre y la membrana aracnoides. Los dos líquidos se comunican entre ellos a través de uniones permeables de la piamadre r la capa de células del epéndimo que reviste loS ventrículos.

Encéfalo Espaci-o subdural

PRIEGUNTAS Moviéndose desde el cráneo hacia adentro, menciona las meninges que forman los límites del seno venoso y ros espacios subduml y subaracnoideo. (e} Vista posterior de la médula espinal y !as vértebras

R E·_'i'l S 1 Ó N

'·"'" ,:['3. ¿Qué es un garlglio? ¿Cuál es la estructura equivalente en el SNC? 4. ¿A qué estructura organizativa de! SNCson equivalen· tes !os nervios periféricos? Respuestas en la p. 326

Espacio subaracno!deo

lil FIGURA9-4

1

298

Capítulo 9 El sistema nervioso central

Anatomía dél sistema nervioso central

(•1

299

~1

UMEN A"ATÓMICO liQUIDO CEFALORRAQUh>EO (a) Ventrfculos del encéfalo

los venlrfcu!os laterales son el primero y el segtl!!do ven!rfculos. 8 ten:ero y

las prolongaciones de los as!rncitos secretan

el cuarto venllírulos se extiendan a través del

sustancias paracrinas que

tronco encefálico y

promue.ven !a fonnacfón de

conectan con el conducto central que

uniorws éstrechas.

discurre a !ravés de la

La unión estrecha impide el movimiento de ~!utos entre !as

médula sspinal Compárese

la vista frorrtal con el corte transversal en la figl.ll'a ~b.

l..llZ del capilar

células endoteliales.

mFIGURA 9-6 La barrera hematoencefálica {b) El !fquido cefalorraqufdeo es secretado en los ventrículos y fluye en todo e! e$pacio Plexo coroideo. subaracnokloo dOOOe sirve de amortlquador del tetcerventrk a! sistema ne!VIoso centraL

1

iHJGURA9·5

{d) El Uquklo cefa!orraqufdeo es reabsorbido nuevamente hacia la sangre-en las proyecciones dfgitifonnes de la aracnoides denominadas vellosidades.

El movimiento de sustancias a través de la barrera hematoencefá!ica ertá regulado para proteger a las neuronas de potenciales noxas en la sangre. ·

El encéfalo flota en el líquido cefalorraquídeo El líquido cefalonaquídeo es una soluctón salina secretada continuamente por el plexo coroideo, una reglón especializada sobre las paredes de los ventrículos (Flg. 9-Sb m). El plexo coroideo es notablemente similar al tejido renal y consiste en capilares yun epi· teliode transporte ( ~ p. 73) derivado del epéndlmo. Las células del . plexo coroideo bombean selectivamente sodio y otros solutos desde el plasma hacia los ventrículos y crean un gradiente osmótico que atrae agua juntamente con Ios solutos (Fig. 9.Sc). Desde los ventrículos, el liquido cefalouaquídeo fluye hada el espado subatacnoideo entre la piamadre y la aracnoides, y rodea todo el encéfalo y la médula espinal con liquido (Fig. 9-Sb). El_liquido cefalonaqtúdeo fluye alrededor del tejido nervioso y es absotbi· do finalmente de nuevo hada la sangre por vellosidades especiales sobre la aracnoides en el cráneo (Fig. 9-Sd). La velocidad de flujo del · liquido a través del sistema nervioso central es suficiente cozño pata reponer todo el volumen de líquido cefalonaqtúdeo aproximada. mente tres veces al día. FJ líquido cefalorraquídeo cumple dos propósitos: protección fí. sica y protección química. El encéfalo y la médula espinal flotan en la delgada capa de liquido entre las membranas. I.a flotabilidad del liquido cefalorraqtúdeo reduce el peso del encéfalo casi 30 veces. Esta disminución del peso se traduce en una menor presión sobre los vasos sanguíneos y los nervios unidos al SNC. El liquido cefalorraquídeo también propoidona un cojín protec· tor. Cuando ocurre tm golpe en la cabeza, el líquido debe ser comprimido antes de que el encéfalo pueda golpear el interior del crá.· neo. Para tener un ejemplo del poder protector del líquido cefalorraquídeo, sacuda un_trozo de tofu (que representa el en~o) en una jarra vacía. Luego sacuda otro trozo de tofu en una jarra completa· mente llena con agua para ver cómo el líquido cefalorraquídeo protege al encéfalo. Además de proteger fisi.camente los delicados tejidos del SNC, el líquido cefalorraqtúdeo crea un medio extra:celular cuidadosamente re~ado para las neuronas. El plexo coroideo es ~electivo sobre qué

sustancias transportar hada los ventrículos, y como resultado la composición del líquido cefalonaquídeo es diferente de la del pras. ma. Las concentraciones de K+, eaz.., HC03- y glucosa son más ba· jasen el líquido cefalorraqtúdeo y la concentración de H~ es más alta. Sólo la concentradón de Na+ en líquido cefalorraquídeo es simi· lar a la de la sangre. Además, el líquido cefalonaquídeo contiene muy pocas proteínas y ningún eritrocito. El líquido cefalorraquídeo intercambia solutos con el líquido in· terstidal del SNC y proporciona una vía por la cual se pueden elimi. nar los desechos. Desde el punto de vista clínico, se presume que tma muestra de líquido cefalorraquídeo es tm indicador del me.dioambiente químico en el encéfalo. El procedimiento de muestreo, conOCido_ como punción lumbar, se realiza generalmente extrayendo líquido del espado subaracnoideo entre las vértebras en el extre:rno inferior de la médula espilial. La presencia de proteínas o eritrocitos en el líquido cefalorraquídeo sugiere infección. o"},

r:,-R e:if-·1 S 1 ó N 51 la concentración de W en liquido cefa!orraqufdeo ;;¿;:' es mayor que la de la sangre, ¿qué puede decir sobre el pH dellCR? 6. Si Se rompe como resultado de un golpe en el cráneo un vaso sanguíneo que yace entre las meninges, ¿qué predice que podrfa suceder? 7. ¿El liquido cefalorraqufdeo es más similar a! plasma o al liquido intersticial? Justifique su respuesta.

,,<-_o_,:··,'.> 0~~1.,;;fi 5.

Respuestas en !a p. 326

La barrera hematoencefálica protege al encéfalo

de las sustancias nodvas en la sángre La capa final de protecdón para el encéfalo es una barrera fun. dona! entre el liquido intersticial y la sangre. Esta barrera es ne-cesaria para aislar el principal centro de control del cuerpo de sus-tandas potencialmente nodvas en la sangre y de patógenos transportados por ella, por ejemplo bacterias. Para lograr esta pro. tección, la mayoría de los 600 kilómetros de capilares encefálicos

1

300

capítulo 9 El sistema nervioso central

tienen una b~ra .-hematoencefálica funcional {Fig. 9-6 §}. Aunque no es literalmente una.parrera, la penneabilidad selectiva de los capilares encefálicos protege al encéfalO de toxinas y de fluctuaciones en hormonas, iones ysustandas neuroactivas como neurotransmisores en la sangre. ¿Por qué los capilares encefálicos son mucho menos permeables que otros capilares? En la mayoría de los capilares, las uniones permeables intercelulares y los poros permiten el libre intercambio de solutos entre el plasma y el líquido intersticial ( &3p. 72). Pero en los capilares encefálicos, las células endoteliales foJ:. man uniones estrechas entre ellas, uniones que impiden el mOVimiento de solutos entre las células. Al parecer, la fonnadón de uniones estrechas es inducida por señales paracrinas provenientes de astrodtos adyacentes, cuyas prolongaciones parecidas a pies rodean a los capilares. Por lo tanto, es el tejido encefálico propiamente dicho el que crea la barrera hématoencefálica. La permeabilidad selectiva de la barrera hematoencefálica pUede atribuirSe a sus propiedades de transporte. El endotelio capilar utiliza transportadores y canales de membrana selectivos pa. ra trasladar nutrientes y otros materiales útiles desde la sangre hada el líquido intersticial encefálico. Otros ttansportadores extraen los desechos desde el líquido intersticial hada el plasma. Si una molécula hidrosoluble no es transportada sobre uno de estos transportadores no puede atravesar la barrera hematoencefálica. Una ilustración interesante del modo en que fundona la barrera hematoencefálica se observa en la enfermedad de Parkinson, un trastorno neurológico en el cual las concentraciones encefálicas del neurotransmisor dopamina son demasiado bajas porque las neuronas dopaminérgicas están dañadas o muertas. La dopa. mina administrada en una píldora o una inyección no es eficaz porque es incapaz de atravesar la barrera hematoencefálica. Pero, el precursor de la dopamina L-dopa sí es llevado a través de las células de la barrera hematoencefálica sobre un. transportador de aminoácidos (~p. 144). Una vez que las neuronas tienen acceso a la L.dopa en el líquido intersticia~ la transforman en dopa. mina y se corrige así la defictenda. Aunque la barrera hematoencefálica excluye a muchas sustancias hidrosolubles, las moléculas llposolubles más pequeñas pueden difundir a través de las membranas celulares (&!p. 135). Ésta es una razón de por qué algunos antihistamúticos pueden pro· dudr sueño pero otros no lo hacen. Lbs.antihistam.ínicos más antiguos eran aminas liposolubles que atravesaban fádlmente la barrera hematoencefálica y actuaban sobre los centros encefálicos que controlaban el estado de alerta. Los agentes más nuevos son mucho menos liposolubles y en consecuencia no tienen el mis· mo efecto sedante. Algunas áreas del encéfalo carecen de una barrera hematoencefálica functop.al porque sus capilares tienen un endotelio per. meable como la mayor parte del resto del cuerpo. En estas áreas del encéfalo, la función de las neuronas adyacentes depende de alguna forma del contacto dire$ con la sangre. Por ejemplo, la hipófisis pos~or libera hormonas neurosecretoras que deben pasar a los capilares para distribuirse en todo el cuerpo ( g¡¡¡p. 226). Otra región que carece de barreia hematoencefálica es el centro del ·v~mito en el bulbo raquídeo. Estas neuronas monitorizan la sangre en busca de sustancias extrañas posiblemente tó-. xicas, como fármacos. Si encuentran algo nodvo, inidan un re-

la médula espinal

Las neuronas son eXigéntes en :10 que_ refiere. a su alimento.' En

la mayo:ría de las drcunSta!]das, la única biomolé
1

de metabolizar las cetonas producidas por la degradadón dé las grasas ( ¡gp. lliD. Según algunas estimaciones, el cerebro es responsable de alrededor del SO% del consumo de glucosa del cuerpo. Fn consecuenda, el cuerpo utiliza varias vías homeostáticas para asegurarse de que las concentraciones de glucosa en la sangre son siempre sufictentes para cubrir la demanda encefálica. Si la homeostasis fracasa, la hipoglucemia (bajas concentradones _de glucosa en la sangre) progresiva conduce a confusión, inconsdenda y finalmente la muerte. Después de esta reseña general del sistema nervioso central, se examinarán la estructura y la función de la médula espinal y el encéfalo con más detalle. R.EVISIÓN

flejo. Los vómitos expulsan el contenido del sistema digestivo y eliminan las toxinas ingeridas.

El tejido nervioso tiene requerimientos metabólicos especiales Una propiedad singular del sistema nervioso centtal es su metabolismo especializado. Las neuronas requieren un aporte constante de oxígeno y glucosa para formar AJP para el transporte activo de iones y neurottansmisores. El oxígeno atraviesa libremente la barrera hematoencefálica y los ttansportadores de membra· na mueven la glucosa desde el plasma hasta el líquido intersticial encefálico. Concentraciones extraordinariamente bajas de cual· quiera deestos sustratos pueden tener resultados devastadores sobre la fundón encefálica. A causa de su demanda elevada de oxígeno, el encéfalo reabe aproximadamente el15% de la sangre bombeada por el corazón. Si se interrumpe el flujo sanguíneo, se produce daño encefálico después de algunos minutos sin oxígeno. Las neuronas son igual· mente sensibles a la falta de glucosa. En circunstancias normales, la única fuente de energía para las neuronas es la glucosa. (En situaciones de ayuno, el cerebro pue-

<"s. ¿En que orgánu!o tiene fugar la fosforiladón oxidativa? 9. Mencione las dos vfas metabólicas para el metabolismo

aerobio de la g!urosa. ¿Qué sucede con el NADH pro_.. · duddo en estas vías? 10. A fines

del siglo XIX. el cientffico Pau! Erlkh inyectó c_o_.. !orante azul en e! torrente sangufneo de animales y observó que todos los tejidos exc_epto e! encéfalo se teñían de ese color. Él no conoda !a barrera hematoen_.. cefálka y sacó una c_ondusión diferente a partir de esotos resultados. ¿Qué otra exp!ic_adón pudo haber-. propuesto Ehr!ich?

11. En un experimento ulterior, un estudiante de Ehrlich

inyectó el c_olorante en el líquido cefalorraquídeo de los mismos animales. ¿Qué piensa que vio respecto de la tinción en e! encéfalo y en otros tejidos corporales?

médula espinal, se produce una pérdida de la sensibilidad de Ia piel y los músculos y una parálisis, que es la pérdida de la capacidad pa· ra controlar voluntariamente los músculos. La médula espinal está dividida en cuatro regiones (cetvical, torá· cica, lumbar y sacra), nombres que corresponden a las vértebras correspondientes (véase Fig. 9-4a). Cada región medular está subdivi· dida en segmentos y cada segmento da origen a un par de nervios espinales. Poco antes de que un nervio espinal se una con la médu· la espinal, se divide en dos ramas llamadas raíces (Flg. 9-7a {$. La raíz dorsal de cada nervio espinal se especializa en llevar la irúormadón sensitiva entrante. Los ganglios de la raíz dorsal, protube· raudas en las raíces dorsales inmediatamente antes de que entren en la médula (Fig. 9~7b), contienen los cuerpos celulares de las neuronas sensitivas. La raíz ventral transporta irúormadón desde el sistema nervioso central hasta músculos y glándulas. En el corte transversal, la médula espinal tiene un centro de sustancia gris con forma de mariposa o de H y un reborde circundante de sustanda blanca. Las fibras sensitivas provenientes de las raíces dorsales hacen sinapsis con intemeuronas en las astas dorsales de la sustancia gris. Los cuerpos de las células del asta dorsal están organizados en dos núcleos distintos, uno para información somática y uno para información viscetal (Flg. 9-7b). Las astas ventrales de la sustanda gris contienen los cuerpos celulares de las neuronas motoras que transportan señales eferentes hada los músculos y las glándulas. Las astas ventrales están organi· zadas en los núcleos motores somáticos y autónomos. Las fibns efe. rentes abandonan la médula espinal a través de la raíz ventral. La sustancia blanca de la médula espinal es el equivalente biológico de los cables de fibra óptiCa que utilizan las compañías telefónicas para transmitir nuestros sistemas de comunicadón. La sustan· da blanca puede dividirse en varias columnas compuestas por tractos de axones que transfieren la información en sentido ascendente o desc_endente por el cordón. Los tractos ascendentes llevan la in· fonnadón sensitiva hasta el encéfalo. Ocupan las porciones dorsal y lateral externa de la médula es_pinal(Fig. 9-7c). Los tractos descendentes transportan señales prindpalmente eferentes (motoras) des· de el encéfalo hasta la médula espinal. Ocupan las porciones ventral y lateral interior de la sustanda blanca. Los tractos propioespina· les fpropius, propio) son los que permanecen dentro de la médula. La médula espinal puede funcionar como un centro integrador autocontenido para los reflejos medulares simples, en el que las señales pasan desde una neurona sensitiva a través de la sustancia gris hasta una neurona eferente (Fig. 9-8 li!l). Además, las intemeuronas medulares pueden llevar información sensitiva hada el encéfalo a través de tractos ascendentes o llevar órdenes desde el encéfalo ha· da las neuronas motoras. En muchos casos, las intemeuronas también modifican la información que llega a ellas. Los reflejos desem· pefian ·un papel crítico en la coordinación del movimiento y sezán explicados con más detalle en el capítulo 13.

Respuestas en la p. 326

LA MÉDULA ESPINAL La médula espinal es la prindpal vía para el flujo de informa· ción en ambos sentidos entre el encéfalo y la pie~ las articulaciones y los músculos del cuerpo. Además, la médula espinal contiene redes neurales responsables de la locomoción. Si ~e secdona la

301

R_,(VISIÓN

:\ ''/12. ¿Cuáles son las diferencias entre astas, raíces, tractos y

columnas de la médula espinal? 13. Si se se<:ciona una raíz dorsal de la médula espinal,

¿qué función se interrumpirá? Respuestas en la p. 326

1

El encéfalo

302

303

Capítulo 9 El sistema nervioso central

(a) Un segmento de la médula espinal, vista ventral, que muestra su par de nervios

"' " '" ' g.~.wr-""' ""'""0'"""")h~ ~-

transporta información

haCia eJ SNC -

'f:7 /

~ : ·

Ralt ventrel: transporta _información motora (eferonte) hacia los músculos y las glándulas

Médula

espinal

(b) La sustancia gris está formada por núcleos sensitiVos y motores

Un reflejo esplnallnlcla

una respuesta sin aferencias del cerebro.

{e) la sustancia blanca en la médula espinal está formada por axones que transportan información hacia el encéfalo y desde él.

fil FIGURA 9·8 La médula espinal es un centro integrador

En un reflejo espinal, -la información sensitiva que ingresa a la médula espinal dispara respuestas sin aferendas por parte del encéfalo, pero dicha información sensitiva puede ser enviada al cerebro.

EL ENCÉFALO

¡)

@ Los tractos ascendentes transrriten información senslllVa hacia el encéfalo.

;j \

[;ill] Los tractos descendentes transmiten órdenes a las neuronas motQras. ·

~ FIGURA 9-7 Espeáalizadón en la médula espinal .

NOMBRE

TIPO

RJNQÓN

Olfatorio

Sensitivo

Información olfativa (olfato) proveniente de la nariz

Óptico

Sensitivo

litformad6n visual proveniente de los ojos

111

Oculomotor {Motor ocular común)

MoW

Movimiento ocular, constricción pupilar, forma del oista!lno

IV

Trodear (Patético)

Motor

V

Trigémlno

Mi rel="nofollow">

Vl

Abducens (Motor ocular externo)

Motor

Movimiento ocular

VIl

Facial

Mixto

Vlll

Vestibu!ococlear {Auditivo)

--

Sensorial para el gusto; señales eferentes para glándulas lagrimales y salivales, expresión fadal

Sensitivo

Audición y equilibrio

IX

Glosofaríngeo

Mixto

Sensitivo para la cavidad oral; barorreceptores y quimiorreceptores en vasos San· gufneos; eferente para deglución, secreción de la glándula salival parótida

X

Vago

Mi>

Sensitivo y eferentes para muchos órganos internos, mústulos y glándulas

XI

Espinal accesorio

~-:- __ ~~"tnr

Músculos de la cavidad bucal, algunos músculos en el ruello y el hombro

'"'

Hipogloso

1\iiQ(VI

Mústulos de la lengua

NOMERO

""""""'1"'"'~· ./'" SUstancia gris

Hace miles de añOS, Aristóteles declaró que el corazón era el asiento del alma. En la actUalidad, Sin embargo,la máyoría de las personas concuerda en que el cerebro es el órgano que brinda a la especie humana sus atributos singulares. El desafío que hoy en· frentan los científicos es comprender de qué modo los circuitos formados por millones de neuronás producen conductas complejas como hablar, componer una sinfo~a o crear un lenguaje Una· ginario para un juego computarizado interactivo. La función cerebral puede ser la mAs importante de todas las propiedades emergentes (@!p. 6). La duda es si en algún momento podremOS descifrar cómo las emociones felicidad y amor surgen a partir de señales químicas y eléctricas que pasan a lo largo de los circuitOS de las neruonas. Es posible estudiar el encéfalo en muchos niveles de organiza· ción. Fl punto de vista más reduccionista considera a las nemanas individuales y lo que les sucede en respuesta a señales quími· cas o eléctricas. Un esJ;udio más integrador podría observar g:ru· pos de neuronas y cómo interactúan entre ellas en drcu:itos o vías. El erúoque más complicado comienza con una conducta o respuesta fisiológica e investiga hada atrás para identificar los ctrcui· tos neurales que crean esa conducta o respuesta.

. Movimiento ooJ!ar Información sensitiva del rostro y la boca; señales motora<,; para la mastlcad6n

Durante siglos, los estudios de la función encefálica se limita· en cierta fonna. su anatomía es sllnilar a la de la médula espinal. ron a descripciones anatómicas. Sin embargo, no existe ninguna Algunos tractos ascendentes de la médula espinal atraviesan el tronco encefálico, mientras que otros hacen sinapsis allí. Los trae~ relación 1:1 entre estructura y función cuando se observa el encéfalo. El cerebro humano adulto tiene una masa de alrededor de 1 tos descendentes de los centros encefálicos superiores también 400 g y se estima que contiene 1012 neuronas. Cuando consideradiscurren a través del tronco encefálico en su camino hada la mémos que cada uno de estos millones de neuronas pueden recibir dula espinal. hasta 200 000 sinapsis, el número de conexiones neuronales poLos pares de nervios periféricos se ramifican al salir del tronco sibles es sobrecogedor. encefálico, de forma similar a los nervios espinales a lo largo de la médula espinal (Fig. 9-9d). Once de los 12 nervios craneales Un pñncipio básico que se debe recordar cuando se estudia el encéfalo es que una función, aun una aparentemente sencilla co(números ll·Xll) se originan a lo largo del tronco encefálico. (El mo flexionar un dedo, involucrará varias regiones encefálicas (y primer nervio oaneal, el nervio olfatorio [I], entra en el cerebro anterior o prosencéfalo.) Los nervios craneales transmiten infor· de la médula espinal). Por otra parte, una región encefálica puede participar de variasfuncionesal mismo tiempo. En otras palamad6n sensitiva y motora para la cabeza y el cuello (cuadro 9-1 bras, la comprensión de la funcionalidad cerebral no es sencilla ni · 81) y se describen según que incluyan fibras sensitivas, fibras efeclara. rentes o ambas {nervios mixtos). Por ejemplo, el nervio craneal X, La figura 9-9 ta es un resumen anatómico que usted puede el nezyio vago (vagus, que vagabundea), es un nervio mixto que usar mientras estudiamos las principales regiones encefálicas, des... transporta tanto fibras sensitivas como motoras para muchosór· de las más primitivas a las más complejas. De las seis divisiones ganos internos. Un componente importante de un examen neuprincipales del encéfalo presentes en el momento del nacimiento rológico clínico es el examen de las funciones controladas por es(véase Fig. 9-3b), sólo el bulbo raquídeo, el cerebelo y el cerebro tos nervios. son visibles al observar el encéfalo intacto de perfil. Las tres diviLocalizados en todo el tronco encefálico se enc.uentran grupos siones restantes (diencéfalo, mesencéfalo y protuberancia) están separados de cuerpos de células nerviosas (rrúcleos). Muchos de es· cubiertas por el cerebro. tos núcleos se asocian con la fonnación reticular, una colecctón difusa de neuronas que se extiende a través de todo el tronco encefálico. El nombre retiailar deriva de ured" y se refiere a los axones El tronco encefálico es la transidón entre la .médula entrelazados que se ramifican profusamente hada arriba a las secespinal y el mesencéfalo dones superiores del encéfalo y hada abajo a la médula espinal. Los núcleos en el tronco encefálico partidpan en muchos procesos El tronco encefálico es la región mAs antigua y primitiva del básicos, que incluyen los estados de vigilia y sueño, el tono muscuencéfalo y consiste en estructuras que derivan del mesencéfalo y lar y los reflejos de estiramiento,la coordinación de la respíradón, el cerebro posterior o rombencéfalo embrionarios. El tronco en· la regulación de la presión arterial y la modulación del dolor. cefálico puede ser dividido en sustancia blanca y SU$ancia gris y

1 .

304

Capítulo 9 El sistema nervioso central El encéfalo

REVISIÓN ,14. ¿A cuál de las sustandas blanca o gris, pertenecen:

UM&N ANATÓMICO EL ENCÉFALO

REGIÚN

Cere~ro-(lóblll9!;frontafese_.-;. ,· ·-----.. --- ,__ _ parle~$ c:. -.'::--¡-:.~J->-" ._,

ytei'Jlporales:a) :. _. ,_, · .; --- ,,. < · o Corteza cerebral

(véase Fig. 9-15) Campos sensitivos

Áreas motoras Áreas de asociación

{e) El cráneo

e Gartglios basales (véase Fig, 9·11)

1 Perr.epdón esqueléticos Integración de la Información y dirección del movimiénto voluntario

Movimiento

0 Amígdala

Emoción y memoria

0 Hipocampo

Aprendizaje y memoria

@D!_Sri~iaiá -:'--~~:A9:_9.:1or '-<~-:-,:-·'

Q

.,.,< ..-;:;. -.

Tálamo

Hipotálamo

Centro integrador y estación de relevo para !a información sensitiva y motora

Homeostasls e impulsos conductuales

(véase cuadro 9·2) ,, Hipófisis

Secreción hormonal

s Glándula pineal

Secrecfón de melatonina

' Mesencéfalo

Movimiento ocular

o Protuberancia

Estaclón de relevo entre cerebro ycerebelo; coordinación de la respiración

e Bulbo raquldeo

Control de las funciones Involuntarias ·

lóbulo/Pro~cfa" temporal

Bulbo mquídeo

del tronco encefáfic::o-.

Fonnación reticular (véase Fig. 9-19)

a) los tractos ascendentes, b) !a formación reticular, e) !os tractos descendentes? 15. Utilizando !a información del cuadro 9--1, describa los tipos de actividades que le podría pedir a un paciente que haga si deseara evaluar la función de cada nervio craneal. 16. En !a terminología dlre<donal anatómica, e! cerebro, que se la
se dice que e

al tronco encefálico.

Movimiento de los mllsculos

e Sistema límb!co {véase F¡g. 9-13)

{d} VISta lateral

305

Estado de alerta. sueño, tono

muscular, modulación

del dolor

Respuestas en la p. 326

El tronco encefálico está constituido por el bulbo raquídeo, la protuberanda y el mesencéfalo Comenzando en la médula espinal y en direcctón a la parte superior del cráneo, el "tronco encefálico incluye el bulbo raquí· deo, la protuberanda y el mesencéfalo (Fig. 9-9d). Algunos autores incluyen el cerebelo como parte del tronco encefálico. El cuar-~ to ventriculo con forma de diamante, visib.le en el rombencéfalo ·. . del embrión temprano (véase Fig. 9-3b), se encuentra en su interior y se conecta Con el conducto central de la médula espinal (véase Fig. 9--5). , El bulbo raquídeo, con frecuencia llan1ado sólo bulbo, es la "'• transidón de la médula espinal al cerebro (Fig. 9-9d). Su sustancia blanca incluye los tractos somatosensitivos ascenden. tes (soma, cuerpo) que llevan información sensitiva hacia el ce. rebroy lo~ tractos corttcoespinales descendentes que transmiten información desde el cerebro hada la médula espinal. Hasta el 90% de los tractos corticospinales atraviesan la linea media hasta el lado opuesto del cuerpo en una región del bulbo raquldeo conocida como las pirámides. Como resultado de este entrecruzamiento, cada lado del encéfalo controla el lado opuesto del cuerpo. La sustancia gris en el bulbo raquídeo in· cluye los núcleos que controlan muchas funciones inVolunta· das, como la presión arterial, la respiración, 1~ deglución y los vómitos. La protuberancia o puente (pons, puente; adjetivo, pontino) es una protrusión bulbosa sobre la cara ventral del tronco encefáli· co por encima del bulbo y por debajo del mesencéfalo. Como su función primaria es actuar como estación de relevo para la transferencia de infonnación entre el cerebelo y el cerebro, la prohiberancia a menudo se estudia junto con el cerebelo. la protuberanda también coordina el control de la respiración coli los centros en el bulbo raquídeo. La tercera región del tronco encefálico, el mesencéfa/o (mesas, mitad), es un área relativamente pequefia que se ubica entre el tronco encefálico inferior y el diencéfalo. La fundón primaria del mesencéfa{o es controlar el movimiento ocular, pero también transmite señales para los reflejos auditivos y visuales.

El cerebelo coordina el movimiento ¡¡¡FIGURA 9·9

'!

l!ll f1GURA 9-9 Continuación

El cerebelo es la segunda estructura más grande en el encéfalo (Figo 9·9a-c). Se localiza en la base del cráneo, inmediatamente por encima de la nuca. El nombre cerebelo (adjetivO cerebeloso) sig-

306

CapítUlo 9 El sistema nervioso central

El encéfalo

307 ·

El cerebro es el sitio de las funciones encefálicas superiores Como se seiialó antes en el capítulo, el cerebro es la porción más característica del encéfalo humano y llena la mayor parte de la cavidad craneal. Está compuesto por dos hemisferios conecta· dos principalmente por el cuerpo calloso (Figs. 9·9c y 9·10), Una estructura distintiva fonnada por axones que van de un lado al otro del cerebro. Esta conexión asegura que los dos hemisferios cerebrales se comuniquen y cooperen entre sí. Cada hemisferio cerebral está dividido en cuatro lóbulos, que reciben sus nombres según los huesos del cráneo debajo de los'cuales se localizan: frontal, parietal, temporal y ocdpital (Fig. 9·9b, e). La superficie del cerebro en los seres hunianos y otros primates tiene aspecto de nuez con depresiones denominadas sur· cos (sulcus, surco) qUe dividen las d!cunVoludones denominadas giros (gyrus, anillo o circulo). Durante el desarrollo, el cerebro crece más rápido que el cráneo d!cundante lo que hace que el tejido se pliegue sobre sí mismo para ajustarse a un volumen más pequeño. El grado de plegamiento está directamente rela· donado con el nivel de procesamiento del cual es capaz el cerebro; los mamíferos menos avanzados, como los roedores, tienen encéfalos con una superficie relativamente lisa. El encéfalo humano tiene tantas ctrcunvoludones que si fuera insufla. do lo sufiden~e como para alisar las superficies, seria tres veces· más grande y, se necesitaría una cabeza del tamaño de.:una pelota de playa.

1. Activa el sistema nervioso simpático

Controla la liberación de caterofaminas en la médula suprarrenal (como en la reacción de fucha o huida) Ayuda a mantener las concentraciones sangUineas de "glucosa mediante efectos sobre el pánCreas endocrino· 2. Mantiene !a temperatura corporal ~ Estifl!ula los escafofrfos y la sudoración 3. Controla la osmolarldad corporal Estimula la sed y la conducta de beber. • Estimula la secreción de vasopresina (&!p. 22~) 4. Controla las funciones reproductoras Dirige la secreción de oxitodna {para las contrae
mFIGURA 9·10 El diencéfalo El diencéfalo yace entre el tronco encefálico y el cerebro. El diencéfalo está formado por el tálamo, el hipotálamo, la g!án· dula pineal y la glándula hipófisis.

nifica upequefto cerebron. La función espedalizadadel cerebelo es procesar la información sensitiva y coordinar la ejecución del movimiento. Las aferendas sensitivas del cerebelo provienen de receptores somáticos en la pémerla del cuapo y de receptores para el equilibrio localizados en el oído interno. El cexebelo también recibe aferencias motoras de neuronas en el cerebro. La fundón cerebelosa se describe con más detall~ en el capítulo 13.

6. Interactúa con el sistema¡ Umbico pa~ influir en ¡¡j· cOnducta y las emociones ·

ventrículo lateral

?.Influye en el centro del control c-ardiovasru!ar en~~ bulbo raquf.

mFIGURA 9-11 Sustanda gris del cerebro

deo

8. Secreta hormonas tróficas que controlan la liberación de hormonas en la hipófisis anterior \_ .

El hipotálamo yace debajo del tálamo. Aunque el hipotálamo ocupa menos dell% del volumen encefálico total, es el centro de · la homeostasis y contiene centros para varios impulsos conductuales, como el hambre y la sed. Las eferencias del hipotálamo también influyen en muchas funciones de la división autónoma del sistema nervioso y en distintas furtdones endocrinas (cuadro 9-2 8). El hipotálamo redbe aferendas de múltiples orígenes, que El diencéfalo contiene los centros para la homeostasis incluyen el cerebro, la formación reticulai y distintos receptores El diencéfalo se ubica entre el -ttonco encefálico y el-cerebro. sensitivos. Las eferendas del hipotálamo Se dirigen primero hada Está compuesto por dos secciones principales (el tálamo y el hi· el tálamo y finalmente a múltiples vías-efectoras. potálamo) y dos estructuras endocrinas (las glándulas hipófisis y · Dos importantes estructuras endocrinas se localizan en el pineal) (Fig. 9·10 Fil). diencéfalo: la glándula hipófisis y la glándula pineal. La glándula La mayor parte del diencéfalo está orupada por muchos núcleos hipófisis fue descrita en el capítulo 7 {~p. 225). la hipófisis pospequeños que forman el tálamo (thalamus, dormitorio; adjetivo, taterior (neurohijlófisis) es una prolongaCión hada abajo del hipolámico). El tálamo recibe fibras sensitivas del tracto óptico, los oídos tálamo y secreta neurohomonas que se sintetizan en los núcleos y la médula espinal e informactó~ motora del cerebelo. Proyecta fi. hipotalámicos. La hipófisis anterior (adenohipófisis) es una ver· bras hada el cerebro, donde se procesa la información. El tálamo a dadera glándula endocrina. Sus hormonas están reguladas por menudo es descrito como una estación de relevo porque casi toda neurohormonas hipota1ámlcas secretadas en el sistema porta hipola información sensitiva proveniente de lils partes inferiores del SNC tálamo-hipofisario. La glándula pineal, que secreta la hormona pasa a través de él. Al igual que la médula espinal, el_tálamo puede melatonina, también fue presentada en el capítulo 7 ( ~p. 237) modificar la información que lo atraviesa, lo que lo convierte en un centro integrador y una estación de relevo. · y será explicada más adelante.

La corteza cerebral y los ganglios basales son dos de las tres regiones de sustancia gris en el cerebro. La tercera región, el sistema lfmbico, se detalla en la figura 9-13. la vista frontal que se muestra aqul es similar a la vista regional 9btenida con técnicas modernas de diagnóstico por imágenes.

REVJSIÓN ~?YComenzando en la médula espinal y a~ndiendo, P~,fi!i mencione las subdivisiones del tronco encefálico.

[;w,:· '.-~

.

18. ¿Cuáles son las cuatro estructuras principales del dien· céfalo? Respuestas en la p. 325

(a} capas celulares dentro de la sustancia gris

El cerebro tiene distintas regiones de sustancia gris y sustancia blanca la sustancia gris puede ser dividida en tres regiones prindpa· les: la corteza cerebral, los ganglios basales y el Sistema límbico. La corteza cerebral (cortex, corteza o cáscara; adjetivo cortiruO es la capa externa del cerebro y sólo tiene algunos milímetros de espesor (Fig. 9-119). Las neuronas de la corteza cerebral están dis-puestas en columnas verticales y capas horizontales anatómica· mente reconocibles (Fig. 9-12 m). De estas capas surgen nuestras funciones cerebrales superiores.

lb) Microfotografía de la corteza cerebral

1

j

mFI~URA 9·12 Cuerpos celulares en la com:za cerebral fonnan distintas capas

1 •

308

Función encefálica

Capítulo 9 El sistema nervioso central

Movimiento del músculo esquelético

-r

rteza rrit:Jtora prim!Ui~

hea de asoPación

'

'""""

' """'} n

Lóbulo frontal

Coordina la mformac1ón { proven1ente de otras áreas de asoclaclón, controla algunas

Área asoctac1ón

(a) Un reflejo neural simple

Desde el punto de vista anatómico, el sistema lrmbico forma parte de la sustancia gris del cerebro. la segunda región de la sustanda gris cerebral son los ganglios basales.. {Fig. 9·11) que partldpan en el control del movimiento y serán explicados en el capítulo 13. La texcera región es el sistema límbico (Iimbus, borde), que rodea al tronco encefálico (Fig. 9·13 W). Es probable que el sistema límbico represente la región más prlmiti·

va del cerebro. Actúa como el nexo entre las fundones cognitivas superiores, como el razonamiento, y las respuestas emocionales más primitivas, como el miedo. Las áreas prindpales del sistema límbico son la amígdala y el giro cingu1ar {drcunvoludón del cuerpo calloso), que están reladonados con la emoción y la memoria, y el hi· pocampo, que se asocia con el aprendizaje y la memoria. la sustancia blanca del cerebro se enruentra prindpalmente en el interior {Fig. 9·11). Los haces de fibras permiten que diferentes regiones de la corteza se comuniquen entre ellas y transfieran la irúor· madón de un hemisferio al otro, fundamentalmente a través del ruerpo calloso. Según algunas estimaciones, ¡el ruerpo calloso puede ser atravesado hasta por _200 millones de axones! La irúormadón que entra en el cerebro y que sale d~ él pasa a lo largo de los tractos que atraviesan el tálamo (con ex~On de la irúormadón olfatoria, que se dirige directamente_ de los receptores olfatorios al cerebro). .. R EVI S 1 ó N

Ch./;019. Nombre la localiZación anatómica en el encéfalo don· (_ ,~---·· "

de las neuronas provenientes de un lado del cuerpo cruzan hada el ladO opuesto.

20. Nombre las divisiones del encéfalo en orden anatómi·

co, comenzando por !á médula espinal.

Respuestas en la p. 326

*Los ganglios basales se deno!lllnan también núdoos basales. Los neuroanatomistas preftmn resemr el térmlno ganglias para los agrupamientos de cuerpos de células nerviosas que le encuentran fuera del SNC, pero en c:ircunstanctas dínlo:25 es común el empleo de la expresión ganglios basa/eJ.

f]

(b) 8 estado conductual y la cognición influyen en !a eferencia encefálica.

Información sensitiva desde piel, sistema musculoesquelético, vfsceras y papl1as gustatorias

Ares,, ""';'"'í" visual

,~óbulo Oci:Jprtal . Visión

prefronta!

conductas

mFIGURA 9-13 El sistema limbico

309 -

}A"d;oióo

mFIGURA 9-15 Áreas funcionales de la corteza cerebral

La corteza cerebral está especializada en las áreas sensitivas' somática y sens~rÍa!es, visual, auditiva, olfato ría y gustatoria para la percepción; las áreas motoras que dirigen e! movimiento y las áreas de asociación que integran la información.

FIGURA 9~14 Vías reflejas en el encéfalo

FUNCIÓN ENCEFÁLICA Desde un punto de vista. simplista, el cerebro es un procesador de informadón muy similar a un ordenador. Recibe aferencias sensitivas de los medios interno y externo, integra y procesa la información y, si es apropiado, genera una respuesta (Fig. 9-14a ffi). :&ita es la vía refleja básica presentada en el capítulo 6 ( il§ p. 195). Pero el cerebro es más complicado que esta vía refleja simple, y ello lo demuestra su capacidad para generar información y seña· les eferentes en ausenda de aferencias externas. El disefio de estas aferendas intrínsétas requiere un diagrama más complejo que la vía simple que se muestra en la figura 9·14a. Lany Swanson, de University ofSouthern California, presenta un enfoque para explicar la función encefálica en su libro Brain Ar· chitecture, Understanding the Basic Plan {Oxford University Press, 2003). Este autor describe tres sistemas que influyen en las eferen. das de los sistemas motores del cuerpo: 1) el sistema sensitivo, que sensa los medios interno y externo e ini_dÍI. respuestas reflejas, 2) el sistema cognitiVo que reside en la corteza cerebral y es capaz de iniciar respuestas voluntarias, y 3) el sistema conductual, que tam· . bién reside en el cerebro y gobierna los ciclos sueño-vigilia y otras conductas intrínsecas. La información sobre las respuestas fisiológicas o conductuales generadas por las eferendas II~:Otoras alimen· ta nuevamente al sistema sensitivo, el que a su vez comunica con los sistemas cognitivo y conductual (Fig. 9-14b). En la mayoña de los sistemas orgánicos fisiológicos del ruerpo que se estudiarán en este libro, las vías reflejas simples inicia· das a través del sistema Sensitivo y ejecutadas por las eferendas motoras son suficientes como para explicar los mecanismos de control homeostáticos. Sin embargo, los sistemas cognitivo y conductual siguen siendo una fuente potencial de influencia. En

su forma más simple, esta influencia puede adoptar la forma de conductas voluntarias, como contener la resphadón, que se so. breponen a las fundones a~tomátícas. Algunas interacciones más - sutiles y complicadas incluyen el efecto de las emociones sobre la fisiología normal, como las palpitaciones cardíacas inducidas por el estrés y el papel de los ritmos circadianos en el desfase horario {jet lag) en los cambios de tumos. En las secdones que siguen se dará una breve mirada a los sis· temas sensitivo y motor del encéfalo. Los receptores y las vías del sistema Sensitivo se describirán con más detalles en el capítulo 10 y el control neural de los sistemas motores se explica en los capí· _ tulos 11 y 13. Este capítulo termina con una explicadón de algu. nos aspectos del sistema conductual y del sistema .cognitivo, ca. molos ritmos circadianos, los dclos sueño.vigilia, la emoción, ei aprendizaje y la memoria.

La corteza cerebral está organizada en áreas funcionales · La corteza cerebral sirve como centro integrador de la infor~ mación sensitiva y como región de toma de decisiones para muchos tipos de eferendas motoras. Si se examina la corteza desde un punto de vista fundonal, se la puede dividir en tres espedallzaciones: 1) áreas sensitivas (también denominadas campos sensitivos), que redben aferencias sensitivas o sensoriales y las tradu· cenen percepción {contienda), 2) áreas motoras, qUe dirigen el movimiento de los músculos esqueléticos, y 3) áreas de asocia· ción (cortezas de asodadón), que integran la informadón proveniente de las áreas sensitivas y motoras y pueden diñgir las conductas voluntarias (Fig, 9*15 !!). La información que pasa a lo lar· go d,e una vía suele ser procesada en más de una de estas áreas.

Las áreas fundonales de la corteza cerebral no se corresponden necesariamente con algún lóbulo anatómico del cerebro. Pa. ra algunas cosas la espedalizadón funcional no es simétrica a tra· vés de la corteza cerebral: cada lóbulo tiene funciones especiales no compartidas con el lóbulo correspondiente del lado opuesto. Esta lateralización cerebral de la fundón (Fig. 9-16 e) a veces se denomina dominancia cerebral y es más popularmente conod· da como dominancia cerebro derecho-cerebro izquierdo. Las habilidades_ del lenguaje y verbales suelen estar concentradas del.la· do izquierdo del encéfalo, y las habilidades espadales se concentran del lado derecho. El encéfalo izquierdo es el hemisferio do· mínante en las personas diestras y al parecer el encéfalo derecho es el hemisferio dominante en muchas personas zurdas. Sin embargo, aun estas generalizadones están sometidas a cambíos. Las conexiones nem:ales en el cerebro, al igual que las de otras partes del sistema nervioso, muestran derto graOo de plasti· ddad. Por ejemplo, si una persona pierde un dedo, las regiones de la corteza motora y sensitiva dedicadas previamente a controlar el dedo no se quedan inactivas. En lugar de ello, las regiones ad* yacentes de la corteza extienden sus campos funcionales y usan las partes de la corteza que ya no son utilizadas por el dedo ausente. Asimismo, las habilidades que normalmente se asodan con un lado de la corteza cerebral pueden ser desarrolladas en el otro hemisferio, como cuando una persona diestra se fractrua la mano y aprende a escribir con la mano izquierda. Gran parte de lo que sabemos Sobre las áreas funcionales de la corteza cerebral proviene del estudio de padentes que tienen defec· tos neurológicos hereditarios o que han sufrido heridas en acdden· tes o en guenas. En algunos casos, las lesiones quirúrgicas efectuadas para tiatar algún trastorno médico, como una epilepsia incontrolable, han puesto en evidencia relaciones en regiones encefálicas

1

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capítulo 9 El sistema nervioso central

310

PREGUNTAS o ¿Qué verla una persona si un accidente cerebrovascular destruyera toda la fur.c',ón de lá corteza visual derecha? o ¿Cuál es la función de! cuerpo

calloso?

·

MANO DERECHA

MANO IZQUIERDA

Función encefálica

311

~1

mFIGURA g..1g Percepdón

El cerebro tiene la capacidad de interpretar la información sensitiva o sensorial y crear la percepción de (a) fonnas o (b) objetos tridimensionales. Corteza prefrontal

mFIGURA 9-17 PETdel cerebro en funcionamiento ""'"" del lenguaje

1

El sistema motor gobierna las eferencias provenieittes del sistema nervioso central

""""ro Cort&a

"'"'"'·

(<>ido d-.)

Ceritro

espacial y análisis

interpretativo genera! ~enguaje y cálculo matemátiCO) Corteza ViSUa! (campo visual

d"""')

zarla en el control motor voluntario o en fundones cognitivas complejas como el lenguaje.

..; HEMISFERIO IZQUIERDO

(campo visual HEMISFERIO DERECHO

particulares. Las téotlcas de estudios por imágenes como la Wmogra{ia por emisión de positrones (PE'I) y la resonancia magnética {RM) proporcionan formas no invasivas paia.qtie podamos observar el cerebro humano en funcionamiento (Fig. 9-17 !!il).

La información sensitiva es integrada en la médula espinal y el encéfalo · El sistema sensitivo monitoriza los medios interno y externo

y envía inform~dón a los centros integradores neurales, los que a su vez inician las respuestas apropiadas. En su forma más simple, esta vía es el reflejo clásico que se muestra en la figura 9-14a. Los reflejos más simples pueden ser iptegrados en la médula espinal, sin aferendas provenientes de los centros encefálicos superiores (véase Fig. 9-8). Sin embargo, incluso los reflejos espinales simples suelen -enviar información sensitiVa al encéfalo, lo que crea la percepciÓn del estímulo. las funciones encefálicas_ relacionadas con la percepdón son las más difíciles de estudiar porque requie- .

izquierdo)

li:J FIGURA 9-16 Lateraliza-· dón cerebral La distribución de las áreas funcionales en los dos hemisferios cei'ebrales no es simétrica.

lado opuesto de la línea media a medida que asdenden a través de la médula o el bulbo. Los sentidos especiales (visión, audición, gusto y olfato) ti~ nen, cada tmo, diferentes regiones encefálicas dedicadas al procesamiento de sus aferencias sensitivas (véase Fig. 9~15). La corteza visual, localizada en el lóbulo occipital, recibe información de los ojos. La corteza auditiva, localizada en el lóbulo tempotal, re- cibe información de los oídos. La corteza olfatorla (u olfatiVa), una pequeña reglón en el lóbulo temporal, recibe aferendas de los quimioneceptores en la nariz. La cOrteza gustativa, más profunda en el encéfalo cerca del borde del lóbulo frontal, :recibe información sensitiva de las papilas gustativas. Los sentidos somáticos y espedales se describen en detalle en el capítulo si~ente.

La información sensitiva es transformada en percepdón · ren la comunicación entre el individuo y el investigador: el individuo debe contar al investigador lo que está viendo, oyendo o sintiendo. · La inforn:iación sensitiVa que viene del cuerpo discurre por vías ascendentes hasta el encéfalo. La inf_Qrmación sobre la posición y el movimiento de los músculos y las articulaciones se dirige al cerebelo y a la corteza cerebral, lo que permite que el cerebelo ayude con la coordinación subCÓnsctente automática del movimiento. La mayor parte de la información sensitiva continúa su tránsito a la corteza cetebral, donde cinto áreas sensitivas procesan la información. La corteza somatosensitiva primaria en el lóbulo parietal (véase Fig. 9-15) es el punto terminal de las vías provenientes de la piel, el sistema musculoesquelético y las vísceras. Las vías somatosensi.tivas transportan .información acerca de tacto, tempera· tura, dolor, prurito y posidón corporal. El dafto de esta parte del cerebro produce tma reducción de la sensibilidad de la piel del la· do opuesto del cuerpo porque las fibras sensitivas cruzan hada el

Una vez que la infonnadón sensitiva alcanza el área cortical apropiada, comienza el procesamiento de la información. Las víaS neurales se extienden desde las áreas sensitivas hasta las áreas de asodactón apropiadas, las cuales integran los estímulos somáticos, visuales, auditivos y 4e otro tipo en percepción,- la interpretación c~bral de los estímulos sensitivos. Amenudo el estímulo percibido es muy diferente del estímulo real. Por ejemplo, los fotorreceptores del ojo reciben ondas luminosas de diferentes frecuendas, pero nosotros percibimos las difetentes energías de onda como diferentes colores. Asim.ismo, el cerebro traduce las ondas de _pre;ión que golpean el oído en sonido y transforma la unión de las sustanciaS químicas a los qulmiorreceptores en sensaciones de gusto u olfato, Un aspecto interesante de la percepción es la forma en que nuestro cerebro llena la informactón faltante para crear un cuadro completo o traduce un dibujo bidimensional en una forma tridimensional (Fig. 9·181i). Así, a veces percibimos lo que nuestro encéfalo espera perctbit Nuestra traducción perceptiva de los es~ulos sensoriales permite actuar sobre la info~ción y utili-

1

El con:i.ponente de eferencia motora del sistema nervioso se asocia con la división eferente, que se muestra en la figura 8-1 (_§11 p. 245). Las eferendas motoras pueden dividirse en tres tipos princtpales: 1) el movimiento del músculo esquelético, controlado por la división motora somática, 2) las señales neuroendocrinas, las neurohormonas secretadas en la sangre por neuronas localizadas primariamente en- el hipotálamo y la médula suprarrenal, y 3) las respuestas viscerales, las acciones del músculo liso y cardíaco o las glándulas endocrinas y exocrinas. Las respuestas viscerales están gobernadas por la división autónoma del sistema nervioso. La Información sobre el movimiento del músculo-esquelético es procesada en varias regiones del SNC. Las vías simples estimuJo-respu~ta, como el reflejo rotuliano, son procesadas enlamédula espinal o el tronco encefálico. Aunque estos reflejos no requiéren integractón en la corteza cerebral, pueden ser modificados o abolidos pOr aferendas del sistema cognitivo. Los movimientos :voluntarios los inicia el sistema cognitivo y se originan en !a corteza motora primaria o el área de asociación motora en los lóbulos frontales del cerebro (véase Fig. 9-15). Estas regiones reciben aferendas de áreas sensitivas y del cerebelo y los ganglios basales. Neuronas efetentes largas denominadas células piramidales proyectan axones desde las áre"as motoras a través del tronco encefálico hasta la médula espinal. Otras vías se di· rigen desde la" corteza hada los ganglios basales y las regiones encefálicas inferiores. Las vías motoras descendentes cruzan hacia el lado opuesto del cuerpo; por lo tanto, el daño de un área motora se manifiesta con parálisis o pérdida de fundón del lado opuesto del cuerpo. En el capítulo 13 se puede hallar una explicación detallada de la coordinación de los movinÍientos corporales. las respuestas ~euroendocrinas y viscerales están coordinadas primariamente en el hipotálamo y el bulbo raquídeo. El tronco encefálico es responsable de mantener muchas de las funciones vitales automáticas que damos por sentadas, como la respiración, la estabilidad de la presión arterial y el control del niovimiento cor¡ioral. Recibe informactón del cuerpo y transmite ·órdenes roo-

e

312

Función encefálica

Capítulo 9 El sistema nervioso central

toras a los músculos periféricos y las glándulas. El 'hipotálamo corl'tiene centros para la regulación de la temperatura, 'Ía alirÚentación y el control de la osmolaridad corpotal, entre -Otros. Las respuestas de estos centros a la estimulaciónpueden ser reflejos neurales u hormonales o una respuesta conductual. El.estrés, la reproducción y el crecimiento también están mediadoS Por el-hi· potálamo a través de múltiples hormonas. Se aprende~á·riJ.ás sobre estos reflejos en los capítulos posteriores cuando se expliquen los distintos sistemas y aparatos del cuerpo. Las aferendas sensitivas no constituyen el único táctor que detennlna las eferencias motoras del encéfalo. El sistema conductual puede modular las vías reflejas, y el sistema cognitivo,e¡erce un control tanto voluntario como involuntario sob_re las fundo.. nes motoras. -

El sistema conductual modula las eferencias motoras

1

El sistema conductual es un modulador importante del procesamiento sensitivo, sensorial y cognitivo. Muchas neuronas en el sistema conductual se encuentran en regiones del encéfalo fuera de la corteza cerebral, que incluyen partes de la fonnactón reticular en el tronco encefálico, el hipotálamo y el sístema límbíco. Las neuronas conocidas en conjunto como sistemas moduladores difusos se originan en la formación reticular del tronco encefálico y proyectan sus axoneS hada áreas grandes del encéfalo (Fig. 9-19 6, cuadro 9-31H). Existen cuatro sistemas moduladores que son clasificados generalmente según el neurotransmisor que secretan: noradrenérgicos (noradrenalina}, serotoninérgicos (serotonina), dopammérgicos (dopamina) y colinérgícos (acetúcolina). i.os sistemas moduladores difusos regulan la función encefálica al influir en la atención, la motivación, la vigilia, la memoria, el control motor, el estado de ánimo y la homeostasis metabólica.

El sistema adivador reticular influye en los estados de alerta Una función del sistema conductual es conttolar los niveles de concienda y los dclos sueño-vigilia. Conciencia es el esiado corporal de percepción y conocimiento de sí mismo y del entorno. Las pruebas experimentales muestran que el sistema activadar reticular, un conjunto difuso de neuronas de la foim.adón reticular, desempeña un papel esendáJ. para mantener al "cerebro consciente" en estado de vigilia. Si se Interrumpen quirúrgicamente las conexiones entre la fonnactóri reticular y la corteza cerebral, un animal entra en coma periodos prolongados, Otra prueba de la importancia de la fonnadón reticular en los estados· de vigilia proviene de estudios que confuman que los anestésicos generales deprimen la transmisión sináptica en esa región del encéfalo. Ptesumiblemente, el bloqueo de las vías ascendentes entre !il AGURA 9-19 Los sistemas moduladores difusos modulan la fundón encefálica las neuronas conocidas eri conjunto como sistemas moduladores difusos se originan en la formación reticular del tronco encefálico y proyectan sus axones hada áreas grandes del cerebro. Los cuatro sistemas reciben nombres según sus neurotransmisores. 1

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313

Los sistemas_'modUbdores di:ftisos' SISTEMA (NEUROMODULAOOR)

SIDO DONDE SE ORIGINAN lAS NEU· ESTRUCTURAS QUE INERVAN lAS RONAS - NEURONAS

FUNGONES MODUlADAS POR El SISTEMA

Noradrenérgico (noradrena!ina)

Locus cerúleo en !a protuberancia

Corteza cerebral, tálamo, hipotálamo, bulbo olfatorio, cerebelo, mesencéfa· lo, médula espinal

Atención, vigila, ciclos sueño-vigilia, aprendizaje, memoria, ansiedad, dolor y estado de ánimo

Serotoninérgico (serotonina)

Núdeos del rafe a !o largo de la línea media del tronco encefálico

los núcleos inferiores se proyectan hacia la médula espinal

Dolor; locomoción

los núdeos superiores se proyectan hada el cerebro

Cido sueño-vigilia, estado de ánimo y conductas emocionales como agresión y depresión

Dopaminérgico (dopamina)

Sustancia negra en el mesencéfalo Tegumento ventral en el mesencéfalo

Corteza Corteza y partes del sistema llmbico

Control motor Centros de gratificación ligados a conductas adictivas

Colinérgico (acetiko!ina)

Base del cerebro; protuberancia y mesencéfa!o

Cerebro, hipocampo, tálamo

Cídos sueño-vigilia, aprendizaje, memoria, ir:formación sensitiva que atravieSa el tálamo

la fonnadón reticular y la corteza cerebral produce un estado de inconsdencta. Desde el punto de vista fisiológico, ¿qué distingue el estado de vigilia de las distintas etapas del sueño? Una forma de definir los estados de vigilia es mediante el patrón de actividad eléctrica originado por las neuronas corticales. La medidón de la actividad encefálica se registra mediante un procedimiento conocido como electroencefalografía. Electrodos de superficie colocados sobre el cuero cabelludo o dentro de él detectan despolarizaciones de las neuronas corticales en la región inmediatamente por debajo del electrodo. En estado de vigilia, muchas neuronas disparan, pero no en forma coordinada. Presumiblemente la desincroniladón de la actividad eléctrica en los estados de vigilia es producida por señales ascendentes de la formación reticular. Un elearoencqaiograma o EEG del estado de vigilia-alerta (ojos abieJ;tos) muestra un pattón irregular y rápido sin ondas dominantes. En los estados de vigiliareposo (ojos cmados), sueño o coma, la actividad eléctrica de las neuronas comienza a sincronizarse en ondas con patrones característicos (Fig. 9-20 ffi). A medida que el estado de vigilia de una persona disminuye, la frecuencia de las ondas se reduce. Cuanto más sincrónico es el disparo de las neuronas corticales, mayor es la amplitud de las ondas. Por lo tanto, el estado de vigilia-reposo se caracteriza por ondas de baja amplitud y alta frecuencia y el sueño profundo se caracteriza por ondas de gran amplitud y baja frecuencia. El <:e$e completo de las ondas encefálicas es uno de los criterios clínicos para determinar la muerte.

¿Por qué dormimos? En los seres humanos, nuestro principal periodo de reposo se caracteriza por una conducta conocida como sueño, definida co-

mo un estado fácilmente reversible de inactividad caracterizado por la falta de interacción con el medio externo. Por qué necesitamos dormir es uno de los misterios sin resolver de la neurofisio.. logía. Algunas explicaciones que se han propuesto incluyen con· servar energía, evitar a los depredadores, permitir que el cuerpo se autorrepare y procesar las memorias. La mayoria de los mamíferos y las aves muestran las mismas etapas del sueño que los seres humanos, lo cual sugiere que el sueño es una propiedad muy antigua de los encéfalos de los vertebrados. Hasta fines de la década de 1960 se pensaba que el sueño era un estado pasivo resultado de la supresión de los estímulos hacia el cerebro. Luego, algunos experimentos demostraron que la actividad neuronal en Ías vías ascendentes del tronco encefálico a la corteza cerebral era necesaria para el sueño. A partir de otros estudios sabemos que el cerebro que duerme consume tanto oxígeno como el que se halla en vigilia, y a veces incluso más. Por esto hoy consideramos que el sueño es un estado activo. El sueño se-divide en cuatro estadios, cada uno caracterizado por acontecimientos identificables y predecibles asociados con cambios somáticos y patrones del EEG caracteñsticos (Fig. 9-20a), Las dos fases principales del sueño son el sueño de ondas lentas (también denominado sueño profundo o sueño no-REM, estadio 4) y el sueño REM (movimientos oculares rápidos, estadio 1). El sueño de ondas lentas se manifiesta en el EEG por la presencia de ondas delta, ondas de gran amplitud y baja frecuencia de larga duradón que barren toda la corteza cerebral. Durante esta fase del ciclo del sueño, el individuo dormido ajusta la posición del cuetpo sin órdenes consdentes del cerebro. Por el contrario, el sueño REM se caracteriza por un patrón EEG más próximo al de una persona despierta, con ondas de baja amplitud y alta frecuenda. Durante el sueño REM, la actividad encefálica inhibe las neuronas motoras hada los músculos esque·

1

114

Capítulo 9 El sistema nervioso central

Función encelálka

t•J

31 S

{b)

La cafeína y sus primas-, las metilxantinas teobrorilina y-teófilina ·

· -· E

234567

--:riempo-----+

Trempo de sueño (h}

(\J\J\f'

PREGUNTAS ¿Quil patrón electroencefalográfico tiene !a frecuencia más alta.?

'~-.~~-encia

¿Y la máxima. amplitud?

0 FIGURA 9-20 Electroencefalogramas (EEG) y el ddo del sueño los registros de la actividad eléctrica en el cerebro durante los perlod~ de vigilia-reposo y sueño mues:cran patrones cáracteristicos.

!éticos, Jo que los paraliza. Las excepcioneS a este patrón son los músculos que mueven los ojos y aquellos que controlan la respiración. El control de las funciones homeostáticas está disminuido durante el sueño REM y la temperatura corporal cae hada la temperatura ambiente. El sueño RE..\tf es el período durante el cual tiene lugar lamayor parte de la actividad onírica. Los ojos se ~ueven detrás de los párpados cerrados, como si siguieran la accjón del sueño. Es en los periodos de sueño REM cuando es más probable el despertar espOntáneo. Un sueño típico de ocho horas consiste en ciclos que se repiten, como se muestra en la figura 9-20b. En·la primera hora, la persona pasa lentamente de un estado de vigilia a otro de sueno profundo (estadio 4; la primera área~ en la figura 9-20b). Luego el individuo muestra ciclos entre el sueño profundo y fl sueño REM (estadio 1), con estadios de transición (estadios 2-3) entre ellos. Cerca del final de un periodo de sueño de ocho horas un individuo pasa la mayor parte del tiempo en s~eño estadio 2 y sueño REM, hasta que finalmente despierta. Si el sueño es un proceso neurológicarnente activo, ¿qué es lo que nos hace estar dormidos? La existencia de un probable inductor del sueño fue propues_ta por prii:nera vez en 1913, cuando los científicos o}?servaron que_ el liquido cefalorraquídeo de perros con privación de sueño podía inducir sueño en animales normales. Desde entonces se han identificado distintos factores induc. tores de sueño. Es curioso que muchos de ellos también sean sustandas que aumentan la respuesta inmunitaria, como interleuquina·1, interferón, serotonina y f
tema inmunitario e inductores del sueño puede ayudar a explicar por qué solemos dormir más cuando estamos enfermos. Los trastornos del sueño son relativamente frecuentes, como se puede deducir de la variedad de agentes ptomotor~s del sueño disponibles en las farmacias. Entre los trastornos más frecuentes del sueño están el insomnio (la incapacidad para quedarse dormido o mantenerse dormldo el tiempo suficiente como para despertarse repuesto), la apnea del sueño y el sonambulismo. Lá apnea del suef!o (apnoos, sin aliento) es un trastorno en el cual los que duermen se despiertan cuando los músculos de las vías aéreas se relajan hasta el punto de impedir la !espiración normal. El sowmbulismo (sonmus, sueño; ambulare, caminar) es tul trastorno del sueño que durante muchos años se creyó que representaba la actuación de los sueños. Sin embargo, la mayor parte de la actividad onírica ocurre durante el Sueño REM (estadio 1), mientras que el sonambulismo tiene. lugar durante el sueño profundo (estadio 4). Durante los episodios: de sonambulismo, que pueden durar desde 30 segundos hasta_30 minutos, los ojos del Individuo se encuentran abiertos y registran los alrededores. El individuo puede evitar golpearse contra los objetos,.puede subir o bajar escaleras y en algunos casos se ha comunicado que realiza tareas como preparar alimentos o doblar ·ropas. El individuo habitualmente tiene poco o ningún {(!cuerdo del episodio de sonambulismo al despertar. El sonambulismo es más frecuente en los niños, y la" frecuencia de los episodios disminuye con la edad. También existe un componente genético, dado que la tendencia al sonambulismo se presenta en familias. Para aprender más sobre los diferentes patrones de sueño, véase la página web de los National Institutes of Health de los Estados Unidos para el National Center for Sleep Disorder Research (www.nhlbi.nhi.gov/about{nesdr).

'

(que Se encuentran eli el i:ho_co!ate y el té),-son pfohablerrlente Jos agentes psicoactivos más ~mp!iamimte oonsurriidOs-, cónoci- . dos desde tiempos antiguos por su efecto estimulante. la investigación molecular ha j:¡uesto de manifiesto qUe i_as metil:
•<.VISIÓN C21.

Durante el sueño, las neuronas de relevo en el tálamo reducen la informadón que alcanza el cerebro afterando su potencial de membrana. ¿Es más probable que estas neuronas se hayan despolarizado o hiperpolarizado7 Explique su razonamiento. Respuesta en !a p. 326 .

Las funciones fisiológicas muestran ritmos drcadianos Todos los organismos (incluso las plantas) tienen patrones diarios alternantes de descanso y actividad. Los ritmos sueño-vigilia, al igual que muchos otros ciclos biológicos, generalmente siguen un ciclo luz-oscuridad de 24 horas y se conocen como ritmos circadianos ( §ll p. 201). Cuarldo un organismo es colocado en condiciones de luz u Oscuridad constante, estos ritmos de actividad. pexsisten, al parecer a través de señales de un reloj interno. En los mamíferos, el "reloj" reside en redes 4e neuronas localizadas en el núcleo supraquiasmático del hipotálamo. Una interpretación muy sencilla de los experimentos recientes sobre la base molecular del reloj es que el ciclado del reloj es el resultado de un bucle de retroalimentación complejo en el ctial se activan genes específicos y dirigen la síntesis proteica. Las proteínas se acumulan, desactivan los genes y luego son ellas mismas degradadas. En ausencia de proteínas, los genes se activan nuevamente y el ciclo comienza otra vez. El reloj posee actividad intrlnseca: que está sincronizada con el medio ambiente externo por la información sensitiva acerca de los ciclos de luz recibida a través de los O¡os.

En los serfs humanos se pueden encontrar ritmos drcadianos en la mayoría de las funciones fisiológicas y suelen corresponder a las fases de nuestros ciclos sueiío-vigilia. Por ejemplo, la temperatura corporal y la secreción de cortisol presentan ciclos de base diaria ( zm fig. 6-29). La secreción de melatonina por la glándula pineal también está fuertemente ligada a los ctdos luz-oscuridad y parece retroalimentar el núcleo supraquiasmático para ajustar el reloj.

·La emodón y fa· motivadón involucran vfas neurafes complejas La emoción y la motivación son dos aspectos de la función encefálica que probablemente representan una supeiposidón del sistema conductual y el sistema cognitivo. Las vías involucradas son complejas y forman circuitos cerrados que ciclan la información entre distintas partes del encéfalo, que incluyen el hipotálamo, el sistema limbico y la corteza cerebraL Aún no conocemos los mecanismos neurales subyacentes, y ésta es un área grande y activa de investigación en neurociencias. Es difícil definir las emociones. Sabemos lo que son y podemos nombrarlas, pero su descripción presenta muchos problemas. Una característica de las emociones es que son difíciles de activar o desactivar voluntariamente. Las emociones más comúnmente descritas, que surgen en diferentes partes del encéfalo, son ira, agresión, excitación sexual, miedo, placer, alegria y felicidad. El sistema límbico, particularmente la región conodda como amfgdala, es el centro de la emoción en el encéfalo humano. Los científicos han aprendido acerca del papel de esta región encefálica a través de experimentos-en seres humanos y animales. CUan-

316

Función encefálica

Capítulo 9 El sistema nervioso central

Estímulos sensitivos ,: /

La rettwiimentación crea conc{enda de kis emvcior.es.

REFERENCIAS

r'

\.~~) Estímulo

A

SNCo centro

. ~ integrador endocrino

~lntemeurona @Respuesta

FIGURA g..21 Relaáón entre emoáones y funáones fisio~ lógicas la asociación entre estrés y mayor susceptibilidad a los virus es un ejemplo de una respuesta inmunitaria ligada con las emociones.

§!

do se estimula artificialment!'! la amígdala en los seres humanos, como podría suceder durante una· cirugía para la epilepsia, los pacientes informan experimentar sentimientos de miedo y ansiedad. las lesiones experimentales que destruyen la amígdala en los animales hacen que éstos se Vuelvan más mansos y muestren hipersexualidad. En Consecuencia, los neurobiólogos creen que la amígdala es el centro para los instintos básicos como miedo y agresión. Las vías para las emociones son complejas (Fig. 9-211!3). Los estímulos sensitivos que aiimeil.tan la corteza cerebral se construyen en el encéfalo para crear una representación (percepción) del mundo. Una vez que la información es integrada por las áreas de asodadón, pasa al sistema límbico. La retroalim~tación desde el sistema límbico hada la corteza cerebral crea cOnciencia de la emodón, mieñtras que las vías descendentes hacia el hipotálanio

y el tronco encefálico inician conductas voluntarias y. respuestas inconscientes mediadas por los sistemas autónomo, eÍldocrino, inmunitario y motor somático. El resultado físico-de las emociones puede ser tan espectacular como la taquicardia de una reacción de lucha o huida, o tan insidioso como la aparición de extrasístoles. Es difícil-estudiar las conexiones entre mente y cueqio y llevará·muchos años de investigación comprenderlas. La motivación se define como las señales internas que dan forma a las conductas voluntarias. Algunas de estas· conductas, como comer, beber_ y tener relaciones sexuales, están relacionadas con la supervivencia; ollas, como curiosidad y tener relaciones sexuales (nuevamente), están ligadas a las emociones. ·Algunos estados motivacionales se conocen como instintos o pulsiones y generalmen· te tienen tres propiedades en común: 1) aumentan la contienda o la concentración del SNC,. 2) crean una conducta orientada a objetivos y 3) son capaces de coordinar conductas dispares para lograr ese objetivo. Las conductas motivadas a menudo funcionan en paralelo con las respuestas autónomas y endocrinas, como podña esperarse de las conductas que se originan en el hipotálamo. Por ejemplo, si usted come palomitas de maíz saladas, la osmolaridad de su cuerpo aumenta. Este estímulo actúa sobre el centro de la sed del hipotálamo, motivándolo a buscar algo para beber. El aumento de la osmolaridad también actúa sobre un centro endocrino en el hipotálamo liberando una hormona que aumenta la retención de agua por los riñones. Por lo tanto, un estímulo dispara tanto una con· ducta motivada como una respuesta endocrina homeostática Algunas conductas pueden ser activadas por estímulos internos que posiblemente no sean incluso obvios para la persona en la.que están ocurriendo. Comer, la curiosidad y el deseo sexual son tres ejemplos de conductas cuyos estímulos iniciales son complejos. Por ejemplo, podemos comer porque tenemos hambre o porque el alimento se ve bien o porque no deseamos herir los sentimientos de alguien. Muchas conductas motivadas se detienen cuando la persona ha alcanzado cierto nivel de satisfacción o saciedad, pero también pueden continuar a pesar de sentirse saciado. El placer es un estado motivacional que se está estudiando intensamente debido a su relación con las conductas adidivas, como el consumo de drogas. Algunos estudios en animales han mostrado que el placer es un estado fisiológico que se acompaña por un aumento de la actividad del neurotransmisor dopamina en ciertas áreas del cerebro.las sustancias que son adictivas, como la cocaína y posiblemente la nicotina, actúan aumentando la eficacia de la dopamina, intensificando así las sensaciones placenteras percibidas por el cerebro. Como consecuencia, el cOnsumo de estas drogas se convierte rápidamente en una conducta aprendida. Es interesante señalar que no todas las conductas adictivas son placenteras. Por ejemplo, existen distintas conductas comp~ivas que involucran automutiladón, como arrancarse el cabello desde las raíces. Afortunadamente, muchas conductas pueden ser moduladas, si se conoce la motivación.

bles relacionados con un sentimiento de bienestar. Es difictl definir los estados de ánimo a nivel neurobiológico, pero la evidencia obtenida en el estudio y el tratamiento de los trastornos del estado de ánimo indica que lo que en otra época se atribuía a un origen puramente psicológico es en realidad un trastorno funcional del SNC. La depresión y otros trastornos del estado de ánimo son el resultado de la libe~ción anor:mitl de neurotransmisc; rel="nofollow">res o su recepción alterada en diferentes regiones encefálicas. Se calcula que los trastornos del estado de ánimo constituyen la cuarta causa de enfermedad en el mundo en la actualidad. La depresión es un trastorno del estado de ánimo que afecta a casi ellO% de la población de los Estados Unidos cada año. Se caracteriza por alteraciones del sueño y el apetito y cambios en el esta· do de ánimo y la libido que pueden impactar seriamente en la capacidad de la persona para desempeñarse académicamente, en el trabajo o en las relaciones interpezsonales. Muchas personas no saben que la depresión no es un signo de debilidad mental o mo.ral, o que puede ser tratada con éxito con fármacos y psicotera· pia. (Para obtener información detallada sobre la depresión, diríjase a www.nlm.nih.gov/medlineplus/depression.html). El tratamiento farmacológico de la depresión ha cambiado en años recientes, pero todas las categorías principales de agentes antidepresivos alteran algún aspecto de la transmisión sináptica. Los antiguos antidepresivos tridclicos, como la amitriptilina, bloquean la recaptación de noradrenalina en la neurona presinápti· ca, extendiendo así la vida activa del neurotransmisor. Los antidepresivos conocidos como inhibidores selectivos de la recaptad6n de serott.mina, o ISRS, hacen más lenta la eliminación de serotoni· na (y posiblemente también de noradrenalina) de la sinapsis. Co. roo resultado de la inhibición de Ia recaptación, la serotonina per. siste en la hendidura sináptica más tiempo del habitual, aumen· tando la actividad serotonina·dependiente en la neurona postsináptica. Otros agentes antidepresivos alteran las concentraciones encefálicas de dopamina; todo ello indica que la noradrenalina, la serotonina y la dopamina están involucradas en_ las vías en~ fálicas para el estado de ánimo y la emoción. Es interesante señalar que los pacientes deben recibir agentes . antidepresivos durante varias semanas antes de experimentar su efecto completo. Esto sugiere que los cambios que tienen lugar en_ el encéfalo son la modulación a largo plazo de las vías más que simple aumento de la respuesta sináptica. La investigación-para descubrir las bases biológicas de la alteración de la función cerebral es una línea importante de la neurociencia. Parte de la investigación sobre la función encefálica es muy controvertida, sobre todo la relacionada con la sexualidad y el grado en el cual la conducta en general está determinada genéticamente en los seres humanos. No se ahondará en ninguno de estos temas porque son complejos y requerirían largas explicado. nes para justificarlos. En cambio; se v~án brevemente algunos de los modelos recientes propuestos para ~licar los mecanismos que constituyen la base para las funciones cognitivas superiores.

Los estados de ánimo son estados emocionales de larga duración

El aprendizaíe y la memoria cambian las conexiones sinápticas en el encéfalo

Los estados de ánimo son simila!es a emociones pero son sentimientos subjetivos más prolongados y relativamente esta-

Durante muchos años, la motivadón, el aprendizaje y la memoria (todos los cuales son aspectos del estado cog¡_lltivo) se conw

317

sideraron ámbito de la fisiología más que de la biología. Los neu-1 robiólogos en las últimas décadas estaban más interesados en !as redes y los aspectos y celulares de la función neuronal. Pero en años recientes los dos campos se han superpuesto cada vez más y más. Los científicos han descubierto que la base subyacente de la función cognitiva parece explicarse en términos de eyentos celu· lares que influyen en la plasticidad, como la potendación a largo plazo (~p. 281). La capacidad de las conexiones neuronales para cambiar con la experiencia es fundamental para los procesos cognitivos de aprendizaje y memoria.

El aprendizaje es la adquisición de conocimiento ¿Cómo sabe usted cuándo ha aprendido algo? El aprendizaje puede demostrarse por los cambios conductuales, pero los caro. bios conductuales no son necesarios para que ocurra un aprendizaje. El aprendizaje puede ser intemalizado y no siempre se refle. ja por una conducta manifiesta mientras está ocurriendo. Si lo hubiera visto a usted leer su libro, ¿podña decir si usted aprendió algo? El aprendizaje puede clasificarse en dos grandes tipos: asociativo y no asociativo. El aprendizaje asociativo ocurre cuando dos estímulos se asocian entre si, como el experimento clásico de Pavlov con perros en el cual en el momento de darles alimentos hada sonar una campana. Después de un peñodo, los perros llegaban a asociar el sonido de la campana con el alimento, y comenzaban a salivar en anticipación al alimento siempre que se hacía sonar la campana. Otra forma de aprendizaje asociativo ocurre cuando un animal asocia un estímulo con una conducta dada. Un ejemplo sería un rató~ que recibe una descarga cada vez que toca derta parte de su jaula. Pronto asocia esa parte de la jau. la con una experiencia displacentera y evita el área. El aprendizaje no asociativo es un cambio de la conducta que tiene lugar después de la exposición repetida a un estímulo. Este tipo de aprendizaje incluye habituación y sensibilizactón, dos conductas adaptativas que nos permiten filtrar e ignorar esti·

Función encefálica

Capítulo 9 El sistema nervioso central

318

mulos de fondo mientras respondemos con mayor sensibilidad a los estímulos potencialmente perturbadores. En la habituación, un animal muestra una disminución a la respuesta a un estímulo irrelevante que es repetido una y otra vez. Por ejemplo, un ruido intenso y súbito puede sobresaltado, pero si el ruido se repite una y otra vez su cerebro comienza a ignorarlo. Las respuestas habituadas nos permiten filtrar los estímulos que hemos evaluado y hallado insignificantes. Sensibilización es Jo opuesto de habituación, y las dos conductas combinadas ayudan a aumentar las posibilidades de supervivencia de un organismo. En el aprendizaje de sensibilización, la exposición a un estimulo nocivo o intenso produce una respuesta mayor con la exposición ulterior. Por ejemplo, las personas que enferman al comer cierto alimento pueden perder el deseo de ingerir nuevamente ese alimento. La sensibilización es adaptativa potque nos ayuda a evitar los estímulos potencialmente nocivos.

Memoria es la capacidad de retener y recuperar información La memoria es la capacidad de retener y recuperar la informa-

.~-···--.

( ) Estfmulo

~

Centro !ntegmdor

®Res~~.c !al FIGURA 9-22 Procesamiento de la memoria La nueva información va a la memOria a co"rto plazo pero se

pierde a· menos que sea procesada y almacenada en !a memoria a largo plazo.

dón. Nosotros tenemos varios tipos de memoria: a corto plazo y a largo plazo, reflexiva y declarativa. El procesamiento para los diCuando un estímulo entra en el SNC, se dirige primero a la meferentes tipos de memoria parece tener l1,1gar a través de diferenmoria a corto plazo, un ~a de almacenamiento limitada que tes vías. Con técnicas de imágenes no invasivas, como RM y PET, puede contener sólo alrededor de 7 a12 piezas de infoimactón a los investigadores han podido rastrear la actividad enCefálica a la vez. Los elementos de Ja memoria a corto plazo desaparecen a medida que los individuos aprendían a realizar tareas. menos que se realice un esfuerzo, como la repetición, para cola. Las memorias se almacenan en toda la corteza cerebral en vías conocidas como huellas de memoria. Algunos componentes de carlos en una forma más permanente. La memoria de trabajo es una forma especial de memoria a las memorias se almacenan en las cortezas sensitivas donde son corto plazo procesada en el lóbulo frontaL· Esta región de la corprocesados. Por ejemplo, los dibujos se almacenan en la corteza teza cerebral está dedicada mantener la información el tiempo su· visual y los sonidos en la corteza auditiva. fidente como para ponerla en ptáctica en una tu:ea que tiene luEl aprendizaje de una tarea o el recuerdo de una tarea ya gar después de que la información ha sldo·adquirida. La memoria aprendid<J. pueden involucra! múltiples circuitos encefálicos que de trabajo en estas regiones está ligada a depósitOS de memoria a funcionan en paralelo. Este procesamiento paralelo ayuda a pro por· largo plazo1 de modo que la información rectfu adquirida puede donar un respaldo en el caso de que uno de los cirCUitos se dañe. ser integrada con la información almacenada y se puede obrar en También se cree que es el medio por el cual se generalizan las meconsecuencia. Por ejemplo, supongamos que usted intenta cruzar morias espeóficas, lo que permite que la nueva información sea compatible con la información almacenada. Por ejemplo, una · una calle. Usted mira hada la izquierda y ve que no viene ningún vehículo en varias cuadras. Luego mira hacia la derecha y ve que persona que nunca ha visto una pelota de vóley reconocerá que tampoco vienen vehículos de esa dirección. La memoria de traba~ es una pelota porque ella tiene las mismas características generajo habia almacenado la información de qi.te el camino hacia la iz. les que todas las otras pelotas que ya ha visto. quierda está libre y así, con el uso del conocimiento almacenado En los seres humanos, la región del hipo~po del sistema acerca de la seguridad, usted puede arribar a la conclusión de que límbico parece ser una estructuf!l importante tanto en el aprendino hay tránsito en ninguna dirección y és seguro cruzar la calle. zaje como en la memoria. Pol ejemplo, los pacientes en los que En las personas que tienen daño de los lóbulos prefrontales se destruyó parte del hipocampo para aliviar cierto tipo de epilepdel cerebro esta tarea se vuelve más difícil porque no pueden resia tambifu tuvieron problemas para ·recordar nueva informa. cordar si el camino estaba libre desde la izqujerda una vez que dón. Cuando recibieron una lista de palabras para repetir, pudie. han alejado la mirada para evaluar el tránsito que viene de la deron recordar las palabras mientras su atención se mantenía ·enfa. recha. La memoria de trabajo nos pemiite recolectai: una serie de cada en la tarea, pero si se los distraía, la memoria de las palabras hechos a partir de la memoria a corto y largo plazo y conectarlas desaparecía y tenían que aprender la lista nuevamente. La infor· en un orden lógico para resolver problemas o planificar acciones. madón almacenada en la memori~ a largo plazo ant~ de la opeLa memoria a largo plazo es un área de almacenamientó caración no se afectó. Esta incapacidad para recordar la información paz de mantener grandes éantidades de información. El procesa· recientemente adquirida es un defecto conocido como amnesia miento de la información que convierte la memoria a corto plaanterógrada (amnesia, olvido). zo en memoria a largo plazo se conoce como consolidactón (Fig. La memoria tiene múltiples niveles de almacenamiento y 9-22).la consolidación puede llevar períodos variados de tiempo, nuestro banco de memoria cambia constantemente (Fig. 9-22 m):

1

desde segundos a minutos. La información atraviesa muchos niveles intermedios de memoria dutante la consolidación y, en ca.da uno de estos estadios, puede ser localizada y recuperada. Cuando Jos cientificos estudiaron la consolidación de la memoria a corto plazo en memoria a largo plazo, descubrieron que en el proceso toman parte cambios en las conexiones sinápticas de los drcuitos involucrados en el aprertd.izaje. En algunos. casos se forman nuevas sinapsis; en otros la eficacia de la transmisión sináptica se altera a través de la potenciación alargo plazo o a través de una inhibición a largo .plazo. Estos cambios son evidencia de la plasticidad, nos muestran que el cerebro no es rígido. La memoria a largo plazo ha sido dividida en dos tipos consolidados y almacenados mediante diferentes vías neuronales (cua. dro 9-4 m). La meÚJ.oria reflexiva (implícita), que es automática y no requiere ningún proceso consciente para su creación o su recuerdo, involucra la región de la amígdala, del sistema limbico y el cerebelo. La información almacenada en la memoria reflexiva se adquiere lentamente por medio de la repetición. Las habilidades motoras caen en esta categoría, al igual que los procedimientos y las reglas. Por ejemplo, usted no necesita pensar en colocar un punto al final de cada oración o cómo tomar un tenedoL La memoria reflexiva tambifu se ha denominado memoria promü. mental porque generalmente está vinculada con el modo en que se hacen las cosas (procedimientos). Las memorias reflexivas pueden adqUirirse mediante los procesos de aprendizaje asociativos o no asociativos, y luego son almacenadas. La memoria declarativa (explícita), por otra parte, requiere atención consciente para su recuerdo. Su creación generalmente depende del uso de habilidades cognitivas de nivel superior, co. mo la inferencia, la comparación y la evaluación. Las vías neuronales involucradas en este tipo de memoria están en los lóbulos temporales. Las memorias declarativas se relacionan con el cona. cimiento acerca de nosotros mismos y del mundo que nos rodea, que puede ser comunicado o descrito verbalmente. A veces la irúormaclón puede ser transferida de la memorja declarativa a la memoria reflexiva. El mariscal de· campo de un equipo de fútbol americano es un buen ejemplo. Cuando de ni· . ño pequei'i.o aprendió a arrojar la pelota, tuvo que prestar mucha atención sobre cómo tomar la pelota y coordinar Sl.1S músculos para arrojada con exactitud. En ese punto del aprendizaje de arra.· jar la pelota, el proceso se encontraba en la memoria dedaiativa y requeria un esfuerzo consciente a medida que el niño analizaba sus movimientos. Sin embargo, con la repetición mecánica" de ese movimiento, la irúormadón fue transferida a la memotia reflexiva: se convirtió en un reflejo que podía ser ejecutado sín pensamiento consciente. Esa transferencia permitió al jugador utilizar su mente consciente para analizar el camino y el momento oportuno del pase mientras que la mecánica se volvía automática. Los atletas a menudo se refieren a este automatismo de los movimien~ tos corporales aprendidos como mmiaria_ muscular. La memoria es individual. Cada uno procesa la información según sus experiencias y percepción del mundo. Como las personas tienen experiencias muy diferentes durante toda su vida, nunca dos personas procesarán una pieza dada de irúonnadón de la misma manera. Si se pregunta a un grupo de personas qué sucedió durante un acontecimiento particular como una conferen. da o.un accidente automovilístico, nunca dos des.cripciones se-

319 ·

MEMORIA REFLEXIVA {IMPÚOTA)

MEMORIA DEOARATIVA {EXPÚOTA)

la recuperadón es automática y no requiere atención consciente

La recuperación requiere atendón consciente

Adquirida lentamente a través de Depende de habíl!dades de ~n­ la repetición samiento de nivel superior como inferencia, comparadón y evaluadón lnduye las habilidades motoras y

reglas y procedimientos

las memorias pueden ser comui"licadas verbalmente

Se puede confirmar la memoria procedimental

rán idénticas. Cada persona habrá procesado el acontecimiento según sus propias percepciones y experiencias. Es importante recordar ei procesamiento según la experiencia cuando se estudia en una situación grupal, porque es poco probable que todos los miembros del grupo aprendan o recuerden la información de la misma forma. La pérdida de la memoria y de la incapacidad para procesar y almacenar nuevas memorias son problemas devastadores. En los individuos más jóvenes, los problemas de la memoria suelen asa. darse con traumatismo de cráneo por accidentes. En los indivi· duos de edad más avanzada, los accidentes cerebrovasculares y la demencia (demi!f~S, fuera de la propia mente) son las causas principales de la pérdida de memoria. La enfermedad de Alzheimer es una enfermedad neurodegenerativa progresiva de deterioro cog· nitivo que representa aproximadamente el 50% de los casos de demencia en los ancianos. Se estima que afecta aproximadamente a ·4 millones de estadounidenses, y se eSpera que la cantidad aumente a medida que los nacidos en la explosión demográfica de la segunda posguerra envejezcan. La enfermedad de Alzheimer se caracteriza por pérdida de memoria que progresa hasta el punto en que el paciente no reconoce a Jos miembros de su familia. Con.el tiempo, cambia incluso la personalidad y, en los estadios finales, otras funciones cognitivas fallan de modo que los pactentes ya no pueden comunicarse con las personas encargadas de cuidarlos. El diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer se suele realizar por la declinación del rendimiento del paciente en Jos exámenes del estado mental. El diagnóstico definitivo se alcanza después de la muerte, cuando se puede examinar el tejido encefálico para detectar degeneración neuronal, placas extracelulares fonnadas por protefna jJ..amifoide y ovillos intracelulaies de tau, una proteína que normalmente se asocia con los microtúbulos. Aunque la presencia de placas y ovillos es diagnóstica, la causa subyacente de la enfermedad de Alzheimer no está clara. Existe un componente genético conocido, y otras teorías induyen estiés oxidattvo e in· flamación crónica. Actualmente, no existe ninguna prevendón ni tratamiento comprobado, aunque los fármacos agonistas coli-

1

320

Fundón encefálica

Capitulo 9 El sistema nervioso central

{a} Repetir una palabra escrita Corteza motora

,. Área de

{b) Repetir una palabra ofda Corteza motora

Ama

[}FIGURA 9-23 Procesamiento cerebral de/lenguaje hablado

y visual · · Las personas con daño del área de Wemicke no comprenden la comunicación hablada ni escrita. los que tienen daño del área de Broca comprenden pero no·pueden responder de forma apropiada.

nérgicos o los inhibidores de la acetilcolinesterasa hacen más lenta la progresión de la entermedad. El pronóstico de 14 millones

de personas con enfermedad de Alzheimer para el año 2030 ha colocado a esta enfermedad en la primera plana de la investigación neurobiológica.

El lenguaje es la conducta cognitiva más elaborada Uno de los sellos de W1 sistema nervioso avanzado es la capacidad de un miembro de la especie para intercambiar informadó~

compleja con otros miembros de la misma espeCie. Aunque se encuentra predominantemente en aves y mamiferos, esta capacidad también está presente en ciertos insectos que transmiten infor~ madón sorprendentemente detallada por medio de sonido (grillos), tacto y vista (abejas) y olor (hormigas)"; En los seres humanos, el intercambio de información compleja'tiene lugar fundamentalmente a través de la palabra hablada y escrita. Como el lenguaje es considerado la conducta cognitiva más elaborada, ha recibido una atención considerable de parte de los neurobiólogos. Las habilidades del lenguaje requieren la aferencia de información sensorial (fundamentalmente de audición y visión}, el pro. cesamiento en distintos centros de la corteza cerebral y la coordi~ nación de las eferencias motoras para la vocalización y la escritu~ ra. En la mayoría de las personas, los centros para la capacidad del lenguaje se encuentran en el hemisferio izquierdo del cerebro. Aun el 70% de las personas zurdas (hemisferio dominante derecho) o ambidiestras utilizan su hemicerebro izquierdo para el len~ guaje. La capacidad para comunicarse a través de la palabra ha sido dividida en dos procesos: la combinación de diferentes soni~ dos para formar palabras (vocalización) y la coinbinación de palabras en oraciones gramaticalmente correctas y significativas. La integración del lenguaje hablado en el cerebro humano involucra a dos regiones de la corteza cerebral: el área de Wernicke en el lóbulo temporal y el área de Broca en el lóbulo frontal cerca de la corteza motora {Fig. 9~231il). Gran parte de_lo que conocemos sobre estas áreas proviene de estudios de personas con lesiones encefálicas (porque los animales no humanos no son capaces de hablar). Ni siquiera los primates, que se comunican con el nivel de un niño pequeño a través del lenguaje de signoS y otros medios visuales, no tienen la capacidad física de vocalizar los sonidos del lenguaje humáno. Las aferendas hada las áreas del lenguaje provienen de la corteza visual (leer) o de la certeza auditiva (oír}. Las aferencias sensitivas de las dos cortezas se dirigen primero al área de Wernicke yluego a la de Broca. Después de la integración y el procesamien~ to, las eferendas del área de Broca hacia la corteza motora inician una acción hablada o escrita. Si ocurre un daño en el área de Wernicke, la persona es incapaz de comprender cualquier información hablada o visual. En consecueilcia, la propia palabra de la persona no tiene sentido, porque el individuo no tiene conciencia de sus propios errores. Este trastorno se conoce como afasia de comprensión (a~, sin; phatos, habla) porque el individuo es in~ capaz de comprender las afetendas sensitivas. Por otra parte, los individuos que presentan daño en el área de Broca comprenden el lenguaje hablado Yescrito pero no pueden hablar ni escribir con una sintaxis normal. Su respuesta a una pregunta a menudo consiste en palabras apropiadas ligadas en orden aleatorio. Estos pacientes pueden pasar momentos difíciles por su discapacidad, porque están conscientes de sus errores pero no tienen el poder de corregirlos. El daño del área de Broca produce una afasia de expresión. Las formas mecánicas de afasia ocurren como resultado del daño de la corteza motora. Los pacientes con este tipo de daño se encuentran incapaces de dar forma físicamente a ~os sonidos que forman palabras o de coordinar los músculos de sti brazo y mano para escribir.

321

Si todos tenemos la misma estructura" encefálica, ¿qué nos hace diferentes? Esta pregunta fascina a muchas personas. La respuesta que está evolucionando a partir de la investigación neurobiológica es que somos una combinación de nuestras experiencias y de las restricciones genéticas que heredamos. Un factor que complica es el aspecto del desarrollo de la "experienda", ya que los científicos están demostrando que la exposición de los embriones en desarrollo a honnonas mientras aún están en el útero puede alterar las vías encefálicas. Lo que aprendemos o experimentamos y lo que almacenamos en la memoria crean un patrón singular de conexiones neurona~ les en nuestro cerebro. A veces estos circuitos funcionan mal y crean depresión, esquizofrenia o algunos otros trastornos de la personalidad. Durante muchos años, los psiquiatras intentaron tratar estos trastornos como si se debieran solamente a acontecimientos de la vida de la persona, pero ahora sabemos que existe un componente genético para muchos de estos trastornos. La esquizofrenia (schizein, dividir; pharen, la mente) es un ejemplo del trastorno encefálico que tiene tanto base genética como ambiental. En la población global estadounidense, el riesgo de desarrollar esquizofrenia es de alrededor dell%. Sin embargo, si uno de los padres es esquizofrénico, el riesgo aumenta hasta el 10%, lo que indica que las personas pueden heredar una susceptibilidad a desarrollar la enfermedad, Actualmente no se conoce la causa de la esquizofrenia. Sin embargo, como sucede con muc:hos otros trastornos que incluyen estados mentales alterados, la esquizofrenia puede ser tratada con fármacos que influyen en la liberación de neurotransmisores y la actividad en el encéfalo. Para aprender más sobre el diagnóstico y el tratamiento de la esqui~ zofrenia, véase la página web de los National Institutes of Health www.nlm.nih.gov/medlineplus/schizophrenia.html. Aún nos queda mucho por aprender acerca de la reparación del daño del SNC. Una de las tragedias más grandes en la vida es el cambio de personalidad que a veces acompafia a un traumatismo de cráneo. El daño físico de los delicados circuitos del cerebro La personalidad es una combinación de experiencia no sólo puede alterar la inteligencia y el almacenamiento de mey herencia moria sino que también puede crear una nueva personalidad. Uno de los aspectos más difictles de traducir de la función Aunque es posible que la persona no note el cambie, puede ser cerebral, del reino abstracto de la psicología a Jos circuitos fisi~ _ devastador para la familia y los amigos de la víctima. Tal vez, a cos de la neurobiología, es la combinación de atributos que lla~ medida que aprendamos más acerca del modo en que las neuromames personalidad. ¿Qué es lo que nos convierte en indivinas se relacionan entre sí, podamos encontrar un medio para resduos? Los padres de más de un niño les dirán que su hijo era tablecer las redes dafiadas y evitar los efectos duraderos del traudiferente desde el nacimiento e incluso antes, aun en el útero. matismo de cráneo y los trastornos cerebrales.

1 •

322

Capítulo 9 El sistema nervioso centra! Resumen del capítulo

.

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aplicable .

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PREGUNTA ¿Cómo podrla una pérdida en !abarrera hematoencefática conducir a una cascada de potenciales de acdón

El GABA abre los caila!es dé th!n 111 · célula postslnáptica. ¿Qué produce en el potencia! de membrana -dé lá cétu-:. la? ¿Aumenta o disminuye ia ·prob.3bi· !idad de que la célula dispare ¡roten· ciales de acción? ¿Por qué es importante limitar la dUración del tratamiento con ACTH?

4

¿Cuál es et fundamento para utilizar glucosa marcada radiactivamente (y no algún otro nutriente) para la_Pm

La capacidad del cereb~o para modifi.

car sus conexiones-sli'lápticas como re:· sultado de la actividad neuro_nal·se denomina ¿En qué ló~u!os se localizan !os centros para la visión, la- audición y el sensorial? ¿Cuál de las capacidades de Benjamfn podrla haber sufrido si, en cambio, se hubiera extirpado su hemiste~io iz· quierdo?

323

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RESUMEN DEL CAPÍTULO El cerebro es el centro de control princtpal del CUerpo y (como se aprendeiá en los próXImos capítulos) las respuestas homeostáticas en muchos siStemas Orgánicos están diseñadas para mantener la fundón encefálica. La capacidad del cerebro para crear pensamientos complejos y emociones en ausencta de estímulos externos es una de sus propiedades emergentes.

Propiedades emergentes de las redes neurales t. Las redes neurales crean conductas afectivas y cognitivas (p. 292) 2. El cerebro muestra plasticidad, la capaddad de modificar las conexiones de acuerdo con la experiencia. (p. 292)

Evoludón de los sistemas nerviosos 3. Los sistemas nerviosos evoludonaron desde una red simple hasta encéfalos compie¡os. (p. 292; Fig. 9·1) 4. El cerebro es responsable del perlS3Inlento y la emoción. (p. 294)

13. La raíz dorsal de cada nervio espinal transporta la informactón sensi-~

tiva entrante. Los ganglios de la míz dorsal contienen los cuerpos de las células nerviosas de neuronas sensitivas. {p. 301; Fig. 9·7) 14. Las ralees ventrales transportan Infonnadón desde el sistema nerviQ. so central hada músculos y glándulas. (p. 301) 15. Los tractos ascendentes de la sustancia blanca transportan informadón sensitiva hacia el encéfa1o y los tlactos descendentes transportan las señales eferentes desde el encéial.o. Los tlactos proploesplna. les se mantienen dentro de la médula espinal. {p. 301) 16. Los reflejos espinales son integrados en la médula espinal. (p. 301; F'¡g. 9.S)

El encéfakl

17. El encéfalo tiene seis divisiones mayores: cerebro, diencéfalo, mesen· céfalo, cerebelo, protubelanda Ybulbo raquídeo. (p. 303; Flg. 9-9) 18. El tronco encefálico está dividido en el bulbo raquídeo, la protubetanda y el mesencéfalo. Los nervios craneales II a XII se originan Anatomía del sistema nervioso central aquí. (p. 303; cuadro 9-1) S. El sistema nervioso central consiste en capas de células alrededor de 19. La formactón reticular es una red difusa de neuronas que desempe-una cavidad central llena de liquido y se desarrolla a partir del tubo ñan un papel importante en muchos procesos básicos. (p. 303) neuraldel embrión. (p. 295; Fig. 9·2) 20. El bulbo raquídeo contiene tractos somatosensitl.vos y corticospi· 6. La sustancia gris del SNC está Constituida por los cuerpos de células nales que transmiten informactón entre el cerebro y la médula espinerviosas amielínicas, las dendritas y las terminadones axóni.cas. Los· nal. La mayoría de los tractos cruzan la linea media en la reglón de las cuerpos celulares forman capas en partes del encéfalo o se reúnen en pirámides. El bulbo raquídeo contiene centros de control para mugrupos conocidos como núcleos. (p. 296) chas functones Involuntarias. (p. 305) 7, Los axones mielínicos fonnan la sustancla blanca del SNC y &seu2L La protuberancia actúa como una estadón de relevo para la lnformatren en haces denominados tractos, (p. 296) ctón entre el cerebelo y el cerebro. (p. 305) 8. El encéfalo y la médula espinal están rodeados por las Dlel\l.Dg:es y los 22. El mesencéfalo controla el mOVimiento ocular y transmite señales pa· huesos del cráneo y las vértebras. Las meninges son la piamadre, la ra los reflejos auditivos y visuales. {p. 305) aracnoides y la duramadre. {p. 296; Flg. 94) 23. El cerebelo procesa la información sensitiva y coordina la ejecuctón 9. El plexo coroideo secreta líquido cclalorraqu!deo (LCR) en Jos ven· del movimiento. (p, 305) trículos cerebrales. El líquido cefalonaqu!deo. amortigua el tejido y 24. El diencéfalo está compuesto por el tálamo y el hipotálamo. El tálacrea un medloambiente controlado qlÚ1lÚcamente. (p. 296; F_¡g. 9-5) mo transmite Y-modifica la información sensitiva y motora que se d.i10. Las uniones estrechas de los-capilares encefál!cos crean una barreta p.ge a la corteza cerebral y viene de ella. (p. 306; Fig. 9-10) hematoencefállca que impide que silstand.as potendaimente noci· 25. El hipotálamo contiene centros para los impulsos conductuales y de-vas de la sangre entren en el líquido intetStidaL (p. 299; Fig. 9-6) sempeña un papel clave en la homeostasis·por su control sobre la fun· 11. La fuente normal de combustible para las neuronas es ~ glucosa y el dón endocrina y autónoma. (p. 306; cuadro 9-2) cuetpo regula cuidadosamente las concentraciones sanguíneas de glu26, La glándula hipófisis y la glándula plneal son glándulas endocrinas cosa. (p; 300) localizadas en el d.iencéfalo. (p. 3Ó6) 27. El cerebro está compuesto por dos hemisferios conectados en el cuerpo calloso. cada hemiSferio cerebral está dividido en tos lóbulos La médula espinal frontal, parietal, tempotal y occipital (p. 307) · 12. Cada segmento de la médula espinal se asoda con un par de nervios 28. La sustancia gris cerebral incluye la corteza cerebral, los ganglios ba· esPinales. (p. 301) sales y el sistema límbico. (p. 307; Fig. 9·11)

t

324

Capftulo 9 El sistema nervioso central

Preguntas

29. Los gangl.l.os basales ayudan a controlar el mOVimiento. (p. 309) 30. El sistema límbico actúa como el nexo entre !as funciones cognitivas y las respuestas emocionales. El sistema límbico mqi!}-e la amígdala y el giro ctngular, relacionados ron la emoción y la memoria, y el bipocam· ¡x>, asociado con el aprendlzaje y la memoria. (p. 308; Fig. 9-13)

Función encefálica 31. Tres sistemas encefálicos influyen en las eferenctas motoras~ un sistema sensitivo, un sistema cognitivo y un sistema del estado con· ductual. (p. 308; Fig. S.14)

32. Las funciones encefálicas (cerebrales) superiores, como el razonamiento, surgen en la corteza cerebral. La corteza cerebral contiene tres es. pecializadones funcionales: las áreas sensitivas, las áreas motoras y las áreas de asociación. (p. 309; Hg. 9-15) 33. cada hemiSferio del cerebro ha desanollado funciones que no son compartidas por el otro hemisferio, una especialización conoáda cOmo lateralización cerebral. (p. 309; Fig. 9-16) 34. Las Areas sensitivas reciben información de reteptores sensitivos. La corteza somatosensitiva prlmarta procesa la Información sobre tacto, temperatuza y otros sentidos somilicos. I.a corteza visual,. la corteza audifua, la corteza gustativa y la corteza olfatoria reciben infol'lllil-o ctón sobre visión, sonido, gusto y olores, respectivamente. (pp. 310.311) 3.5. Las áreas de asociación integran)a informadón sensitiva y la con· vierten en percepción. La percepción es la interpretación encefáll.ca de los estímulos sensitivos y sensoriales. (p. 311) 36. Las eferencias motoras incluyen el movimiento de los músculos esqueléticos, la seaectón neuroendocrina y las respuestas Vistaales. (p. 311) 37. Las áreas motoras dirigen el movimiento ~e !os músculos esqueléticos. cada hemisferio cerebral contiene una corteza motora primaria y el área de asociación motora. (p. 311) 38. El sistema conductual controla los estados de alerta y modula los sts. temas sensitivo_() sensorial y cognitivo. (p. 312) 39. Los sistemas moduladores difusos de la funnación reticular influyen en la atención, la mottvación, la vigilia, la memoria, el control motor, el estado de ánimo y la homeostasiS metabólica. (p. 312¡ Fig. 9-19; cuadro 9-3) 40. El sistema de activación reticular mantiene al cerebro consciente de la propia persona y del entorno. La actividad eléctrica en el encéfalo varía con los niveles del estado de alerta y puede ser registrada con la electroencefalogrnfia. (p. 312¡ Fig. 9-20) ·

41. Los ritmos drcadianos están controlados por un reloj interno en el núcleo supraqulasmático. (p. 315) 42. El sueño es un estado fácilmente reversible de inactividad con esta· dios característicos. Las dos fases princi¡)ales del sueño son el sueño REM (movimientos oculares Iápidos) y el sueño de ondas lentas (sueño no REM), Se desconoce la razón fisiológica para el sueño. (p. 313) 43. El sistema Iímbico es el centro de la emoción en el cerebro humáno. Los acontecimientos emocionales Influyen en las funciones fis!o!ógl· cas. (p. 315¡ Fig. 9-21) 44. La motivación surge a partir de señales internas que dan forma a las conductas voluntarias relacionadas con supervivencia o emociones. Los impulsos motivactonales crean conductas diÍigtdas a objetivos. (p. 316) 45. Los estados de ánimo son estados emocionales de larga duración. Muchos trastornos del estado de ánimo pueden ser tratados alterando la neurotransmis!ón en el encéfalo. (p. 316) 46. El aprendizaje es la adquisición de conbdmlento acerca del mundo que nos rodea. E!. aprendizaje asociativo ocurre cuando dos estímulos se asoctan entre sí. El aprendizaje nó asociativo incluye conductas, como aprender un lenguaje. (p. 317) 47. En la habituación, un animal muestra una respuesta cada vez. menor a un estímulo que se repite una y otra va En la sensibilización, la exposición a un estímulo nocivo o intenso ere¡; una respuesta aumentada en una exposición ulterior. (p. 318) 48. La memoria tiene múltiples niveles de almacenamiento y está cambiando constantemente. La información es almacenada primero en la memoria a corto plazo pero desaparece a menos que sea consOlidada en la memoria a largo plazo. (p. 318; Fig. 9·22) 49. La memoria a largo plazo incluye la memoria reflexiva, que no requiere procesos consctentes para su creactón o recuperación, y la memoria declarativa, que utiliza habilidades cognitivas de nivel superior-para la fonnación y requiere la atención consciente para su recuperación. (p. 318; cuadro 9-4) SO. La consolidación de la memoria a corto plazo en la memoria a largo plazo parece Involucrar cambios en las conexiones sinápticas de los circuitos involucrados en el aprendizaje. (p. 319) SI. Ellenguafe es considerado la conducta oognltiva más elaborada. La integración del lenguaje hablado en el cerebro humano involucra el procesamiento de la información en el área de Wemtcke y el área de Broca. (p. 320¡ Fig. 9-23)

PF!EG!.It~TAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. La capacidad de los cerebros humanos para cambiar las conexiones de los dteul.tos y la función en respuesta a las aferendas sensitivás y la

experiencia pasada se conoce como · _

.

2. Las conductas ----están relacionadas con sentimiento y emo.

ción. Las conductas ~ relacionadas con el pensamiento. 3. La parte del encéfalo denominada es lo que nos convierte en humanos, al petlllitir al ser humano el razonamiento y la cognición. 4. En Jos vertebrados, el sistema nervioso central está protegido por los huesos del y la.~--5. Mencione las meninges, cómenzando con la capa próXima a los huesos. 6. Mencione y explique los- propósitos del liqUido cefalorraquídeo (LCR). ¿Dónde se forma? 7. Compare la concentradón de cada una de las siguientes sustancias en el LCR con su concentración en el plasma sanguíneo. a)

e)

HCo3-

glucosa

e) Na•

b) Ca:<> d) H• f) K•

8. La única fuente de combustible para las neuronas bajo dromstancias normales es la . La baja concentración de este combustible en la sangre se denomina , Para sintetizar el suficiente ATP como para transportar continuamente iones, las neUIonas consumen grandes cantidades de . Para_ cubrir

estas necesidades, alrededor del--% de la sangre bombeada por el coi3Z6n se dirige al cerebro.

9. Relacione cada una de las áreas siguientes con su función. a) bulbo raquídeo 1. coordina la ejecución del movimiento b) protuberancia 2. está compuesto por el tálamo y el e) mesencéfalo hipotálamo d) formación reticular 3. controla ei estado de vigilia y el sueñ.o e) cerebelo 4. está compuesto por dos hemiSferios y f) diencéfalo llena la mayor parte del cráneo g) tálamo 5. contiene los centros de control para h) hipotálamo presión arterial y respiración i) cerebro 6. transmite y modifica la Información que va al cerebro y Viene de él 7. transfiere información al cerebelo 8. contiene centros !nt"egradores para la homeostaslS 9. transmite señales y reflejos visuales, más el movimiento ocular 10. ¿Qué es la barrera hematoencefállca y cuál es su función? 11. ¿En qué se diferencian la sustancia gris y la sustancia blanca, tanto desde el punto de vista anatómico como funcional? 12. Mencione las áreas de la corteza cerebral que a) dirigen la percepción, b) dirigen el moVimiento y e) integran la Información y dirigen las conductas voluntarias. 13. ¿A qué se refiere la 1ateralizad6n cerebra(! ¿Qué funciones tienden a centrarse en cada hemiSferio?

14. Mencione los dos neurotransmtsores lnhipitortos más comunes del

SNC. ¿Dónde actúan? ¿Qué canales iónicos abren? 15. Mencione y defina las dos fases prindpales del sueiio. ¿En qué se di· ferencian entre sí? 16. Mencione varios reflejos homeostáticos y conductas que son inflUidos por las eferencias del hipotálamo. ¿Cuál es el origen de las aferencias emocionales hacia esta área? 17. Se cree que la región de del sist;;ma Iímbico es el centro para instintos básicOs {como el miedo) y estados emocionales aprendidos. 18. ¿Cuáles son las categorías del aprendiz
NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 20. Ubique en un mapa los siguientes ténninos que describen la anatomía del SNC. Usted puede hacer dibujos o agregar otros términos si lo desea. aracnoides epéndimo tractos ascendentes sustancia griS barrera hematoencefállca nervios lumbares encéfalo meninges capilares núcleos cuerpos celulares piamadre líquido cefalonaquídeo tractos ptoploespinales nervios Cervicales nervios sacros plexo coroideo médula espinal nervios craneales nervios torácicos tractos descendentes raíz ventral raíz dorsal ventrículos ganglio de la raíz dorsal columna vertebral duramadre sustancia blanca 2.1. Trace la vía que sigue el líqUido cefalorraquídeo a través del sistema nervioso. 22. ¿Cuáles son los tres sistemas encefálicos que regulan las eferencias motoras del SNC? 23. ¿Cómo puede actuar una molécula una vez como neurotransmisor y otra como neuromodulador? 24. Compare y contraste Jos sigulentes conceptos: a) sistemas moduladores difusos, fonnadón reticular, sistema límbico y sistema de activación reticular b) diferentes fonnas de memoria e) núcleos y ganglios d) tractos, nervios, astas, fibras nerviosas y raíces 25. Reemplace cada signo de Interrogación del cuadro siguiente por la!s . palabn!s apropiada/s:

~ ENcEF~.cA

--tt)ímu:>~

·::

cOrteza S
·.

--_FUNcioNES

-_ R-~~~~6~:~~ · de_Ios,receptofl':S ~_cos

·:~.:.·~i~{ ·, ·->-~t:~~(j~~d&t~

325

26. Dada la onda que se muestra a continuadón, dibuje a) una onda de frecuencia menor, b) una onda de amplitud mayor, e) una onda de mayor frecuencta. (Sugerencia: véase figura 9-20, p. 314)

27. ¿Qué propiedades tienen en común los estados motivactonales? 28. ¿Qué cambios ocurren en las sinapsis a medida que se forman las me-

morias?

NIVEL 3: RESOLUOÓN DE PROBLEMAS 29. m_ SL Andersen, un paciente que sufrió un acctdente cerebrovascular, experimenta una afasia de expresión. Su terapeuta, carolina, le enseña a cantar para comunicar sus necesidades.¿Qué signos mostraba el SL Andersen antes del tratamiento? ¿Cómo sabe usted que no tenía una afasia de comprensión? Utilizando lo que ha aprendido sobre la lateralización cerebral, formule una hipótesis de por qué el canto funcionaba con él. 30. Se reallz6 un estudio en el cual se ensefió a 40 adultos la importancia del uso de los cinturones de seguridad en sus automóviies. Al final de la presentación, todos Jos participantes tuvieron puntuaciones de al menos un 90% en una prueba que cubría el material enseñado. También se filmó en secreto cintas de video de las personas entrando y saliendo del lugar de estacionamiento del sitio de la clase. Veinte individuos entraron utilizando sus cinturones de seguridad y 22 salieron utilizándolo. ¿Ocutrió un aprendizaje? ¿Cuál es la reladón entre aprender y abrocharse realmente el cinturón de seguridad? 31. En 1913, Henri Pieron mantuvo a un grupo de penos despiertos durante varios días. Antes de permitir que se durmieran, extrajo líquido cefalorraquídeo de los perros con privación de sueñ.o. Luego inyectó este LCR en perros normales que descansaban. Los perros receptores rápidamente se quedaron dormidos durante períodos que variaron desde dos horas hasta seis horas. ¿Qué conclusión puede sacar acerca del posible origen de un factor Inductor del sueño? ¿Qué controles debería haber inclUido Pleron? 32. Un estudio• de 2002 presentó los resultados de un estudio prospectivo (~p. 11) realizado en Utah. El estudio comenzó en 1995 con la m.luactón cognitiva de 1 889 mujeres cuya edad promedio era de 74,5 aftos. Los investigadores interrogaron sobre los antecedentes de las mujeres en ingesta de calcio, ruplementos polivitamínl.cos y reposición hormonal posmenopáUsica {estrógenos o estrógenos/progeste!ona). Las entreviStas de seguimiento en 1998 investigaron el desa. nollo de enfermedad de Alzheimer en la poblactón en estudio. Los datos mostraron que 58 de 800 mujeres que no habían utilizado tratamiento de reposiCión hormonal desarrollaron enfermedad de Alz. heimer, en comparación con 26 de 1 066 mujeres que hablan utiliza. do hormonas. l. ¿Pueden los investigadores, a partir de los datos, arribar a la conclu-

Corteza il:lidi~ .

¿?

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_-.'fenipoiai

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sión de que el tratamiento de reposición hormonal disminuye el riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer? ¿Existe otra infonna· ción que debe tene¡:se en cuenta en el análisis de los datos? 2. ¿Qué grado de apllcadón tienen estos hallazgos a todas las mujeres estadounidenses? ¿Qué otra infonnactón podrla usted desear conocer acerca de los individuos del estudio antes de extraer cualqUier conclusión? *"Honnone replacement thmapy and !nddence of Alzhelmer d!sease in older women: The Cache County study". JAMA 288: 212.3-2129, 2002,6 de noviembre.

1 *

·

326

Capítulo 9 El sistema nervioso central

RESPUESTAS

V Respuestas a las preguntas de revisión Página 293 1. a)3;b)2;c)l;d)3;e)2 Página 296 2. Las células de la glía en el SNC son astrocttos {proporcionan soporte, secrectón, absorción), oligodendrodtos {fonnan míelina), microglia (actúan como fagocitos) y células del epéndimo {revisten los ventrículos). Página 296 3. Un ganglio es un agrupamiento de cuerpos de células nerviosas por fuera del SNC. El equivalente del SNC es un núcleo. 4. Los tractos son el equivalente del SNC de los nervios periféricos. Página 299 S. Cuando aumenta !a concentración de H•, disminuye el pH, lo que sig· nifica que el pH del LCR debe estar por debajo del pH de la sangre. 6. La sangre se acumulará en el espado entre las membranas, lo que em· puja el tejido blando del cerebro bajo el cráneo. (A esto se lo denomina hematoma subduml.) 7. El liquido cefalorraquídeo es más similar al liquido interstiCial porque estos Uquidos contienen pocas proteínas y ninguna célula sanguínea. Página301 8. La fosfori!ación oxidativa tiene lugar en las mitocondrias. 9. Las dos vías son la glucólisis y el cido del ácido cttrtco. La glucosa es metabolizada a piruvato a través de la glucólisis y luego entra en el d· do del ácido cttrtco (también denominado ciclo del ácido trtcarboxí· Uco). El NADHz pasa electrones de alta energia al sistema de ttanspor· te de electrones para la síntesis de ATP. 10. Otra explicación sería que alguna propiedad del tejido encefálico !o toma resistente a la tindón por el colorante. De hecho esto es lo que concluyó Ehrlich. 1L El encéfalo se tiñó de azul esta vez, pero ninguno de los otros tejidos corporales se tii\eron porque el colorante no pudo atravesar la barre· ra hematoencefálica y entrar en el torrente sanguíneo. Página301 12. Las astas son áreas de sustancia gris en la médula espinaL Las raíces son las divisiones de los nervios espinales que se encuentran ¡usto antes de entrar en la médula espinaL Los tractos son proyecciones latgas

de sustancia blanca (axones) que se extienden hada arriba y abajo por la médula espinal. Las columnas son grupos de tractos que transmi· ten infonnación similar. 13. El corte de una raíz dorsal in«:rrumpe la función sensitiva. Páglna 305 14. a) y e) son sustancia blanca, b) es sustancia gris. 15. Mover los o¡os, la mandíbula o la lengua y probar alguna sustancia, o!eryoir. 16. El cerebro es dorsal o superior respecto al tronco encefálico. Página 307 17. Las tres subdiVisiones del tronco encefá!lco son bulbo raquídeo, protuOeranda y mesencéfalo. 18. El diencéfalo está compuesto por el tálamo, el hipotálamo, la glándu· la hipófisiS y la glándula pineaL Página308 19. Las neuronas cruzan de un lado del cuerpo al otro en las pirámides del bulbo raquídeo. 20. Las diviSiones del enilialo, comenzando en la médula espinal, son bulbo raqWdeo, 'protuber.mda, cerebelo, mesencéfaló, diencéfalo y cerebro. Página 314 21. Las neuronas que están enviando menos señales probablemente estén h!perpolariZadas, por lo que requedrfan un estímulo más intenso pa· ra iniciar un potencial de acción.

Respuestas a las preguntas de figuras y gráficos Página 297 Figuta 94: La duramadre rodea completamente el seno venoso y fonna uno de los Hmites del espado subdural; la aracnoides separa los espacios subdwal y subaracno!deo; la plamad:re fonna el otro límite del espado subaracnoideo. Página310 Figura 9·16: (a) La pérdida de función en la corteza visual haría que la per· sona no pudiera ver nada en el campo visual izquierdo. (b) .El cuerpo ca· lioso intercambia infonnadón entre los dos lados del cerebro. Página 314 Figura 9·20; Las ondas alfa tienen la frecuenda máxima y !as ondas delta tienen la ampHtud máxima.

Fisiología sensitiva Propiedades generales de los sistemas sensitivos 329 Los receptores son sensibles a formas espedficas de energía 330 la transducción sensitiva convierte a los estímulos en potenciales escalonados 330 la neurona sensitiva tiene un campo perceptivo 331 El sistema nervioso central integra la información sensitiva 332 La codificación y el procesamiento distinguen la modalidad, la localización, la intensidad y la duración del estímulo

Sentidos somáticos 337 Las vías para la percepción somática proyectan hada la corteza somatosensltiva y el cerebelo 338 Los receptores del tacto responden a muchos estímulos diferentes 339 Los receptores de temperatura son terminaciones nerviosas libres 340 los nociceptores inician respuestas protectoras 340 El dolor y el prurito están mediados por nociceptores

Quimiorrecepción: olfato y gusto 343 El olfato es uno de los sentidos más antiguos 345 El gusto es una combinación de cinco sensaciones básicas

El oído: la audición

349 La transducción de sonidos es un proceso de múltiples pasos 350 la cóclea está llena de líquido 353 Los sonidos son procesados primero en la cóclea 353 Las vlas auditivas proyectan hacia la corteza auditiva 354 la hipoacusia puede ser el resultado de daño mecánico o neural

El oído: el equilibrio 355 El aparato vestibular ertá lleno de endolinfa 355 El aparato vestibular proporciona información sobre movimiento y posición en e! espacio 355 Los conductos semicirculares sensan la aceleración rotacional 355 los órganos oto!íticos sensan !a aceleración lineal y la posición cefálica 357 las vlas del equilibrio proyectan primariamente hacia el cerebelo

Ei ojo y la vísíón 358 359 361 363 364

El ojo está protegido por el cráneo la luz entra en el ojo a través de la pupila

El cristalino enfoca la luz sobre la retina la fototransducdón ocurre en la retina los fotorreceptores traducen la luz en señales eléctricas 368 El procesamiento de las señales comienza en la retina

348 la audición es nuestra percepción del sonido

INFORMACIÓN BÁSICA Recapitulaci6n:

27~;· Sistemai ~~segu~jo:~~~sijeioJ;JSO; U~bial: J96; Proteina.sG: l83;

Plasticidad: _283; _~o_n,tro!-~~n_ico: i.1_92; ~!'t~ncia,l__~e _m~¡_n~ra_n_a_:_: 162; ·:_ -~otenciales escalonados: 255;- .. liberación de neurotran'slnisores:-:271;) · ' ·· · ·- · · ·· ·

328

Capítulo 1O Fisiología seru:ltiva

Propiedades generales de los sistemas sensitivos

EL PROCESAMIENTO DEL ESTfMULO HABITUALMENTE

sentidos especiales

Sentidos somáticos

Visión

Tacto

Audidón

Temperatura

Gusto

Dolor

Olfato

Prurito

Equilibrio

Propiocepción

e5 CONSOENTE

~··""molo Terminaclones nerviosas libres

~

Terminación nerviosa

circunscripta o encapsulada

~Neurona sensltiva

EL PROCESAMIENTO HABITUALMENTE ES SUBCONSOENJE

Estfmulos somáticos

329

Axón mielínico

,~

Estimules viscerales Cuerpo celular

Longitud y tensi'ón muscular Preslón arterial Propiocepdón

J'\(~)-cueroo celular

1

Distensión del tracto g'astrolntestinal Glucemia .

.

Temperatura corporal intema Osmo!aridad de los líquidos corporales

Imagínese flotando en la oscuridad en un tanque lleno de agua salada: no hay ningún sonido, ninguna luz, ninguna brisa. El aire y el agua tienen la misma temperatura que su cuerpo. Usted se encuentra en una cámara de privación sensorial y las únicas sensaciones de las que tiene conciencia provienen de su propio cuezpo. Sus miembros no tienen peso,. usted inspira y espira sin ningún esfuerzo, y siente su corazón latir. En ausencia de estímulos externos, usted se vuelve hada sus adentros para escuchar lo que su cuerpo tiene para decir. En décadas pasadas, los tanques de privación sensorial eran una forma popular de contrarrestar el estrés de un ·mundo turbulento. Es dificil encontrar en la actualidad estas instalaciones, pero ilustran con claridad el papel de la división aferente del sistema nervioso: proporcionarnos información sobre los roedioambientes interno y externo de nuestro cuerpo. A veces percibimos las señales sensitivas cuando alcanzan el nivel de la conciencia, pero otras veces son procesadas totalmente a nivel inconsciente. (cuadro 10-I!m. Entre los ~timuloS que habitualmente no alean- ·· zan el conocimiento consciente están los cambios en la longitud y tensión de ios músculos y distintos parámetros internos que el cuerpo sensa para mantener la homeostasis, como la presión arterial y el pH. Las respuestas a estos estímulos constituyen mu~ chos de los reflejos inconsctentes del cuerpo. En este capítulo nos referil:emos principalmente a los estímulos sensitivos cuyo procesamiento alcanza el nivel consciente de percepct6n. Estos estímulos son los asociados con los sentidOs especiales de visión, audidón, gusto, olfato y equilibrio, y los sentidos somáticos de tacto, temperatura, dolor, prurito y propiO..

!nsufladón pulmonar pH del liquido cefalorraqu!deo

{a) Los receptores simples son neuronas con terminaciones nerviosas fibres.

pH y contenldQ de oxigeno de la sangre

cepción. La propiocepción, definida como la conciencia del movimiento corporal y de la posidón del cuerpo en el espácto, está mediada por receptores sensitivoS (propioceptores) en los músculos y las articulaCiones y puede ser inconsciente o cons.dente. Si usted cierra los ojos y levanta los brazos por_endma de la cabeza, está consciente de su posición debido a la activación de los propioceptores. Primero se considerarán las propieda;
PROPIEDADES GENERALES DE LOS SISTEMAS SENSITIVOS Todas las vías sensitivas tienen ciertos elementos en común. Comienzan con un estimulo en forma de energía física que actúa sobre un receptor sensitivO. El receptor es un transductor que convierte el estímulo en una sefial. intracelular, habitualmente un cambio en el potencial de membrana. Si el estímulo está por encima del umbral, los poténciales de acción pasan por una neuro-

{b) Los receptores neurales complejos tienen terminaciones OONiosas encapsuladas en tejido

conectivo.

{e) La mayoría de Jos receptores de los sentidos especiales son células que liberan neurotransmisor en nOOronas sensitivas, io que inicia un potencial de acción.

mFIGURA 1{)-1 Receptores sensitivos {a) Los receptores simples pueden tener axones mielínicos o ·amie!ínicos. {b} Esta ilustración muestra un corpúsculo de Padni, que sen· sa el tacto. (e} La célula que se muestra es una célula dliada, que ~e encuentra en el ofdo.

na sensitiva y llegan hasta el sistema nervioso central, donde se integran las señales entrantes. Algunos estímulos pasan directamente a la corteza cerebral, donde alcanzan la pércepctón consdente, pero otros se procesan inconscientemente sin que nos demos cuenta. En cada sinapsis a lo largo de la vía, el sistema nervioso puede modular y dar forma a la información sensitiva. Los sistemas sensitivos en el cuerpo humano varían amplíamente en complejidad. Los sistemas más simples son neuronas sensitivas con dendritas ramificadas que fundonan como receptores. Los sistemas más complejos incluyen órganos sensoriales multicelulares como el oído y el ojo. la cóclea del oído contiene aproximadamente 16 000 receptores sensoriales y más de un millón de partes asociadas, y el ojO humano tiene alrededor de 126 millo~es de receptores sensoriales.

Los receptores son sensibles a formas espedficas de energía Los receptores en el sistema sensitivo varían ampliamente en complejidad, desde las terminaciones ramificadas de una neurona sensitiva hasta células complejas y altamente organizadas como los fotorreceptores. Los receptores más simples, como los receptores somatosensitivos, consisten en una neurona con terminaciones nerviosas desnudas (uhllres") (Fig. 1Q..la jj). En los receptores más complejos, las terminaciones nerviosas están encerradas en cápsulas de tejido "conectivo (Fig. 10.1b). Los axones de los receptores simples y complejos pueden ser mielínicos o amlelínicos. Los sentidos especiales tienen los receptores más especializados. Los receptores para el olfato son neuronas, pero los otros cuatro sentidos especiales utilizan células receptoras no neurales que hacen s!napsis con neuronas sensitivas. La célula ciliada del

330

Capítulo 10 FISiología sensitiva

TIPO DE RECEPTOR

EJEMPlOS DE ESTfMULOS

Qulmiorreceptores

Oxigeno, pH, distintas moléculas orgá· nícas como glucosa

Mecanorrece~tores

Presión {barorreceptores), estiramiento celular, vibradón, aceleración, sonido

Fotorreceptores

Fotones de luz

Terrnorreteptores

Variadones en el calor

Propiedades generales· de los sistemas sensitivos chos receptores, la apertw:a o el cierre de los canales iónicos convierte la energía mecánica, química, térmica o luminosa directamente en un cambio en el potendal de membrana. Algunas transducciones sensitivas incluyen un paso intermedio y utilizan sistemas de segundo mensajeco para inidar el cambio en el potendal de membrana, Cada receptor sensitivo tiene un estímulo adecuado: una forma particular de energía a la cual responde más. Por ejemplo, los termoneceptores son más sensibles a la temperatura que a la presión, y los mecanorreceptores responden con preferencia a los estímulos que deforman la membrana celular. Aunque los receptores son específicos para una forma de energía, pueden ·responder a muchas otras si su intensidad es suficientemente alta. Los fotorreceptores del ojo responden más fádlmente a la luz, por ejemplo, pero un golpe en el ojo puede hacer que veamos ~trellas", un ejemplo de energía mecánica de fuerza suficiente como para estimular a los fotorreceptores. Los receptores sensitivos pueden ser increíblemente sensibles a su forma preferida de estímulo. Por ejemplo, un fotón de luz estimula ciertos fotorreceptores y una molécula específica de sus.tanda odorífera activa los quimiorreceptores del sentido del olfato. El estímulo mínimo requerido para activar un receptor se conoce como umbral, igual que la mínima despolarización requeri· da para disparar un potencial de acción (m p. 254), ¿De qué modo un estímulo físico o químico se cnnvierte en un cambio del potencial de membrana? El estimulo abre o cierra canales iónicos en la membrana del receptor, directa o indirecta· mente (a través de un segundo mensajero). En la mayoña·de los casos, la apertura de los canales conduce al influjo neto de Na+ u otros cationes en el receptor, lo que despolariza la membrana. A veces la respuesta al estímulo es la hiperpolartzación cuando el K+ sale de la célula. En el caso de la visión, el estímulo (luz) derra los canales catiónicos e hiperpolarlza el receptoL El cambio en el potencial de membrana del receptor sensitivo es un potendal escalonado ( ~ p. 255) y se llama potencial del receptor. En algunas células, el potencial del receptor inicia un potendal de acdón que viaja a lo largo de la fibra sensitiVa hasta el SNC. En otras células, los potenciales de acdón influyen en la secreción del neurotransmisor por la célula re.ceptora, lo cual a su vez altera la actividad eléctrica en una neurona sensitiva asociada.

Neuronas sensitivas

331

las neuronas sensitivas

primarlas convergen en una

11

oído, que se muestra en la figura 10-lc, es un ejemplo de un receptor no neural. Cuando es activada, la célula ciliada libera un neurotransmisor que inicia un potencial de acción en la neurona sensitiva asociada. Tanto los receptores neurales como no neurales se desanollan del mismo tejido embrionario. Las estructuras accesarias.no neurales son fundamentales para la operación de muches sistemas sensoriales. Por ejemplo, el cristalino y la córnea del ojo ayudan a erúocar la luz entrante en los fotorreceptores. Los pelos sobre nuestro.s Prazos ayudan a receptores somatosensitivos a medir el movimiento en el aire millme· tros sobre de la :ruperficie cutánea. Las estructuras accesorias a menudo aumentan la capacidad de recolección de infonnación del sistema sensitivo. Los receptores están divididos en cuatro grupos principales, según el tipo de estimulo al cual son más sensibles (cuadro 10-2 S). ~os quimiorreceptores responden a ligandos químicos que se unen al receptor (gusto y olfato, por ejemplo). Los mecanorreceptores responden a distintas fotmas de energía mecánica, que incluyen_ presión, vibración, gravedad, aceleración y sonído (audición, por ejemplo). Los tenno:rreceptores responden a la temperatura y los fotorreceptores para la visión responden a la luz. REVISIÓN ·· 1. ¿Qué ventaja proporcionan los axones mie!lnicos7 2. ¿Qué papel accesorio desempeña ef oído externo (el pabellón auricular} en el sistema o aparato auditivO? 3. Para cada uno de los estlmu!os somáticos y viscerales enumerados en e! cuadro 10-1, ¿ruál de los siguientes tipos de receptor es el transductor. apropiado: mecanorreceptores, quimiorreceptores, fotorrec.eptores o termorreceptores? Respuestas en !a p. 374

La transducción sensitiva coilvierte a los estimulas en potenci()/es escalonados ¿De qué modo los receptores convierten diversos estímulos físicos, como luz o calor, en señales eléctricas? El primer paso es la transducdón: la conversión de la energía del estímulo en infor~ mación que pueda ser procesada por el sistema nervioso.* En mu~

•Este tipo de traruducclón no debe confundirse con la ttansdumón d~ señales, que Involucra a transferenda de lnformadón de un mensajero químico extraa!U;Iar a un segundo meruajeto lnttacclular ( ~ p. 180).

La neurona sensitiva tiene un Campo perceptivo Las neuronas somatosensitivas y visuales son activadas por estímulos que caen dentro de un área física especÍfica conocida como el campo perceptivo de una neurona. Por ejemplo, una neurona sensible al tacto en la piel responderá a la presión que cae dentro de su campo perceptivo. En el caso más simple, un campo perceptivo se asocia con una neurona sensitiva (la neurona sensitiva primaria en la vía), que a su vez hace stnapsis con una neurona del SNC (la neurona sensitiva secundaria). Pero los campos perceptivos a menudo se superponen con campos perceptivos vecinos (Fig. 10-21!1), (las neuronas sensitivas primaria y seamdaria también se conocen como neuronas de primer ofden y de segundo orden.) Además, neuronas sensitivas de campos perceptivos vecinos pueden mostrar convergencia (~p. Z78), en la cual múltiples neuronas presinápticas proporcionan aferencias a una cantidad

El campo perceptivo secundario

primarias se superponen.

incluye los tres campos perceptivos primarios que se superponen.

CORTE TRANSVERSAL DE LA MéDULA ESPINAL

FIGURA 1o-2 Campos perceptivos de neuronas sensitivas la convergencia de las neuronas ~nsñivas primarias permite que los estimules subumbrales simultáneos se sumen en !a neurona sen-

11!1

sitiva secundaria e inicien un potencial de acción. (En esta ilustración, sólo se muestra parte de la neurona sensitiva secundaría.) menor de neuronas postsinápticas. La convergencia permite que se sumen múltiples estímulos subumbrales simultáneos en la neurona postslnáptica (seamdaria). Cuando múltiples neuronas · sensitivas primarias convergen en una única neurona sensitiva secundaria, sus campos perceptivos individuales se fusionan en un campo pmeptivo seamdario único y grande, como lo indica la fi~ gura 10-2. El tamafto de los campos perceptivos secundarios determina el grado de sensibilidad de un área dada a un estímulo. Por eJemplo, la sensibilidad al tacto se demuestra con la prueba de discrinli~ nación de dos puntos (Fig. 10-3a S). En algunas regiones de la piel, como la de los brazos y las piernas, dos alfileres colocados · con 20 mm de separación serán interpretados por el cerebro como un único pinchazo. En estas áreas, muchas neuronas prima~ rias convergen sobre una única neurona serundaria, de modo que el campo perceptivo secundario es muy grande. En cambio, áreas más sensibles de la piel tienen campos perceptivos niás pequeños, con una relación de tan sólo 1:1 entre las neuronas ~itivas primaria y serundarla. En estas regiones, dos alfileres separados tan sólo por 2 mm pueden ser percibidos como dos toques separados (Flg. !().3b).

El sistema nervioso central integra la informadón sensitiva La mayor part~ de la infotmadón sensitiva del Oterpo entra en Ia médula espinal y discurre a través de las vías ascendentes hasta el encéfalo. Parte de la informadón sensitiva se dirige directamente al tronco encefálico a través de los nervios craneales ( i! 303). La informadón sensitiva que se inida en los reflejos vísc~es se integra en el tronco encefálico o en la médUla espi-

P.

nal y habitualmente no alcanza la percepción consciente. Un ejemplo de un reflejo visceral inconsdente es el control de la presión arterial por los centros en el tronco encefálico. Cada parte del encéfalo pcocesa uno o más tipos de infotmación sensitiva (Fig. 10-411). Por efemplo, el mesencéfalo recibe información visual y el bulbo raquídeo recibe aferendas para sonido y gusto. la infonnadón sobre el equilibrio se procesa primariamente en el cerebelo. Estas vías, junto con las que'transmiten la infonnadón somatosensitiva, se proyectan hada el tál~o, que actúa como una estación de relevo y procesamiento antes de pasar la información al cerebco. La información ol{atvria (olfacere, oler) es la única que no se di· rige hada el tálamo. El sentido del olfato, un tipo de quimiorrecepción, es considerado uno de los sentidos más antiguos; hasta los cerebros de los vertebrados más primitivos tienen regiones bl¡;~ desarrolladas para el proces~ento de la infoni:lación olfa. tórla. La infocnación sobre los olores discurre desde la nariz a tra~ vés del bulbo ol{atrnio y el primer nervio craneal (m; p. 303) has· tala corteza olfatoria en el cerebro. Tal vez por esta aferencia di.recta al cerebro los olores están tan relacionados con la memoria y con la emoción. La mayoría de las personas ha experimentado que a veces un olor evoca súbitamente memorias de lugares o personas del pasado. Un aspecto interesan~ del procesamiento de la información sensitiva en el SNC es el umbral de percepción, o sea el nivel de intensidad del estimulo necesaria para tomar candencia de una sensación particular. Los. estímulos bombardean los receptores sensitiVos o sensoriales constantemente, pero el cerebro puede u desconectar" algunos estímulos para evitar verse abrumado por la infonnación. Se experimenta un cambio en el umbral de per~ cepdón cuando se deja de prestar atención a la :radio mientras se

1

332

Capítulo 1O F!sio!Of!ía sensitiva

Propiedades generales de !os sistemas sensitivos (a) Muchas neuroilas sensitivas primarias que corivergen una neurona secundaria 1 crean un campo perceptivo secundario muy grande. los dos estímulos serán percibidos como un único punto porque ambos estimulas caen dentro de! mismo campo percaptivo.

con puntas O...-~------Compás separadas por 20 mm

333

{b} Cuando convergen menos neuronas primarias, los campos perceptivos secundarios son mucho más pequeños. Los dos estfmulos activan vías separadas y son percibidos como estímulos distintos.

,,

#' ~----

Neuronas sensitivas - - - - primarias

é

Neuronas

iJ

< - - - - - - - sensitivas

las vlas olfatorias desde

la nariz se proyectan a través del bulbo olfatorio hacia la corteza olfatoria.

secundarias

1

11 FlGURA 10.3 Díscriminadón de dos puntos {a) Las reglones menos sensibles de la piel se encuentran en los brazos y las pie mas. En estas regiones, dos estímulos separados por 20 rilm no pueden perdbirse como separados. (b) En las regiones más sensibles, como !os pulpejos de los dedos, dos estímulos separados tan sólo por 2 mm serán percibidos como dos estímulos distintos.

estudia o cuando se concentra en lo que dice el disertador en una conferencia. En ambos casos, el ruido ambiente es sufidente como para estimular las neuronas sensoriales del oído, pero las neuronas más altas en la vía impiden que la señal percibida alcance el cerebro consdente. La disminución de la percepcióil de un estimulo se logra mediante modulación inhibítoria ( ~p. 41), que disminuye un estímulo supraumbral hasta que se encuentra por debajo del umbral

de percepción. La modulación inhibitoria acune a menudo en las neuronas secundarias y terciarias de una vfa sensitiva. Si el estí. mulo modulado se torna súbitamente importante, como cuando el profesor le formula una pregunta, usted puede consctentemente concentrar su atención y superar la modulación inhibitoria. ese punto, su cerebro consciente busca recuperar y recordar las aferencias sonoras recientes de su subconsciente para poder res:. ponder a la pregunta.

La codificación y el procesamiento distinguen

la modalidad, la localización, la intensidad y la duración del estimulo Si todos los estímulos se convierten en potendales de acctón en las neuronas sensitivas y todos los potenciales de acción son idénticos, ¿cómo puede el sistema nervioso central hallar la diferenCia entre, digamos, calor y presión, o eD.tre un pinchazo en el dedo del pie y uno en la mano? Los atributos del estímulo ser preservados de algún modo una vez que el estímulo el sistema nervioso para su procesamiento. Esto significa SNC debe distinguir cuatro propiedades de un estímulo: 1) turaleza o modalidad, 2) su localizadón, 3) su intensidad y 4) duradón. Modalidad sensitiva La modalidad de un estímul9 cada por cuáles son las neuronas sensitivas activadas y gar do_nde las vías de las neuronas activadas terminan falo. Cada tipo de receptor es más sensible a una modali ticular de estímulo. Por ejemplo, algunas neuronas

é

1

eq:;i~rio

las vlas para el ( se proyectan hacia el cerebelo.

• FIGURA 10-4 Vías sensitivas del encéfalo la mayoría de las Vías, excepto la vfa olfatoria, atraviesan el tálamo en su camino hasta la corteza cerebraL Algunas vías para el equi-

-~ibrio se dirigen directamente hada el cerebelo.

· más intensamente al tacto, otras responden a los cambios en la temperatura. Cada modalidad sensitiva admite subdivisiones. Por ~jetnplo, la visión de colores está dividida en rojo, azul y verde se'gún las longitudes de onda que estimulan con mayor intensidad ·:-, 'los diferentes receptores visuales. encéfalo asocia una señal proveniente de un grude receptores con una modalidad específica. Esta ~;._asociación 1:1 de un receptor con una sensación se denomina ~-;: principio de la línea marcada. La estimuladón de un receptor ' frío será percibida siempre como frío, tanto si el estímulo frío o una despolarización artifidal del receptor. El golpe que nos hace "ver" destellos de luz es otro ejemplo del _ de la línea marcada. {.ocalización del estímulo La localización de un estímulo se según los campos perceptivos que se activan. sensitivas del cerebro están altamente organizadas las señales entrantes, y las aferendas provenien- s sensitivos adyacentes se procesan en regiones ~-~*dyacentes de la corteza. Esta disposición preserva la organiza~~fiíón topográfica de los receptores sobre la piel, el ojo u otras reen los centros de procesamiento del encéfalo.

Por ejemplo, los receptores del tacto en la mano se proyectan en un área especial de la corteza cerebral. La estimulación experimental de esa área de la corteza durante la cirugía cerebral es interpretada como un toque de la mano, aun cuando no se haya producido ningún toque real. Asimísmo, el dolor del miembro fantasma comunicado por individuos que sufrieron amputaciones ocurre cuando las neuronas sensitivas secundarias de la médula espinal se vuelven hiperactivas, lo que conduce a la sensadón de dolor en una extremidad que ya no está allí. La información auditiva es una excepción a la regla de la localizadón. Las neuronas de los oídos son sensibles a diferentes frecuencias de sonido, pero no tienen campos perceptivos y su activadón no proporciona ninguna informadón sobre la localización del sonido. En su lugar, el cerebro utiliza el tiempo' de la activación de los receptores para determinar la localización, como se muestra en la figura 10--5 11 Un sonido que prOViene directamente del frente de un individuo alcanza ambos oídos de forma simultánea. Un sonido ubicado hacia un lado alcanza el oído más cercano varios milisegundos antes de alcanzar el otro. La diferencia en el tiempo que les lleva a los estímulos sonoros alcanzar Ios dos lados de la corteza auditiva es registrada por el

334

Propiedades generales· de los sistema~ sensitivos

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

335

!

ISIÓN

(

El sonido tarda más en

alcanzar el oído derecho.

Estimulo

4. En la figura 10-.6, ¿qué tipo/s de ca mil 16nico podríafn abrirse en las neuronas Ay Cque disminuyeran su capacidad de respuesta: Na•, K+, cr o Ca 2•? Respuesta en la p. 374

Intensidad y duración del estímulo La intensidad de un estímu· lo no puede calcularse directamente a partir del potencial de ac~ dón de una única neurona sensitiva porque un potencial de acdón es un fenómeno de tipo utodo o nada", con amplitud y duración constantes. La intensidad del estímulo queda establecida por dos tipos de infonnadón: la cantidad de receptores activados (otro ejemplo de codificación por población) y la frecuenda de potenciales de acción que provienen de esos receptores (codifica·

"'-

Estimulo'

i

Piel-----· A

S

e

sensitivas

primarias

d6n p_or frecuencia).

1

Vista superior de la cabeza

lil AGURA 10.5 ~ocalización del sonido El cerebrO utiliza las diferencias de tiempo más que neuronas especificas para localizar la fuente del sonido.

cerebro y se utiliza para calcular la localización de la fuente del sonido. La irihibición Iaterol, que aumenta el contraste entre los campos perceptivos activados y sus vecinos inaCtivos, es otra forma en que se puede aislar la localización de un estimulo. La figura 10-6m: muestra este. proceso para un estímulo de presión en la piel. El alfiler que pincha la piel activa tres neuronas sen~ sitivas primarias, cada una de las cuales libera neurotran~miso­ res en su neurona seCundarla co~ondiente. Pero las tres neu· ronas secundarias responden de-manera diferente. La neurona secundaria más próxima al estímulo (neurona B) suprime las respuestas de las neuronas secundarlas lateráles a ella (es decir, a cada lado), donde el estimUló es más débil, lo que peÍmite que dicho estímulo_ p!osiga sin interferencia. La inhibición de las neuronas más alejadas del estímulo aumenta el contrasté entre el centro y los lados del campo perceptivo, lo que hace que la sensación sea localizada más fácilmente. La inhibición lateral también se utiliza en el sistema visual para agudizar nuestra per· cepción. La vía de la figura 10~6 también muestra la codificación por población: la forma en que múltiples receptores pueden funcionar juntos para enviar al SNC más infonnación de Jo que sería posible aPartit' de un único receptor. Al comparar las aferendas provenientes de múltiples receptores, el SNC puede· hacer cálculos más complejos sobre las características espaciales y temporales de un estíniuio.

La codificación por población pára establecer intensidad ocurre porque no todos los receptores tienen el mismo umbral para su estímulo preferido. Sólo los receptores más sensibles {aquellos con umbrales más bajos) responden a un estímulo de baja intensidad. A medida que Un estímulo aumenta en intensidad, se activan receptores adicionales. Luego el SNC traduce la cantidad de receptores activos en una medida de la intensidad del estímulo. Para las neuronas sensitivas individuales, la discriminación de la intensidad comienza en el receptor. Si un estímulo se encuentra por debajo del umbral, la neurona sensitiva primaria no responde. Una vez que la intensidad del estímulo excede el umbral, la neurona sensitiva primaria comienza a disparar potenciales de acción A medida que aumenta la intensidad del estímulo, au· mentan de manera proporctonalla amplitud (intensidad) y la frecuencia de los potenciales de acción en la neurona sensitiva primaria, hasta~ frecuencia máxima (Fig. 10-71!1). Asimismo, la duración de un estímulo queda establecida por la duración de los potenciales de acción ~n la neurona sensitiva. En general, un estímulo más prolongado genera una serie más larga de potenciales de acción en la neurona sensitiva ~aria. Sin embargo, si un estímulo persiste, algunos receptores se adaptan, lo que significa que dejan de responder. Los receptores pertenecen. a una de dos clases, de acuerdo con el modo en que se adaptan a la estimuladón continua. Los receptores tónicos son receptores de adaptación lenta que se disparan rápidamente cuando son activados por primera vez, luego se hacen más lentos y mantienen su disparo mientras el estímulo está presente {Fig. 10-Sa !B)._Los baroneceptores, sen· sibles a la presión, los receptores de irritación y algunos receptores táctiles y propioceptores caen en es:ta categoría. En general, los estímulos que activan las respuestas tónicas son parámetros que deben ser controlados continuamente por el cuerpo. Por el contrario, los receptores fásicos· son receptores de adaptación rápida que se disparan cuando reciben por primera vez un estímulo pero dejan de disparar si la fuerza del estímulo se mantiene constante (Fig. 10.8b). Los receptores tásicos se ajustan a los cambios en el parámetro. Una vez que el estímulo alcanza una intensidad constante, los receptores fásicos se adaptan al nuevo estado de equilibrio y se desconectan. Este tipo de respuesta le permite al cuerpo ignorar la información que ha sido evaluada y de la que se ha descubierto que no amenaza la_.homeostasis ni el bienestar.

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m FIGURA 16-6/nMbición lateral las respuestas de las neuronas sensitivas primarias A, By Cson proporcionales a la intensidad del estímulo en cada campo percepti· vo. las neuronas sensitivas secundarias A y C son inhibidas por la neurona sensitiva secundaria B, lo que crea mayor contraste entre B y sus vecinas.

Nuestro sentido del olfato es un ejemplo de. un sentido que . utiliza receptores fásícos. Por ejemplo, usted puede oler su ·colonia cuando se la coloca por la mañana, pero a medida que trans-. curre el día sus receptores olfatorios se adaptan y ya no responden al estimulo de las moléculas de colonia. Usted ya no huele la fragancia, pero otras personas sí. La adaptación de los receptores fásicos nos pennite filtrar la información sensitiva extraña y concentrarnos en la que es nueva, diferente o esencial. Lo que sucede en un receptor durante la adaptación depende de qué tipo se trate. Én algunos casos se abren los canales de K• en la membrana, lo que hace que ella se repolarice y detenga la señal. En otros, los canales de Na+ se inactivan rápidamente. En otros receptores, las vías bioquímicas alteran la capacidad de respuesta. Algunas estructuras accesorias también pueden disminuir la cantidad de estímUlo que alcanza el receptoL Por ejemplo en el oído, pequeños músculos se contraen e impiden la vibración de los huesecillos en respuesta a los sonidos !fitensos, lo que dismi· nuye· así la señal del sonido antes de que alcance los receptores auditivos. En general, una vez que ha ocurrido la adaptación de un r~ceptor fásico, la única forma de crear una nueva señal es au-

mentar la intensidad del estímulo excitatorio o eliminar el estímulo por completo y pennitir que el receptor se vuelva a confi. guru.

Para resumir, la especificidad de las vías sensitivas se establece de varias formas: 1. Cada receptor es más sensible a un tipo particular de esti-

mulo. 2. Un estímulo por encima del umbral inicia potenciales de acción en una neurona sensitiva que se proyectan hada el SNC. 3.- La intensidad y la duración del estímulo están codificadas por patrón de potenciales de acdón que alcanzan el SNC. 4. La localización y la modalldad del estímulo son codificadas por los receptores que se activan o (en el caso de sonido y olfato) por el cronometrado de la activadón de los receptores. S. Cada vía sensitiva se proyecta hada una región específica de la corteza cerebral dedicada a un campo perceptivo par. ticular. Así el cerebro puede identificar el origen de cada se. iial entrante.

1

Sentidos somáticos

1 {a) Estímulo

~~ 1: Í\ ,. .5

rr: hL fL E"Q. n 20

E O

]-so

'-,.-'

Duración

{bl Estfmulo más prolongado y más fuerte

_j \ _ _ ' o 5 10

.S ·80

~

0510 Tiempo (s)

1•

~-20

.

~e -60

~-80

o

5

o-----s

10

fN FIGURA 10.9 Las vfas sensitivas cruzan la línea media del cuerpo

~·

0510

E O

V-40

~.·.

337

.....

~·:·: o••o

1

10

la liberación del neurotransmisor varía con el patrón de potenciales de acción que llegan a la term!nación axónlca.

1

1 8 dolor, !a temperatura y el tacto grueso cruzan la !fnea media en la , médula esj:llnal.

Zonagatmo

Sitio de transducción

_______

liil FIGURA 10-7 Codíficaáón sensitiva de la intensidad y la duraáón del estimulo .- rápidamente a un estimulo coostante y Se desactivan: vue~ven aactiVars6

receptoraS da adap~fón lenta qua resporiden-míelltras dur9 un estlmll!O. ¡-

/"--.__,

(~i~)

cuaridO el estfmu!o ~esapar~.

~

,.,RE;#ISIÓN

0~::tffP· ¿~e qué mo~o Jos receptores sens!tivos

'@7

Estimulo

!e informan al

ststema nemoso central sobre la mtenstdad de un estlmulo7

6. ¿Cuál es la importancia ada¡rtativa de tener receptores de irritación tónicos en lugar de fásicos? Respuestas en la p. 374

,,,

Potencial receptor

SENTIDOS SOMÁTICOS Existen cuatro modalidades somatosensitivas: tacto, propiocepdón, temperatura y-nodcepdón, que incluye dolor y prurito. Los detalles de la propiocepdón se ~licarán en el capítulo 13.

Potenciales¡ Axónde--"'"-11

neurona se!'lsltiva

..- . 1

1111 1 1 1 Tiempo - - - ¡ o .

l:l1 FIGURA 1().8 Receptores tónicos y·

Las vías para la percepdón somática proyectan hacía la corteza somatosensitiva y el cerebelo

_deacción

""'neurona

*-" Neurona sensitiva securídaria *-" Neurona terciaria

MÉDULA ESPINAL

{b)los receptoreS fáslcios se ada¡:itan

(al Los recePtOreS tó.ll;fcos son_ .

REFERENCIAS ...!- Neurona sensitiva primaria

1 Tiempo - - - ¡ o . .

~receptores para los sentidos somáticos-se encuentran tan~ to en la piel como en las _vísceras. La activadón de los receptores dispara potenciales de acción en la neurona sensitiva primaria asod¡¡da. En la médula espinal, muchas neuronas .sensitivas prl-

marias hacen sinapsis con intemeuronas que sirven como neuronaS sensitivas secundarias. La localizadón de la sinapsis entre una neurona primaria y una neurona secundaria varia según el tipo de receptor (Fig. 10-9 m). Las neuronas asociadas con receptores para nodcepción, temperatura y tacto grueso hacen sinapsis con sus neuronas secundarlas poco después de entrar en la niédula espinid. Por el contrario, la mayoría de las neuronas de tacto fino, vi~ bradón y propiocepdón tienen axones muy largos que se proyectan hada arriba en la médula espinal en todo su camino hada el bulbo raquídeo (cuadro 10-311). Todas las neuronas sensitivas secundarlas cruzan la línea media del cuerpo en algún punto, de modo que las sensadones que provienen del lado izquierdo del cuerpo son procesadas en el hemisferio derecho del encéfalo y viceversa. Las neuronas secundarlas para nocicepción, temPeratura y tacto grueso cruzan la línea media en la médula espinal y luego asdenden hasta el encéfalo. Las neuronas para tacto finó, vibración y propiocepdón cruzan la línea media en el bulbo raquídeo. En el tálamo, las neuronas sensitivas secundarlas haJ:en sinapsis en neuronas sensitivas terciarias, las cuales a su vez se proyectan hada la región somatosensitiva de la corteza cerebral Ade-

138

SentidoS somáticos

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

339

Meissner

""'"''""" 1 TACTO FINO, PROPlOCEPOÓN, VIBRAOÓN IRRITANTES, TEMPERATURA. TACTO GRUESO

Bulbo raquídeo

Asta dorsal de !a médula espinal

la vla cruza la línea media de! cuerpo .

La vla (r(lza la línea media del tuerpo

la neurona sensitiva securidaria terminá en:

Tálamo

Tálamo

la neurona sensitiva terciaria termina en:

Corteza somatosensitiva

Corteza somatosensitiva

La neurona sensitiva primaria termina en:

más, la inayoría de las vías sensitivas envían ramas hada el cerebelo de modo que se puede utilizar la informadón para coordinar equih1>rio y movimiento. La corteza somatosensitiva (~p. 310) es la parte del cerebro que reconoce dónde se originan los tractos sensitivos ascendentes. Cada tracto sensitivo tiene lUla regióD. correspondiente en la corteza, de modo que todas las vías sensitivas para la mano .izquierda tenninan en un área, todas las vías para el pie izquierdo terminan en otra área, etc. (Fig. 10-10 ªJ. Dentro de la región cortical para una parte corporal particular, las columnas de neuronas corresponden a tipos particulittes de receptores. Por ejemplo, una columna cortical activada por receptores para el frío en la mano izquierda puede encontrarse próxima a una columna activada por los receptores de presión de la piel de la mano izquierda. Esta disposición columnar crea una estructura altamente organizada que mantiene la asociación entre los receptores específicos y la modalidad sensitiva que transmiten. Algunas de las investigactones más interesantes sobre la corteza somatosensitiva se han realizado en pacientes durante la cirugía cerebral pata la epilepsia. Dado- que el tejido cerebral no tiene fibras para el dOlor, este tipo de cirugía se puede realizar con el padente despierto bajo anestesia local. Fl cirujano estimula una región partiallar del cerebro y le pregunta al padente qué siente. La capaddad del pacten te para comunicarse con el drujano durante este proceso ha ampliado notablemente nuestro conociiniento sobre las regiones cerebrales. También se pueden realizar experimentos en otros animales estimulando receptores periféricos y cofitrolando la actividad eléctrica en la corteza. A partir de estos experimentos hemos aprendido que cuanto más sensible es una región del cuerpo al tacto y a otros estímulos, mayor es la región correspondiente en la corteza. Es in te· resante señalar que él tamaño de las regiones no es fijo. Si se utiliza más una parte particular del cuapo, ~región topográfica en la cor· teza aumenta. Por ejemplo,.las personas que tienen discapaddades visuales y aprenden a leer Braille con los pulpejos de los dedos tienen una región mayor en la corteza somatosensitiva específica para ellos. Esta plastiddad ( ~ p. 283) muestra la versatilidad asombrosa del encéfalo.

contacto físico, como estiramiento, presión constante, movi· miento de aleteo o golpeteo, vibradón y textura. Se enatentran tanto en la piel (Fig, 10-11 §)como en las regiones más profun· das del aterpo. Los receptores del tacto asodados con músculos, articuladones u órganos internos se explicárán en los próximos capítulos.

1

Los receptores del tacto responden a muchos estímulos diferentes Los receptores del tacto se encuentran entre los más comunes en el cuerpo. Estos receptores responden a muchas formas de

los nervios sensitivos transmiten seiíales hacia la medula espinal.

mFIGURA 10-11" Receptores del tacto en la piel Los diferentes tipos de receptores del tacto están dispersos en todas las capas superficiales y profundas de la piel. Los receptores del tacto se presentan en muchas formas (cuadro La can!k!ad de espac¡o

en la corteza somatosensltlva dedicada a cada parte del cuerpo es proporelonal a la sensibilidad

01enda, cuya energía es transferida a través de la cápsula de tejido conectivo a la terminadón nerviosa, donde abre los canales iónicos con compuerta mecánica {mp. 139). Los corpúsculos de Padni son receptores fáslcos de adaptadón rápida y esta propiedad les permite responder a Un cambio en el tacto pero luego ignorarlo. Las propiedades de los receptores del tacto re5tar!-tes que se muestran en la figura 10..11-corpúsculos de Meissner, corpúsculos de Ruffini yreceptores de Merkel- se resumen en el cuadro 10-4..

10-4 Bl), Algunos-son terminadones nerviosas libres, como las que · rodean la base de los cabellos; otros son más complejos. Muchos de los receptores del tacto son difíciles de estudiar debido a su pequeño tamaño. Sin embatgo, los corpúsculos de Pacini, que responden a la vibradón, son algunos de los receptores más grandes en el cuerpo y gran parte de lo que sabemos acerca de los receptores somatosensitivos proviene del estudio de estas estructuras. los corpúsculos de Padni están compuestos por tenninadones nerviosas rodeadas por capas de tejido conectivo (véase Fig. 10-lb}. Se encuentran en las capas subcutáneas de la piel yen músculos, ar- · Los receptores de temperatura son terminaciones nerviosas libres ticuladones y órganos internos. Las capas concéntricas de tejido conectivo en los corpúsculos crean campos perceptivos grandes. Los· Los receptoreS de temperatura son terminadones nerviosas licorpúsculos de Pacini responden mejor a vibraciones de alta frebres que. terminan en las capas subcutáneas de la piel. Los recep-

Corte transversal del hemisferio cereb!'al derecho y áreas sensitivas de la corteza cerebral

. Temiiri~dones'liervioSas ag-r'anda~as Lenta-

B FIGURA 10w10 Corteza- somatosensitiva

Se muestra la representación de cada parte del cuerpo adyacente al área de la corteza sensitiva que procesa los estfmulos para esa parte.

Receptores-de Merkél

Capas-sUperlídilles de piel

Teimio~Oonfis nerviosas agi"andadas lenta

1

340

capítulo 1O Fisiología sensitiva

tores de frío son sensibles principalmente a temperaturas lnfeñores a la temperatura corporal. Los receptores de calor son estimulados por temperaturas en el rango que se exti~nde desde la temperatura corporal normal (37 "C) hasta unos 45 "C. Por encima de esa temperatura, se activan los receptores para el dolor, lo que crea una sensación de calor doloroso. El campo perceptivo para un termorreceptor tiene aproximadamente 1 mm de diámetro y los receptores están dispersos en to· do el cuerpo. Existen considerablemente más receptores de frío que de calor. Los receptores de temperatura se adaptan lentamente entre 20 "C y 40 "e: los cambios iniciales informan cambios en la temperatura y una tespuesta sostenida comunica la temperatura ambiente. Fuera del rango de 20-40 "C, donde la probabilidad de dañ.o tisular es mayor, los receptores no se adaptan. Los receptores p~a la temperatura desempeñan un papel importante en la tennorregulactón, lo que se explica en el capítulo 22.

Los nodceptores inidan respuestas protectoras Los nodceptores (nacere, dañar) son receptores que responden a distintos estimulas nocivos intenSos (químicos, mecánicos o tér· micos) que producen daño tisular o tienen el potencial para producirlo. Los nodcept:ores. a veces se denominan receptores de dolor, aunque en realidad el dolor es la sensación percibida más que el estímulo. Las aferencias sensitivas provenientes de los nodceptores inician respuestas protectoras adaptativas, como la acción-refleja de retirar la mano de un horno caliente que se ha tocado accidentalmente. Los nodceptores no están limitados a la piel. Por ejemplo, el malestar por el uso excesivo de músculos y articulaciones ayuda a evitar un daño adicional en estas estructwas. El dolor nociceptivo está mediado por terminaciones nerviosas libres que responden a distintos estímulos químicos, mecánicos y térmicos con la ayuda de los canales iónicos de membrana. Por ejemplo, los canales de membrana denominados receptores vanmoides (también denominados canales de potencial transitorio del receptor V1 o TRPV1) responden al calor de un horno u otra fuente que puede lesionar, y también a la capsaicina, una sustancia química que hace que los pimientos picantes quemen en la boca. En el extremo opuesto del espectro de temperaturas los investigadores identificaron recientemente una proteína de membrana que responde tanto al frio como al mento~ razón por la cual los allÍnentos con sabor a ·menta se sienten fresCos. ta activación de los noci~ ceptores está modulada por sustancias quúnicas locales liberadas en la lesión tisular, como!(+, histamina y próstaglandlnas por par· te de las células, la serotonina libelada por las plaquetas activadas

1

Sentidos somáticos

por el daño tisular y un péptido conocido como.sustanda P secretado por las neuronas sensitivas primarias. Estas sustancias químicas, que también median la respuesta inflamatoria en el sitio _de la lesión, activan a los nociceptores o los sensibilizan al disminuir el umbral de activación. El..aumento de la sensibilidad al dolor en los sitios de daño tisular se denomina dolor inflamatorio. Los nociceptores pueden activar dos vías: 1) respuestas protectoras reflejas integradas a nivel de la médula espinal y 2) vías ascendentes hacia la corteza cerebral que hacen consciente la sensación (dolor o prutito). Las neuronas sensitivas primarias de los nociceptores terminan en el asta dorsal de la médula espinal (véase Fig. 10.9). Allí hacen sinapsis con neuronas sensitivas seamdarias que se proyectan -hada el encéfalo o en intemeuronas para drruitos locales. Las respuestas de irritación integradas en la médula espinal inician reflejos protectores inconscientes rápidos que retiran au· tomáticamente un área estimulada de la fuente del estimulo. Por ejemplo, si usted toca accidentalmente un horno caliente, un reflejo de retirada hará que usted quite su mano incluso antes de que siquiera esté consciente del calor. Éste es un ejemplo de los reflejos espinales explicados en el capítulo 9 (~p. 301). la falta de participación del ceiebro en muchos reflejos protectores ha sido demostrada en la muestra clásica de la arana espinal", en la cual se ha destruido el encéfalo del animal. Si secoloca la pata de la rana en un vaso de precipitación con agua ca· liente o un ácido fuerte, el reflejo de retirada hace que· la pata se contraiga y se aleje del estimulo. La rana es incapaz de sentir dolor porque el encéfalo, que traduce las aferencias sensitivas en percepción, no es funcional.

El dolor y el prurito están mediados por noáceptores Las señales aferentes desde los nociceptores son transportadas al SNC en tres tipos de fibras sensitivas primarias: fibras A~ (A-beta), fibras AA (A-delta) y fibras C (cuadro 10-s !!). Dos sensaciones pueden percr'birse cuando se activan los nociceptores: dolor y píurito. La sensación más frecuente es el dolor, pero Cuando la histamina o algún otro estímulo activa un subtipo de fibr¡~. e, percibimos una sensación que denomin.amos prurito. El prurito só. lo proviene de los nociceptores en la piel y es característico de muchas erupciones y otros trastornos cutáneos. Sin embargo, el prurito también puede ser un sintom~ de algunas enfermedades sistémicas, como es_clerosis múltiple, hiperparatiroidismo y diabetes mellitus. Las vías superiores para el ~tono son tan bien conocidas como las vías para el dolor.

Grai1des, mie!Jnicas .

· 3o-70mfs

M(de~)

PeQueñas, mielfn.Jcas

12·30mfs

e

Pequeñas, amie!fnicas .-·

- 0,5·2mfs

~mulos mecánicos

Frfó, dolor rápido, estimules mecánicos Dolor lento, calor, frlo, estlmulos mecánicos

El dolor es una percepción subjetiva, la interpretación eilcefálica de la información sensitiva transmitida a lo largo de vías que comienzan en los nociceptores. El dolor es muy personal y puede variar con el estado emocional de un individuo. la explicación que sigue está limitada a la experiencia sensitiva del dolor. El dolor rápido, descrito como agudo y localizado, es transmiti· do rápidamente al SNC por,fibras Aó miclínicas pequeftas. El.dolor lento, descrito como más sordo y más difuso, es trahsportado por fi. bras e amielínicas. La distinción y su separación en el tiempo entre los dos es más obvia cuando el estín:iulo se origina lejos del SNC, como al golpearse un dedo del pie contra algo. Primero se experimenta una sensación punzante rápida (dolor rápido), seguida poco después por un dolor pulsátil sordo (dolor lento). Las vías ascendentes para el dolor cruzan la línea media del ruerpo en la médula espinal y ascienden hasta el tálamo y las áreas sensitivas de la corteza. Las vías también envían ramos al sistema límbico y el hipotálamo. En consecuencia,. el dolor puede acompafiarse con. angustia emocional y distintas reacciones autónomas, como náuseas, vómitos o sudoración. Nuestra percepción del dolor está sometida a modulación en varios niveles del sistema nervioso. Puede ser amplificada por las experiencias pasadas o suprimida en las emergencias cuando la supervivencia depende de ignorar la lesión. En la última situación, vías descendentes discurren a través del tálamo e inhiben las neuronas nodceptivas en la médula espinal. la estimulación artificial de estas vías inhibitorlas es una de las técnicas más nuevas que se utilizan para controlar el dolor crónico. El dolor también puede ser suprimido en el asta dorsal de la médula espinal, antes de que los estímulos sean enviados a los · tractos espinales ascendentes. Nonnalmente, las intemeuronas inhibitorias con activación tónica en la médula espinal inhiben las vías ascendentes para el dolor (Fig. 10.12a ilJ. Las fibr;tS e de los nodceptores hacen sinapsls con estas intemeuronas inhibitorias. Cuando son activadas por un estímulo doloroso, las fibras e excitan simultáneamente la vía ascendente y bloquean la inhibición tóníca (Fig. 10-12b). Esta acdón permite que la señal del dolor proveniente de la fibra e discurra sin obstáculos hasta el en- .

341

~ .

.

Vta ascendente para el dolor (b) Con un dolor intenso, !a fibra G detiene la inhibición de la via, lo que pennite que sa envle una señal intensa hacia el encéfalo.

~::::7

~Estimulo-.. doloroso!

FibraC

Estímulo doloroso

Intenso hacia el encéfalo

(e) 8 dolor puede ser modulado por aferencias somatosensitivas simultáneas.

~,\

(estfu;'~i'ono~ doloJ

Esfumb doloroso disminuido

céfalo.

En la teoría del control por compuertas de modulación del_ dolor (Fig. 10..12c), las fibras AP que t:Iansmiten la información sensitiva sobre los estímulos mecánicos ayudan a bloquear la transmisión del dolor. Las fibras A~ hacen sinapsis con las interneuronas inhibitorias y ilumentmt la actividad inhibitoria de la intemeurona. Si estímulos simultáneos alcanzan la neurona inhlbi· toria desde las fibras A~ y e, la respuesta integrada es la inhibición parcial de la vía ascendente para el dolor, de modo que dis~ minuye el dolor percibido por el encéfalo. la teoria de control por compuertas explica por qué frotarse un codo o una pantonilla golpeada disminuye el dolor. el estímulo táctil del frote activa las fibras A~ y ayuda a reducir la sensación dolorosa. El dolor puede percibirse en los músculos esqueléticos (dolor somático profimdo)·y en la piel. El dolor muscular dWante el ejercicio se asocia con el inicio del metabolismo anaerobio. Amenu~ do se percibe como una sensación quemante en el músculo, una sensación aparentemente creada por una sustancia liberada durante el metabolismo anaerobio. Algunos investigadores han sugerid~ que el metabolito es el K+, del cual se sabe que aumenta la

mFIGURA 10.12 Teorfa del control por compuertas de mo· duladón del dolo( En el modelo de control por compuertas, los ertfmulos no dolorosos pueden ·diSminuir la señal de dolor. respuesta al dolor. El dolor mUscular por isquemia (falta de fluj() sanguíneo adecuado que reduce el aporte de oxígeno) también ocurre durante el infarto de miocardio. (ataque cardíaco). El dolor cardíaco y en otros órganos internos (dolor visceraQ a menudo se localiza mal y puede perctb~e en áreas muy alejadas del sitio del estímulo (Fig. 10-13a 61). Por ejemplo, el dolor de la isquemia.miocárdica puede perctbirse en el cuello, en el hombro izquierdo y el brazo. Este dolor referido al parecer ocurre porque múltiples neuronas sensitivas primarias convergen en un único tracto ascendente (Fig. 10·13b). Según este ril.odelo, cuando los estímulos dolorosos se originan en receptores viscerales, el cerebro es incapaz de distinguir las señales viscerales de las señales

1

342

Quimiorrecepdón: olfato y gusto

Capítulo 1O Fisiología sensitiva

{a) 8 dolor en los órganos internos a menudo se detecta sobre la superficie del cuerpo, una sensación conocida como dolor referido.

{b) Una teorla del dolor referido dice que los noc!ceptores provenientes de varias locaJizac!ones conveJ"gen sobre un úntco tracto ascendente en !a médula espinal. Las señales para el dolor desde !a pie! son más frecuentes que el dolor proveniente de !os órganos internos, y el cerebro asocia la aclivación de la vía con el dolor en la piel. Adaptado de H. L Fields,PaiJJ (McGrawHill, 1987}. Piel

(estímulo habitual)

Neurona

hacia la corteza

sensitiva

somatosensitiva del cerebro

aprobada muy tóxica. Para minimizar los efectos sistémicos, debe directamente en el ffquido cefalorraquídeo que rodea a!~ méd!J-: !a espinal. la ziconotida alivia el dolor pero tambiéil pUede" producir alucinaciones y otros sfntomas psiquiátricos, de módo qué es un tratamiento de último recu~o. Otros _agentes·_analSésicCJS obtenidos de fuentes_ biológicas son ia as~iiin~.;.dervaa~ de,la corteza del sauce {9énero. Sa/ix), y' lOs BQ-enteS- opiáCeos cOmó la· . morfina y la _codefn~, ~ue provie~eh_de 1~ _amapol~·- P.3pVer fO_nr: · niferum; Estos agé~tes h~n_ SidO IJtiliza.do_s e~ :Ías'ln!;(lidnas~(t¡-. · dental y china durante siglos; é indtiso ~n:Ia_·a~ua.iidad usted : . puede adquirir corteza de sauce como remediO heiJ?a!.

secundaria

QUIMIORRECEPCIÓN: OlFATO Y GUSTO Los ciru::o sentidos especiales -olfato, gusto, audictón, equilibrio

y visión- están concentrados en la región cefálica. Al igual que los

mFIGURA 1o-13 Dolor refen"do más comunes que se originan en los receptores somáticos. En consecuencia, interpreta el dolor como proveniente de las regiones somáticas más que de las vísceras. El dolor crónico de un tipo u otto afecta a millones de individuos en los EE.UU. cada año. Este tipo de dolor a menudo es mucho mayor de lo que indicaría la activadón de los nodceptores y refleja el daño en el sistema nervioso o cambios prolongados en él. El dolor crónico es un dolor patológico y también se denomina dolar neuropático. Los dentíficos aún no conoom completamente qué produce el dolor neuropático, lo que vuelve difícil su ttatamiento. El alivio del dolpr es de conSiderable interés para los profesionales sanitarios. Los agentes analgésicos (atw.lgesia, sin dolor) varían desde el ácido acetilsalicilico (aspirina) hasta opiáceos potentes como la morfina. La aspirina inlube las prostaglandinas y presumiblemente Iiace más letlta la transmisión de las señ.ales del dolor desde el sitio de la lesión. Los agentes opiáceos-actúan directamente sobre los receptares apWides en el SNC que fonnan parte de un sistema analgésico que responde a moléculas de opiáceos endógenos {~p. 275). Las ence{aiinas y la dirwrfi:na son secretadas por new:onas asodadas con las vías del dolor; y el opiáceo endógenO f!-endaifina- es prodÚddo a partir de la misma prohonnona que la ACfH (adrenocorticottofina) en las células neUroendocrinas del hiPotálamo ( fi! Fig.7-4b). La activadón de los recept
beradón de neurotransmisores desde las neuronas sensitivas prin:rnrtas y a través de la inhibición postsináptica de las. neuronas sensitivas secundarias. Aunque los opiáceos son eficaces para aliviar el dolor, -también son muy adictivos y los dentíficos están explorando estrategias alternativas para el alivio del dolor. En casos de dolor crónico grave, a veces es posible obtener alivio quirúrgico seccionando los nervios aferentes en la raíz dorsal o estimulando las víis inlúbitorias del cerebro. La acupuntura también puede ser eficaz, aunque no está clara la :razón fisiológica de su eficacia. La prindpal teoría sobre cómo funciona la acupuntura propone que las agujas de acupuntura colocadas- de fonna apropiada desencadenan la liberación de endorfinas por el encéfalo. RE
vés de tos siguientes tipos de fibras, desde la más rápida hasta la más lenta: a) fibra mie!!nica de diámetro pequeño; b) fibra mielínka de gran diámetro; e) fibra amielfnica de pequeño diámetro. 9. Su sentido del olfato utiliza receptores fásicos. ¿Qué otros receptores (sentidos) se adaptan a los ertfmulos continuos?

Respuestas en la p. 374

. sentidos somáticos, los sentidos especiales se basan en receptores para transfonnar información del entorno en pattones de poten~ ctales de acctón que pueden ser interpretados por el cerebro. El olfato y el gusto son fonnas de quimimrecepd6n, uno de los sentidos más antiguos desde el punto de vista evolutivo. las bacterias unicelulares utilizan la quimiorrecepción para sensar su medioambiente y los animales primitivos sin sistemas nerviosos fonnales utilizan la quimiorrecepdón para localizar el alimento y las parejas. Se ha postulado la hipótesis de que la quimorrecepdón evoludonó en la. comunicación sináptica química en los animales.

El olfato es uno de los sentidos más antiguos Imagínese despertar una mañana y descubrir que lo rodea un mundo totalmente nuevo, un mundo lleno de olores que usted nunca soñó que existieran, aromas que dicen más ace,rca del entomo de lo que nunca hubiera imaginado con sólo mirarlo. Esto es exactamente lo que le sucedió a un padente joven del doctor Oliver Sacks (relato que puede encontrarse en The Man W1w Mistook His Wife for aHatand OtherClinical Tales.) O imagine que an. da en patineta sin casco por la acera y se cae y golpea la cabeza. Al recuperar la contienda, el mundO ha perdido todos los olores: ningún olor de hietba ni perfume ni basura. Hasta su comida ha perdido gran parte del sabor, y ahora sólo come para sobrevivir porque comet ha perdido su placer. No reconocemos el papel esencial que el sentido del olfato desempeña en nuestras vidas hasta que un resfrío o una lesión nos arrebata la capaddad para oler. El olfato nos permite discriminar entre miles de olores diferentes. Aun así, nuestras. narices no son

343

ni cerca tan sensibles como las de muchos otros animales cuya supervivencia depende de señales olfatorias. El bulbo olfatorio (Fig. 10-141i"ii), la extensión del cerebro anterior que redbe aferendas de las new:onas olfatorias primarias, está mucho más desarrolladQ en los vertebrados cuya supervivenda está más íntimamente ligada a la inspección química de su medioambiente (véase Fig. 9-1). El sistema olfatorio humano consiste en neuronas sensitivas primarias (células olfatorias) que hacen sinapsis con neuronas sensitivas secundarias en el bulbo olfatorio, las cuales entonces procesan lainfonnadón entrante (Fig. 10-14b). Las neuronas secundarias y de orden superior se proyectan desde el bulbo olfatorio pú el primer nervio craneal y hasta la corteza olfatoria. Además, las vías olfatorias conducen a la amígdala y al hipocampo, partes del sistema límbico involucradas en la emoción y la memoria. Esta organizadón parece bastante simple, pero el procesamiento complejo tiene lugar en el bulbo olfatorio antes de que las señales pasen a la corteza. Algunas vías moduladoras descendentes desde la corteza terminan en el bulbo olfatorio y existen conexiones moduladoras reciprocas dentro del bulbo olfatorio y entte sus dos ramos. Un aspecto asombroso del olfato es la relación entte olfato, memoria y emodón. Un perfume especial o el aroma de una comida pueden disparar recuerdos y crear una oleada de nostalgia del tiempo, el lugar o las personas con las cuales se asoda dicho aroma. De alguna forma que no comprendemos, el procesamiento de los olores a través del sistema límbico crea profundas memorias olfatorias. Combinaciones particulares de receptores olfatorios quedan conectadas con otros patrones de experiencia sensitiva de modo que la estimulación de una vía las estimula a todas. Se sabe que en los roedotes una estructura olfatoria accesoria en la cavidad nasal, el órgano vomeronasa!, participa en las respuestas conductuales a las íeromonassexuales ( g¡¡ p. 216). Los estudios anatómicos en seres humanos no han proporcionado pruebas claras a favor o en contra de un órgano vomeronasal fun. donante, pero Jos experimentos con compuestos que se cree actúan como íeromonas sugieren que los seres humanos también se comunican con señales qtúmicas. · Las células olfatorias de los seres humanos están concentradas en un área de 3 cm2 de epitelio olfatorio en la parte superior de la cavidad nasal (Fig. 10-14a). Las células olfatorias son neuronas cuyas prolongaciones se extienden por un lado del cuerpo celular fonnando dendritas sobre la superficie del epitelio olfatorio y por el o~o lado hasta el bulbo olfatorio localizado sobre la cara infe. rior del lóbulo frontal. Las células olfatorias, al contrario de otras neuronas en el cuerpo, son células 'etl división continua, con un tiempo de recambio de alrededor de dos meses (Fig. 10-14c). Esto significa que el axón de cada nueva neurona debe encontrar su camino hasta el bulbo olfatorio y hacer la conexión sináptica co· rrecta. El descubrimiento de cómo se las arreglan estas neuronas para repetir siempre la misma conexión nos enseñará cómo las neuronas en desarrollo encuentran sus puntos diana. La superficie del epitelio olfatorio está compuesta por terminadones a manera de botones de las células olfatorias, y de cada botón surgen múltiples cilios inmóviles (Fig. 10-14c). Los cilios se encuentran en una capa de moco y las ·moléculas odorlferas deben disolverse primeto en el moco y luego penetrarlo antes de poder unirse a la proteína de un receptor odorífero. Cada receptor odorífero es sensible a distintas sustancias.

1 6

344

Quimiorie<:epdón: olfato y gusto

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

111\!!EN Ai'!ATÓI!irCO EL SISTEMA OLFATORIO

{a) El epitelio olfatorio se ubica en lo alto de ra cavidad nasal,

y sus células olfatorias proyectan hacia el bulbo olfatorio.

Bulbo Tracto olfatorio [nervio craneal r.

(b) Las células olfatorlas hacen slnapsiS con nelli0!1as sensitivas secundarias en el bulbo _olfatorio.

1

{e) Las células olfatortas del epitelio olfatoriO viven sólo unos dos meses.

-...J

Neuronas sensitivas

primarias (células o!fatorias)

Són reemplazadas por células nuevas cuyos axones deban encontrar su camino hacia el bulbo olfatorio.

~ lámfna propia~"":-""·-·.\

PREGUNTA ¿De qué principio son ejemplo !as múltiples neuronas primarias en el epitefto que hacen slnaps[s sobre una neurona secundarla en el

bulbo olfatorio?

Capa de moco~ las moléculas odortteras se deben d!solver en esta capa ~.,.-.....---____;

lil FIGURA 10·14

_______

,_"'~·---······

Los receptores odoríferos son proteínas receptoras de mem· brana asociadas a proteina Gy cA..\1P ( ¡¡¡¡¡:p. 183). Los genes de los receptores de sustancias odoriferas forman la familia de genes más grandes conocida en los vertebrados (aproximadamente 1 000 genes, el 3·5% del genoma), pero sólo unas 400 proteínas receptoras odoriferas se expresan en los seres humanos. La com· binación de una molérula odorifera con- su receptor odorifer9 ac· tiva una proteína G especial, Golfl la cual a su vez aumenta el cAMP intracelular. El aumento de la concentración de cAMP abre los canales catiónicos con compuerta de cAMP, lo que despolarl· za la célula y dispara una señal que discune a lo largo del axón de la célula olfatoria hasta el bulbo olfatorio. · ¿Qué ocurre a nivel celular y molecular que nos permite deter· minar entre miles de olores diferentes? La Investigación a,ctual SU· giere que cada célula olfatoria contiene un único tipo de receptor odorífero. Los axones de las células con los mismos receptores con· vergen sobre neuronas secundarias en el bulbo olfatorio, las cuales pueden modificar la información antes de enviarla a la corteza ol· fatoria. El cerebro utiliza la información proveniente de cientos de células olfatorias en diferentes combinaciones para crear la percepción de muchos olores diferentes, al igual que las combinaciones de letras crean diferentes palabras. Fste es otro ejemplo de codificación por poblaCión en el sistema nervioso ( ~p. 334).

345

vertenda de componentes posiblemente tóxicos. Si algo tiene sa· bor amargo, nuestra primera reacción a menudo es escupirlo. Los receptores para el gusto se localizan principalmente en las papilas gustativas agrupadas sobre la superficie de la lengua {fig. 10.15 §¡.Una papila gustativa está compuesta por 50-150 célu· las gustativas, juntamente con células de sostén y células basales regenerativas. Los receptores gustativos también están dispersos en otras regiones de la cavidad oral, como el paladar. Cada célula gustativa es una célula epitelial polarizada no neural ( &1lp. 151) introducida en el epitelio de modo que sólo protruye una pequeña punta en la cavidad oral a través de un po-ro gustativo. En una papila dada, uniones estrechas relacionan los extremos apicales de las células adyacentes entre sí, lo que limita el movimiento de las moléculas entre las células. La membrana apical de una célula gustativa está modificada formando microve· llosidades que aumentan la superficie de contacto con "e1 medioambiente {Fig. 10.15c}. La cara basal de la célula forma tma si· napsis con una neurona sensitiva primaria, Para que una sustancia sea saboreada, debe disolverse primero en la saliva y el moco de la boca. Los ligandos del gusto disueltos interactúan luego con una proteína de la membrana apical sobre una célula gustativa {Fig. 1Q..I5c). Aunque los detalles difieren para las cinco sensaciones del gusto, la interacción de un ligando del gusto con una proteína de membrana inicia una cascada de REVISIÓN transducd.ón de señales que termina con una señal del caldo in· f:~\~·:i-?1o. Cree un mapa odiagrama de la vfa olfatoria desde tracelular, debida al influjo de eaz.. desde el líquido extracelular o • una célula o!fatoria hasta la corteza o!fatoria. la liberación de eaz.. desde los depósitos intracelulares. El canal 11. Cree un mapa o diagrama que comience con una model eaz.. dispara exodtosis del neurotransmisOr ( ~p. 150) en la lécula del medioambiente que se une a su receptor sinapsis e inicia una serie de potenciales de acción en la neurona odorífero en la nariz y culmine con la liberadón del sensitiva primaria. neurotransmisor en la neurona olfatoria primaria. Los mecanismos de transducción del gusto constituyen un 12. ¿Qué parte de una célula o!fatoria es la dendrita? buen ejemplo del modo en que nuestros modelos de función fi. 13. ¿Las neuronas olfatorias son seudounipolares, bipolasiológica deben ser revisados periódicamente a medida que se pu· res o multipolares? {Sugerencia: véase Fig. 8-3.} blican los datos de nuevas Investigaciones. Durante muchos años el concept9 de la transducdón del gusto. más difundido fue que Respuestas en !a p. 374 tma célula gustativa individual podía sensar más de un gusto y las células diferían en sus sensibilidades. Sin embargo, una investiga· El gusto es una combinación de cinco sensaciones ción publicada recientemente que utilizó biologia molecular y ra· básicas tones con genes desactivados ( ~i!"p. 268) sugiere que cada célula Nuestro sentido del gusto está estrechamente lígado al olfato. · gustativa sólo es sensible a un gusto. En efecto, gran parte de lo que llamamos gusto del alimento es en Los detalles de la transducdón de señales de la célula gustati· realidad el aroma, como lo sabrá si aigtma vez estuvo muy resfria. va, que en otro momento parecían ser bastante claros, son más do. Aunque el olfato tiene cientos de tipos de .receptores, el gusto complejos de lo que los científicos creyeron inicialmente (Fig.1Q.. es sólo tma combinación de cinco sensaciones: dulce, áqdo, sala16 a). Los llgandos para los sabores amargo, dulce y umami se do, amargo y umam.i, un gusto asociado con el aminoácido glutaunen a diferentes receptores asociados a proteína G, que incluyen mato y algunos nudeósidos. El umami, nombre derivado de la pa· altededor de 30' variantes de receptores para amargo. La transduc· labra japonesa para "delicia", es un gusto básico que aumenta el sa· dónde los gustos amargo y dulce (y tal vez de umami) involucra bor de los alimentos. Es la razón de por qué el ghrtamato monosóa una proteína G especial llamada gustducina. Las proteínas redico se utiliza como aditiVO de los alimentos en algunos países. ceptoras parecen estar implicadas en varias vías de transducdón Es interesante sefialar que, aunque"sólo tenemos una cantidad de señales. Algunas liberan eaz.. de los depósitos intracelulares, limitada de sensaciones de gusto, cada tma se asocia con una fun. mientras que otras abren los canales catióÍúcos y permiten que el ctón corporal esencial. El gusto ácido es disparado por la presencia caz.. entre en la célula. En rualquier caso, el paso final en todas de H+ y el salado por la presencia de Nat, dos !2.1!\!S ruyas.concenlas vías es una señal de caz.. que produce la exodtosis del neuro. tractones en los líquidos corporales están cuidadosamente regula· transmisor, al igual que en tma terminación axónica. das. Las otras tres sensaciones del gusto son el resultado de molé-I.a transducctón de Jos gustos salado y ácido está mediada por culas orgánicas. El dulce y el umami se asocian con alimentos nucanales iónicos más_ que por receptores asociados a proteína G. tritivo~. El gusto amargo es reconocido por el ruerpo- ~mo una ad· Los canales permiten la entrada de Na+ oH+ y la despolarizaCión

1 8

346

El oído: la audición

Capítulo 10 Fisiología sensitiva {el Los ligandos gustativos se unen a receptores y crean señales de que liberan neurotransmisores en neuronas sensitivas primarias.

(a) Las papilas gustativas se localiZan sobre la superficie dorsal de !a lengua Los receptores umami (no se muestran} están en la faringe.

ca2+

Gana! o receptor de membrana

i'mrugo

Dulce

o¡ w¡

347

Umeml

o ¡ .-~"--

Receptores

--

Los ffgandos activan a la célula gustativa

asoci:IDosa

protelnaG

Se activan múltiples vlas intracelulares,

'

La seiíal de caZ+ en el

c!l:óp!asma dispara la exocitosls. Neurooa sensitiva primaria

1 Se !ibera~~~~o;~miSOT, y la neurona sensitiva primaria

d"P= (b)·Microgralia óptica de una papila gustativa Gada papffa gustativa está compuesta por células gustativas y células. de sostén, unidas cerca de la superficie aplcal por uniones estrechas.

de la célula gustativa. El ligando Hr para el ácido también se une a los canales de K+ y los cierra, lo que despolañza la célula. La despolarización abre un canal de Ca2+ regulado por voltaje y crea una señal de Ca2+ como se describió antes. Los neurottansrnisores dé las Células gustativas activan neuronas sensitivas primañas cuyos axones discurren a través de los nervios craneales VII, IX- y X hasta el-bulbo raquídeo, donde hacen sinapsis. La informadón sensitiva atraviesa luego el tálamo hasta la corteza gustativa (véase Fig. 10-4). El procesamiento central de la información sensitiva compara las aferencias provenientes de múltiples células gustativas e interpreta la sensadón gustativa sobre la base de las pobladones de neuronas que responden de forma más intensa. Un aspecto fisiológico interesante del gusto es el fenómeno denominado hambre específica. Los seres humanos y otros ani· males que carecen de un nutriente particular pueden adquirir ansias por esa sustancia. El apetito por la sal, que representa la fal-

'

ffil FIGURA 10-15 Papilas gustativas

ta de sodio en el cuerpo, se conoce desde hace años. Los cazadores han utilizado el conocimiento de esta hambre especifica para clavar las estacas con cebos salados porque saben que los animales los buscarán. El apetito por la sal está directamente reladonado con la concentración de.Na+ en el cUerpo y no puede ser aplacado por la Ingestión de otros cationes, como Ca'l+ o K+. Es más difícil relaCionar otros apetitos, como el deseo de chocolate, con necesidades de nutrientes específicos y pro~ablemente reflejan mezclas complejas de influenCias físicas, psicológicas, ambienta· les y culturales. ,-:,;R_ E~J>'I S 1 Ó N (i~,f 14. ¿Con qué nutriente esencial se asocia la sensación del , gusto umami? . 15. Realice un mapa o diagrama de la vía neura1 desde

una célula gustativa hasta fa corteza gustativa. Respuestas en !a p. 374

Se env!an potenciales de acción a! encéfalo.

111 FIGURA 1tl-16 Resumen de la transduccián del gusto

Los Jigandos amargo, dulce y umami se unen a receptores de membrana asociados a la protefna G. Los ligandos iónicos para el gusto salado y ácido entran a través de canales iónicos. Cada ~élula del gusto sensa sólo un tipo de ligando, no los cinco como se muestra en esta figura.

EL OiDO: LA AUDICIÓN

es otro ejemplo de una estructura accesoria importantt! de un sistema sensitivo, y varía en forma y localización de una especie a

El oído es un órgano de los sentidOs que se especializa en dos funciones distintas: audidón y equilibriO. Puede dividirse en las secciones externa, media e interna, y los elementos neurológicos están alojados en el oído interno y protegidos por sus estructuras. El complejo veshbular del oído interno es el sensor primario para el equilibriO. El resto del oído se utiliza para la audldón. El oído externo está constituido por la oreja o pabellón auricular y~ conducto auditivo {Fig. 10-17 m). El pabe~ón auricular

otra, dependiendo de las necesidades de supervivencia de los animales. El conducto auditivo está cerrado· en su extremo interno por una delgada lámina membranosa de tejido denominada membrana timpánica o tfrtÍpano. La membrana timpánica separa el oído externo del oído me· dio, una cavidad llena de aire que conecta con la faringe a través de la trompa de Eustaquio. La trompa de Eustaquio normalmente está colapsada, y cierra el oído interno, pero se abre

1

348

Capítulo lO Fisiología sensitiva

1 1

UMEM

El oído: la audición · (a) las ondas sonoras son ondas da presión con plcos da aire más comprimido qua se altemim con valles donde las moléculas están más separadas.

ANATÓMICO E!.OiDO 1 O[OO MEDIO 1

¡oroo!NrniNol

349

(b) las ondas sonoras se distinguen por su amplitud, medida en de~:lbales {dB) y su frecuencia, medida en hertz (Hz}.

(1)

8 pabellón auricular dirige

La ventana oval y !a ventana redonda separan e! o!do interno lleno da líquido del oído medio lleno de aire.

!as ondas

Intensidad (dB)

Ventana oval

Diapasón

Tiempo (s)

0,25

{2)

PREGUNTAS Laberinto

o ¿Cuáles son las frecuencias da las ondas sonoras en Jos gráficos (1) y (2) en Hz (ondas/segundo)? o ¿Qué conjunto de ondas sonoras se interpretaría que tienen un tono Inferior?

Intensidad (dB)

mi FIGURA 10.18 Ondas sonoras

.

----~,---

il FIGURA 10-17

transitoriamente para permitir que la presión del oído medio se · equilibre con la presión atmosférica durante la masticación, la deglución y el bostezo. Los resfrios u otras infecciones que producen edema pueden bloquear la trompa de Eustaquio y conducir a la acumulación de líquido en el oído medio. Si las bacterias quedan atrapadas en el liquido del oído medio, se produce una infección del oído conocida coffio otitis media (oro-, oído; -itis, Inflamación; media, medio). Tres huesos pequeños del oído medio conducen el sonido des. de el medio ambiente externo hasta el oído Interno: el martillo, el yunque y" el estribo. Los tres huesecillos están conectados entre sí con equivalentes biológicos de bisagras. Un extremo del martillo está fijado a la membrana timpánica y el extremo con forma de estribo está unido a Una delgada membrana que separ~ el oído medio del oído interno. El oído interno está constituido por dos estructuras sensitivas prindpales. El aparato vestibular con sus conductos semicimdares es el transductor sensitivo para nuestro sentido del equilibrio. Se describirá en la sección siguiente. la cóclea del oído interno contieile

receptores sensitivos para la audición. Sobre la cata externa de la códea hay un tubo membranoso que yace enrollado como la concha de un caracol dentro de una cavidad ósea llamada laberinto. Dos discos membranosos, la ventana oval (a la cual se une el estri· bo) y la ventana redonda, sepaxan la cóclea llena de líquido del oído medio lleno de aire. Ramos del nervib craneal VIII, el nervio vestibulocodear, conducen desde el oído interno hasta el cerebro.

La audición es nuestra percepdón del sonido • La audición es nuestra percepción de la energía transportada por ondas sonaras, las cuales son ondas de presión del medio, con picos en los que el aire está más compñmido y valles en los cuales las moléculas de aire están más separadas (Fig. 10-18a m). La pregunta clásica sobre la audición es: "Si un árbol cae en el bosque sin que nadie lo oiga, ¿hace ruido?". La respuesta fisiológica es no. El árbol que cae emite ondas sonoras, pero no existe nin· gún ruido a menos que alguien o algo esté presente como para procesar y percibir la energía sonora como sonido.

Stmido es nuestra interpretación de la frecuenda, la amplitud · y la duración de las ondas sonoras que alcanzan nuestros oídos. Nuestros cerebros traducen la frecuencia de las ondas sonoras (la cantidad de picos de ondas que pasan un punto dado cada segundo) en el tono de un-sonido. Las ondas de baja frecuencia se per· ciben como sonidos de tono bajo, como el rumor de un trueno distante. Las ondas de alta freruencia crean sonidos de tono alto, como el chirrido de las uñas rasguftando la pizarra. La frecuencia de las ondas sonoras (Fig. 10-~Sb} se mi~e en· ondas por segundo o hertz (Hz). Fl oído humano promedio puede oír sonidos en el rango de frecuencias de Z0-20 000 Hz, y la au·· dición más fina se encuentra entre 1 000-3 000 Hz. Nuestra audición no es tan aguda como la de muchos otros animales, de la misma fonna que nuestro sentido del olfato es menos fino. Los murciélagos oyen ondas sonoras de freruencia ultraalta (del or· den de kilohertz) que rebotan contra los objetos en la oscuridad. Los elefantes y algunas aves pueden oír sonidos en el rango de los Infrasonidos (muy baja frecuencia). la volumen es nuestra interpretación de la intensidad del sonido y está influído por la sensibilidad del oídÓ de cada individuo. El volumen de una onda sonora-es una fundón de la ampli· tud de la onda {Fig. 10..18b). La intensidad se mide en una escala logañtmlca en unidades denominadas decibeles (dB). Cada aumento de 10 dB representa un incremento de 10 veces el vblu· men del nivel antetiot La conversación nonnal tiene un nivel de roído típico de unos 60 dB. Los sonidos de 80 dB o más pueden dañar los receptores auditivos sensibles del oído y conducen a la pérdida de la audición. Un concierto típico de rock "heavy metal" tiene¡ niveles de ruido de alrededor de los 120.~; un volumen

I

AmpiOUd [dB)

O. - - - -

Tiempo (s)

0,25 --==--

que implica para los oyentes un peligro de daño auditivo. El grado de daño depende de la duración y de la freruenda del ruido asf como de su intensidad.

"

5,R~~:.VISIÓN ~'ff4~'Jl6. ¿Qué es un kilohertz? %':;;}

Respuesta en la p.375.

La transducdón de sonidos es un proceso

de múltiples pasos La audición es un sentido complejo que implica cuatro tJ:ans. ducdones distintas. La energía proveniente de las ondas sonoras en el aire primero se convierte en vibraciones mecánicas, luego en ondas líquidas, luego en seftales químicas y finalmente en potenciales de aédón. Esta sección resume el proceso. Luego se verá en detalle la transducéión de seftales en la cóclea. Los cuatro .pasos de transducctón y transmisión del sonido a través del oído se muestran enltt figura 10.191111. las ondas sonoras que golpean- el oído externo son dirigidas por el conducto auditivo hasta que golpean la membrana timpánica y son convertidas en vibraciones de-la membrana {primera ttansducción). Estas vibraciones son transferidas al martillo, el yunqqe y el estribo, en ese orden. La disposición de los tres huesos conectados del oído interno crea una "palanca" que multiplica la fuerza de la vibiacióil (amplificacwn) de modo que se pierde muy poca energía sonora debido a la fricción. Si los niveles de ruido son tan altos. como para que exista peligro de daño del oído interno, los pequefios músculos del oído ~edio pueden tensar los huesecillos y d.is~uir su movimiento, obstaculizando así en cierto grado la transmisión del sonido.

1

JSO

Capítulo 1O Fisiología sellSitiva

1~

?limera transduc· ción: las ondas sonoras golpean !a

El oído: la audición

@la ooergía de !as

membrnna timpánica y se conviertoo en vibraciones.

-ondas sonoras es •:transferida a los tres huesos del ofdo medio, que vibran.

351

@Segunda transducc!ón: el estribo está unido a la membrana de la ventana ova!. las vibradones de la ventana oval crean ondas de lfqutdo dentro de la cóclea

Ai\!ATÓilliiCO LA CÓCLEA Ventana

Sáculo

redonda

Conducto vestibular

timpánico

Conducto

basilar

vestibular (perifinfa) Conducto coclear (oodolinfa) Conducto· timpánico (penlinfa)

1

Conducto vestibular

M"'""" timpánica Tercera transduro'ón: las ondas de l(quldo empujan sobre las membranas flexibles del conducto coclear. Las células dlladas se l!'ldinan y liberan neurotrar.smisor.

[¡11

1

Pared coclear ósea

®.)

Cuarta transducc!6n: la liberación de neurotransmisor en !as neuronas sensil:lvas crea potenc!a!es de acción que disturren atravás del nervio coclear hasta el cerebro,

@ la energía de las ondas

Conducto coclear

se transfiere a través del coodueto coclear al conducto timpánico y es d!slpada nuevamente en el oklo medio poría've~Jtana

"""""-

FIGURA 10·19 Transmisión del sonido a través del ofdo

coclear

Cuando el estribo vibra, tira y empuja del delgado tejido de la ventana oval, a la que está unido. .Las vibraciones en la ventana oval crean ondas en "los conductos llenos de líquido de la cóclea (segunda transducctón), pero como el agua no es compresible, la energía de laS ondas se disipa en el aire del oído medio a través de la ventana redonda. A medida que las ondas se_mu~ven a través de la cóclea, em· pujan sobre las membranas flexibles del conducto codear y doblan las céluias ciliadas sensitivas del interior del conducto. Este mo\jmiento hace que las células cillildas liberen neurotransmisor en las neuronas sensitivas. primarias (la señal química, tercera transducdón).:El neurotransi:nisor que se une a las neuronas sensitivas inicia potenciales de acción (cuarta transducctón) que en· vían infom1adón codificada sobre el sonido a través del nervio ca. dear hada el nervio craneal vrrl y el cerebro.

La cóclea está llena de líquido La traducción de la-energía sonora en potendales de acción tiene lugar en la cóclea en el oido interno. La cóclea desenrollada

está compuesta por tres canales pa!alelos llenos de liquido: 1) el ·conducto vestibular, o rampa vestibUlar, 2) el. conducto coclear central o rampa media y 3) el conducto timpánico o rampa tim· pánic:a (tympanon, bOmbo) (Fig. 10.20 0). I.os conductos vestibu· lar y timpánico se continúan entre sí y conectan en la punta de la cóclea a través de un pequeño orificio conocido como el heli· cotrema (helU, espiral; trema, agujeró). ErConducto codear es un tubo de extremo cerra~o pero se conecta. con el aparato vestibular a través de un orificio pequeño. El líquido en los conductos vestibular y timpánico es similar en composición iónica al plasma y se conoce como perillnfa. El conducto coclear está lleno de la end~linfa secreta~ por las células epiteliales del conducto. La endofinfa es un líquido atípico porque es más similar al liquido intracelular que ar·extracelular en composición, con altas concentraciones de K+y bajas concentraciones de Na+, FJ conducto coclear coiitlene el órgano de Corti, compuesto por los receptores de las células ciliadas y células de soStén. El órgano de Corti se ubica sobre la membrana basilar y está cubier· to parcialmente por la membrana tectoria, tejidos flexibles. que

8 movimiento da ra membrana tectoria mueve !os cilios sobre ras células ciliadas.

transmite potenciales da axión desda !as cé!u!as cUiadas hasta la corteza auditiva.

.... --~

/ / 'Onda ~e ~qulda.,

Conducto

coclear·

Rbras neN!osas

~ del nervio coclear 11! FIGURA 10.20

El oído: fa audición

352

Ca¡iltulo 10 Fisio!ogfa sensitiva {b) Excitación: cuando las células ciliadas (e} !nh!blcitin: si las células cíliadas _ se Inclinan en la dirección opuesta. se inclinan en.una dirección, !a célula los canales lónlcoS están abiertos y los canales iónicos se cierran, !a· se despolariza, lo que aumenta la la neurona sens!tlva envía una señal célula se hiperpo!ariza y disminuye frecuencia de poteru::i.ales de acción en el señalamiento de las neuronas sensitivas. tónica. la neurona sensitiva asociada.

{a} En reposo: alrededor del1 O% de

proteico

Canales cerradOS. Menos entrada de iones@ hlperpolariza ala célula.

EstereocíliO

-

sensitiva

Los sonidos son procesa~os primero en la cóclea

Oi Potencial de membrana de la célula ·cmada

mV

..so,

nicos en la membrana de los cilios. Cuan~o las células ciliadas y los cilios están en posición neutral, alrededor del .lO% de los canales iónicos se abren y existe un nivel bajo de neurotransmisor tónico liberado en la neurona sensitiva primluia. Cuando las ondas deflexionan la membrana tectoria de modo que los cilios se inclinan hada los miembros más altos de 1.U1 haz, los puentes saltan y abren más canales, de modo que los cationes entran en la célula, la cual eiitonces se despolariza (Fig. 10.2lb)._Los canales del Ca2+ regulados por voltaje se abren, ~umenta la liberadón del neurotransmisor y la neurona sensitiva. aumenta sufre.. cuenda de descarga. Cuando la membrana tectorla empuja los cilios lejos de los miembros más altos, los puentes.con resorte se relajan y todos los canales iónicos se cierran. El influjo de cationes se hace más lento, la membrana se biperpolariza, se libera menos transmi· sor y disminuye el disparo de la neurona ~tiva (Fig.lÓ..2lc). El patrón de vibradón de las ondas que alcanzan el oído inter· no es transduddo así en un patrón de potenciales de acción que se dirigen al SNC. Como las vibradones de la membrana tectoria reflejan la frecuencia de la onda sonora entrante, las células cilia· das y las neuronas sensitivas deben sez capaces de .responder- a los sonidos de casi 20 000 ondas por segundo, la máxima frecuencia audible por el oído humano.

l•l

J

1

~

(b)

Cesación del estímulo La fue~ excitatoria abre

los· canales iónicos

~

Cesación del estimulo

tuá

La inhibi!oria cien'a t:. lOS canales iónicos

Los potenciales de acción en la neurona sensitiva primaria

lill FIGURA 10.21 Transducdón de señales en las células anadas Los estereod!ios de las células ciliadas tienen upuertas trampa" que bloquean los canales Jónicos. Su abert9ra está controlada por

puentes proteicos como ~resortes" que conectan cilios adyacentes. se mueven en respuesta a las ondas que atraviesan el conducto vestibular (Fig. 10..20), A medida que las ondas atraviesan_ la cóclea, desplazan las membranas. basilar y tectoria y crean oscilaciones que suben y bajan e Inclinan 1~ células dliadas. Las células ciliadas, al tgual. que las células gustativas, son células recepto!
mover) e~ fijado a la membrana tectorla suprayacente. Si la membrana tectoria se mueve, los ctnóctllos fijadoS a ella también lo hacen. F.ste movimiento se transmite a los estereocilios de la célula ciliada. Cuando las células ciliadas se .mueven en respuesta a las ondas sonoras, sus estereocllios· se flexionan, primero para un lado, luego hacia el otro. Los estet:eodllos están unidos entre sí por puentes proteicos. Estos puentes actúan como pequeños .resortes y están conectados a "puertas trampan qUe abren y cierran canales ió-

El sistema auditivo procesa las ondas sonoras de modo que puedan discriminarse su localizadón, tono y volumen. la localización del sonido es un proceso complej"o que requiere aferendas sensitivas desde ambos oídos yuna evaluación sofisticada por parte del en. céfalo (véase Fig. lO.S}. Por el contrario, el procesamiento inicial para tono y volumen tiene Jugar en la cóclea de cada oído. La codificación del sonido para el tono es primariamente una función de la membrana basilar. Esta membrana es rígida y estrecha cerca de su inserción entre las ventanas redonda y oval, pero se ensancha y se vuelve más flexible cerca de su extremo distal (Fig.10.22a liil). Las ondas de alta frecuencia que entran en el conducto vestibular crean un desplazamiento máximo de la porción de la membrana basilar próxima a la ventana oval y, en consecuencia, no son transmitidas muy lejos a lo la¡go de la cóclea~ _Las ondas de baja frecuencia discurren a lo largo de la longitud dr! la . membrana basilar y crean su desplazamiento máximo cerq del extremo distal flexible. Esta respuesta diferencial a la frecuencia transforma el aspecto temporal de la frecuencia (cantidad de on· das sonoras por segundo) en codificación espada} por localización a lo largo de la membrana basilar (Fig, 10..22b). La-codificación espacial se consezya en la corteza auditiVa porque las neuronas se proyectan desde las células ciliadas a lo largo de la mem· brana basilar hasta las regiones correspondientes del cerebto. El oído codifica el volumen del mismo modo que los receptores somáticos codifican la intensidad de la señal. Cuanto más fuerte es el sonido, más rápidamente se disparan los potenciales de acción en la neurona sensitiva.

Las vías auditivas se proyectan hacia la corteza auditiva Una vez que la cóclea transforma las ondas sonoras en señales eléctri_cas, las neuronas sensttivas primarias transfieren esta .infor~

353

{a) La membrana basilar tiene una sensibilidad variable a la frecuencia de ondas sonoras a lo largo de su longitud.

Baja frecuencia AA• "."' ...uencia•. (tono alto~

. .. , .~."".o bajo) -MElií"d:ii"
.·. ,-· -- ~

~'""'"'~

7

) Región ñgida cerca de la ventana redonda

Región flexible cerca del hel!cotrema (extremo distal)

(b) la frecuencia de las ondas sonoms detemuna e! desplazamiento de la membrana basilar. la localización de las células ciliadas activas crea un código que el cerebro traduce como información ~erca del tnno del sonido.

il~ ~oo

10

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o

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30

-Distancia desde la ventana oval (mm) _,.

oval

basilar

li1l FIGURA 10·22 Codificación sensitiva del tono

madón ai cerebro. El nervio codear se vuelve parte del nervio era· neal VIll y sus neuronas se proyectan hada los núcleos en el bulbo raquídeo. En ese punto, el sonido proveniente de cada oído es proyectado tanto a los núcleos hamolaterales (del mismo lado) comoa los cantrolaterales (del Jado opuesto). En consecuencia, cada lado del cerebro obtiene infonnadón de ambos oídos. Los tractos ascendentes desde el bulbo raquídeo se dividen y dirigen en tres dire<:ctones. La vía principal hace sinapsiS en los núcleos del mesencéfalo y el tálamo antes de proyectarse hada la corteza auditiva (véase Fig. 104}. Las vías colaterales llevan la información hada Ja formación reticular y el cerebelo. La localizadón de una fuente sonora es una tarea integradora que requiere aferencias simultáneas de ambos oídos. Amenos que el sonido provenga directamente del frente de la persona, no al·

1

354

El oído: el equilibrio

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

Una técnica utilizada para tratar !a hipoacusia-neuroSensorial 'es e! implante codear. la generación más nueVa de 1mplantéS Ca. deares tiene tres COmponerites: un procesador cOmputariz
canzará a ambos oídos al mismo tiempO (véase Flg. 10-5). El cere. bro regiStra el diferencial de tiempo para la llegada del sonido a los oídos y realiza cálculos complejos para crear una representación tridimensiOnal de la fuente sonora.

La hipoacusia puede ser el resultado de·daño mecánico o neural Existen tres formas de hipoacusia: de conducción, central y neurosensorial. En la hipaacusia de conducción, el sonido no puede ser transmitido a través del oído externo o el oído medio. Las causas de hipoacusia de conducción varían desde un conducto auditivo tapado con cera (cerumen) o liquido en el oi· do medio por una infección, hasta enfermedades o traumatis· moque impiden la vibradón del martillo, el yunque o el estri· bo. La corrección de la hipoacusia de conducción incluye téc· · nicas microquirúrgicas en las cuales los huesos del oido ·medio pueden ser reconstruidos. La hipaacusia central es el resultado del daf'io de las vías neu· rales entre el oído y la corteza cerebral o del daf'io de la corteza propiamente dicha, como podría ocurrir por un accidente cere. brovascular. Esta forma de hipoacusia es relativamente infre· cuente. La hipaacusia neurosetJSarial surge del daf'io de las estructuras del oído Interno, que incluyen la muerte de las células ciliadas como resuitá.do de los ruidos fuertes. La pérdida de células ciliadas en los mamíferos es por hoy irreversible. Sin embargo, las aves y los vertebrados inferiores son capaces de regenerar las células ciliadas para reemplazar.Ias que mueren. Este descubrí· miento ha llevado a que los investigadores exploren estrategias para reproducir el proceso en los mamíferos, que incluyen el trasplante de células troncales neurales y la terapia.génica para inducir a células no sensoriales a diferenciarse en células ciliadas.

Un tratamiento que reemplace a las células ciliadas sería un avance importante porque la inctdenda de hipoacusiil. en las per. sanas más jóvenes está aumentando debido a la exposición prolongada a música de rock y ruidos ambientales. El90% de la pérdida auditiva en los ancianos -denominada presbiacusia (presbys, hOmbre viejo; akoustikos, capaz de ser oído) es neurosensorial. En la actualidad, el tratamiento primario de la hipoacusia neurosensorial es el empleo de audífonos, pero se han obtenido resultados asombrosos con implantes cocleares fijados a microordenadores (véase recuadro Biotemología). Es probable que la audición sea nuestro sentido sedal más im· portante. Las tasas de suicidio son mayores entre las personas sordas que entre los que han perdido la vista. Más que cualquier otro sentido, la audición nos conecta con otros individuos y con el mundo que nos rodea. REVISIÓN Realice un mapa o diagrama de !as vfas seguidas por una onda sonora que entra en el ofdo, comenzando desde el aire en el oído externo y terminando en la corteza auditiva. 18. ¿Por qué !a informadón somatosensitiva se proyecta sólo a un hemisferio del cerebro pero la información auditiva se proyecta a ambos hemisferios? {Sugeren· da: véanse Figs. 10.5 y 10.9.)

;~·;.; fÚ.

19. ¿Un implante codear ayudaría a un individuo quepa·

dece sordera nerviosa? ¿Hipoac.usia de conducción? Respuestas en la p. 375

El OÍDO: El EQUILIBRIO Equilibrio es el estado de estabilidad, ya sea que la palabra se utilice para describir las concentraciones ióÍl.icas en los liquides corporales o la posición del cuerpo en el espacio. En la ubicación

del cuerpo, la informadón sensitiva proveniente del oído interno y de los propioceptores articulares y musculares le indica a nuestro encéfalo la localizadón de diferentes partes del cuerpo en relación unas con otras y con el entorno. I.a información visual también desempeña un papel importante en el equilibrio, como usted sabe si alguna vez ha ido a alguno de los teatros con pelicu· las de 360" donde la escena se inclina súbitamente hada un lado y la audiencia se indina con ella. Nuestro sentido del equilibrio está mediado por las células d· liadas que revisten el aparato vestibular lleno de líquido y los con. duetos semicirculares del oído interno. Estos receptores nO neura· les responden a los cambios en la aceleración rotacional, vertical y horizontal. Las células ciliadas funcionan igual que las de la cóclea, pero son, en lugar de las on,das sonoras, la gravedad y la aceleractón las que proporcionan la fuerza para mover los estereocilios.

El aparato vestibular está lleno de endolinfa El aparato vestibular está constituido por dos órganos otolí· ticos saculares -el utriculo y el sáculo- junto con tres conductos semicirculares (F'_rg. 10-23a m). Los conductos semidrculares se conectan con el utrículo en sus bases. Ellos están orientados en ángulos rectos entre sí, como tres planos que llegan juntos para formar la esquina de una caja (Fig. 10..23b). En un extremo de cada conducto hay una cámara agrandada, la ampolla, que contiene un recqJtor sensitivo conocido como cresta. la cresta consiste en una masa gelatinosa, la cúpula (ba· rrilito pequeño), que se extiende desde el piso hasta el techo de la . ampolla, cerrándola (Fig. 10-23c). Introducidos en la cúpula están los cilios de las células dliadas. Las membranas basales de las células ciliadas hacen sinapsis con las neuronas sensitivas del nervio vestibular (rama del nervio craneal Vlll). Los receptores sensitivos del utrículo y del sáculo, las mácu. las, son diferentes de los de las crestas (Fig. 10..23d). Cada mácu. la consiste en una masa gelatinosa conocida como la membrana otolitica en la cual se incluyen partículas minerales y proteicas llamadas otolitos (oto, oído; lithos, piedra). Los otolitos se forman cuando los cristales de carbonato de caldo precipitan y se ~en a las proteínas de la matriz. Por debajo de la membrana otolítica · existen células ciliadas cuyos cilios están fijados a la membrana. El aparato vestibular, al igual que el conducto coclear, está lleno de endolinfa secretada por células epiteliales. Al igual que ellí· quido cefalorraquídeo, la endolinfa es secretada continuamente y drena desde el oído interno en el seno venoso de la dUramadre. Si la producción de endolinfa excede la velocidad de avenamiento, la acumulación de líquido en el oído interno puede producir la en{ennedad de Méniere. Este trastorno se caracteriza por episodios de mareos y náuseas, aparentemente como consecuenda de los cambios en la presión de liquido dentro del aparato vestlbu· lar. También puede producir pérdida auditiva si se dañ.a el órgano de Corti en el conducto coclear.

El aparato vestibular proporciona información sobre movimiento y posición en el espado El sentido especial del equilibrio tiene dos componentes: un dinámico que registra nuestros movimientos a tra-

comp~nente

355

vés del espacio y un componente estático que registra si nuestra cabeza se desplaza de su posición erecta normal. Los tres conduc. tos semicirculares sensan la aceleraci6n rotacional en distintas direcciones. Los órganos otolíticos registran la acelerad6n lineal Yla posición cefálica. Las células ciliadas, tanto de los conductos semicirCulares ca.. mo de los órganos otolíticos, funcionan exactamente igual que las células ciliadas del órgano de Corti. Cuando los cilios se incli· nan en una dirección, se despolarizan y cuando se inclinan en la dirección opuesta, se hiperpolarizan (véase Fig. 10·21). Las eélu· las ciliadas vestibulares, al igual que las células ciliadas codeares, tienen un dnocllio localizado a un lado del haz ciliar. El dnoci· lio crea un punto de referencia para la dirección de la inclinación.

Los conductos semiárculares sensan la aceleración rotacional ¿Cómo. se sensa la rotación? A medida que la cabeza gira, el cráneo óSeo y las paredes membranosas de! laberinto se mueven, pero el líquido dentro del laberinto tiende a permanecer en su sitio debido a la inerda. En las ampollas del aparato vestibular, la resistencia de la endolinfa ínclina la cúpula y sus células ciliadas en dirección opuesta a la dirección en la cual está girando la cabeza. · Como analogía, piense en pasar un pincel Qa Cúpula unida a la pared de un conducto semidrcular) con pintura húmeda espesa Oa endolinfa) sobre una tabla. Si usted pasa el pincel hada la derecha, la resistenda de la pintura sobre las cerdas las indinan hada la lZquierda (Fl.g. 10-24 SI). De la misma fOrma, la inercia de líquido en el conducto semicircular tira de la cúpula y los cilios de las células ciliadas hada la izquierda cuando la cabeza gira ha. da la derecha. Si la rotadón continúa, la endolinfa finalmente seguirá el movimiento. Luego, si la rotadón cefálica se detiene súbitamen· te, la inercia del liquido no le permitió detenerse de Inmediato. El líquido seguirá rotando en la direcdón de la rotación cefáli· ca, dejando a la persona con una sensadón de rotación. Si la sensactón es lo suficientemente intensa, la persona puede llevar su cuerpo en la direcdón opuesta a la direcdón de la rotadón en un intento reflejo por compensar la aparente pérdida de equilibrio.

Los órganos otolíticos sensan la aceleración lineal y la posidón cefálica Los órganos otolíticos del utrículo y el sáculo están dispuestos para sensar fuerzas lineales. Las máculas del utrículo están hori· zontales cuando la cabeza está en su posición normal erecta. Si la cabeza se indina hada atrás, la gravedad hace que los otolitos en la membrana otolítica gelatinosa se deslicen hada atrás (Fig. 10. 25 111). Los cilios de las células dliadas se. doblan y disparan una señal. Las máculas de los sáculos están orientadas verticalmente cuando la cabeza está erecta y son sensibles a las fuerzas verticales, como la caída hada abajo en un elevador. El encéfalo analiza el patrón de células ciliadas despolartzadas e hiperpolarizadas pa· ra determinar la posldón de la cabeza y la dirección del movimiento.

1

356

Capítulo 1O Fisiología sensitiva

El ojo y !a visión

Cuando la cabeza se inclina hacia la derecha..!a endolinfa empuja la cúpula hacia la fzquiefda.

~=-~-~-·~---

Ii

(a) Gabeta en posición neutra

UiUM ANATói!IÍCO Cúpula

EL APARATO VESTIBULAR

""""'' ~

las cerdas se Inclinan hacia la fzqule!da

Hueso

~. ""~~~

357

Gravedad

Dlrecclón de la rotación de la cábeza

lB FIGURA 10.24 Las-fuerzas rotadonafes en fas crestas Cuando la cabeza gira, la inercia no permite que la end.olinfa

dentro de la ampolla se mueva tan rápido como el hueso circun· dante.

CONDUCTOS SEMICIRCUlARES

{b) cabeza inciinada hacia atrás Gravedad

para !a aceleración máculas son receptores sensitivos para !a aceleraci6n lineal y la . posición cefálica. Cóclea

,Í

Las v/as del equilibrio proyectan primariamente {b) El conducto posterior del aparato vestibular sensa la inclinación de la cabeza hacia el hombro derecllo o el hombro lzquietdo. El conducto superior sensa la rotación de !a cabeza de adelante hacia atrás, como la

qua ocurre cuando se cabecea afirmativamente al decir "sf". El conducto horizontal sansa !a rotación de la cabeza cuando gira hacia la izqulefda o la derecha,

como la que ocurre cuando se sacude la cabeza para decir •no".

hacia el cerebelo Las células ciliadas del aparato vestibular estimulan neuronas sensitivas primarías en el nervio vesb'bular. Esas neuronas hacen sinapsis en los núcleos vestibulares del bulbo raqUÍdeo o discu· rren sin hacer sinapsis basta el cerebelo (Fig. 20.26 m). las vías colaterales discurren desde el bulbo raquídeo hasta el cerebelo o hada arriba a través de la fotmadón reticular y el tálamo. Existen algtn?.as vías mal definidas hasta la corteza cerebral, pero Ia mayor parte de la in.tegradón para el equilibrio proviene del cerebelo.

Otolitl>

.

.

1/J 1

~

.~

ffil FIGURA 10-25 Órganos otolfticos

Las vías descendentes desde los núcleos vestibulares se dirigen hasta ciertas neuronas motoras involucradas en el movimiento

oculaL Estas vías ayudan a mantener los ojos fijados sobre un objeto a medida que la cabeza gira. R~;)/'1 S 1 ó N :';0, -:_20. los estereodlíos de !as células ciliadas ertán bañados )d ~,,. en endolinfa, la cual tiene una concentración muy alta

de K+ y una concentración muy baja de Na+, Cuando !os canales iónkos de !os estereoci1ios se abren, ¿qué iones se mueven en cuál dirección para producir una despolarización? 21. ¿Por qué la audición disminuye si una infección auditiva

produce una acumulación de Hquido en el oldo'medio?

_{e) El movimiento de endolinfa

empuja sobre la cúpula gelatinosa y activa las

22. Cuando los bailarines realizan múltiples giros, inten-

tan mantener su visión fija sobre un punto único ("fi· jadón de lugar"}. ¿De_ qué modo la fijación de lugar evita que un bailarfn se maree? Respuestas en la p, 375

células receptoras.

de sostén

El OJO Y LA VISIÓN

Ner.
,_,_.~~-·e~.~---•·•·_,__,,

!il FIGURA 10.23

El ojo es un receptor senSitivo que funciona de forma muy sin;illar a una cámara. Enfoca la luz sobte una superficie sensible (la retina} utilizando una lente (el cristalino) y una apertura u orificio Q.a pupila) cuyo tamafio también puede ser ajustado para cambiar la cantidad de luz entrante. La visión, el proceso a través

358

El ojo y !a visión

Capítulo 1O Fisiología sensitiva

359

UMEI\I Ai'lAYÓMICO EL t;)JO

ZónuJa cfllar. fiia el cristal1no al músculo cil!ar

{b) VISta de la pared posterior del ojo como se ve a tmvés de la pupila con un oftalmoscopio

E! cristaiTno cambia !a dirección de !a luz para enfocarla sobre !a ratin<

lli! FIGURA 10-26 Vías del sistema nervioso central para el equilibrio

del cual la luz reflejada en los objetos de nuestto entorno es tra~ dudda en una imagen mental, puede ser dividida en tres pasos: 1. La luz entra en el ojo y es enfocada sobre la retina por el

cristalino. 2. Los fotorreceptores de la retina traducen la energía lumino-

sa en una señal eléctrica. 3. Las señales eléctricas son procesadas a través
neutales.

El ojo está protegido por el cráneo La anatomía externa del ojo se muestra en la figura 10.27 l!il. Al igual que los elementos sensitivos de los oídos, los ojos están protegidos por una cavidad ósea, la órbita, que está formada por Los músculos unidos a !a superficie externa del ojo controlan el Fvimlento ocular. ·

La orblta es una , cavidad ósea que "protegeal ojo.

B conducto fagr!monasal drena.lágrimas en [a cavidad nasal.

1M FIGURA 10-27 Anatomía externa del ojo

huesos faciales del cráneo. Las estructuras accesorias asedadas con el ojo incluyen seis músculos oculares exfr(nsecos, los músculos esqueléticos que se insertan en Ia superfide externa del globo ocular y controlan los movimientos oculares. Los nervios craneales m, IV y VI inervan estos músculos. Los ptúpados superior-e inferior se derran sobre la superfide anterior del ojo y el apt11ato lagrimal, un sistema de glándulas y conductos, mantiene un flujo continuo de lágrimas que lavan la superfide expuesta de modo que se mantiene húmeda y libre de detritos. La secredón de lágrimas es estimulada por las neuronas parasimpáticas del nervio craneal VII. El ojo propiamente dichQ es una esfera hueCa dividida en dos compartimentos (cámaras) separados por el cristalino (Fig. 10.28a"ml).

Mlísculo ciliar: la contracción altera la curvatum del cristalino.

·pR.EGUNTA conectivo.

S! la fóvea esta por fuera de la papila, ¿qué ojo se muestra en la parte {b)?

!ll FIGURA 1o-28

El cristalino, suspendido por ligamentos denonllnados zónula ciliar, es un disco transparente que enfoca la luz. La cámara anterior por delante del cristalino está llena del humor acuoso, un liquido hipoproteico similar al plasma secretado por el epitelio dliar que sostiene el cristalino. Por detrás del cristalino hay una cámara mucho más grande, la cámara vítrea, llena principalmente del cuerpo vítreo, una matriz gelatinosa clara que ayuda aman· tener la forma del globo ocular. La pared externa del globo ocu-

lar, la esclerótica, está compuesta por tejido conectivo. La luz entra en el ojo a través de la córnea, un disco transparente de tejido sobre la superfide anterior que es la continuadón de la esclerótica, Después de cruzar el humor acuoso, la luz pasa a través del orifido de la pupila e indde sobre el c:ristaJ,ino, que tiene dos superfides convexas. La córnea y el cristalino en conjunto desvían los rayos de luz entrantes de modo que su foco se sitúe sobre la retina, el revestimiento del ojo sensíble a la luz que contiene los fotorreceptores. Cuando se mira a través de la pupila con un oftalmoscopio (ophthalmos, ojo), se observa que la retina está surcada por pequeñas arterias y venas que irradian hada afuera desde un punto, el disco óptico o papila (Fig. 10.28b). La papila es el sitio donde las neuronas de la vía visual forman el nervio óptico (nervio craneal my abandonan el ojo. Por fuera de la papila hay una pequeña zona oscura, la (úvea. La fóvea y un anillo estrecho de tejido que la rodea, la mácula, son las regiones de la retina con la visión más aguda.

Las vías neurales para los ojos se muestran en la figura 10.. 29

m. Los nervios ópticos van desde los ojos hasta el quiasma

óptico en el encéfalo, donde algunas de las fibras. cruzan hacia el lado opuesto. Después de hacer sinapsis en el cuerpo geniculado lateral (núcleo geniculado lateral) del tálamo, las neuro· nas para la visión del tracto terminan en el lóbulo occipital en la corteza visual. Las vías colaterales se dirigen desde el tálamo hasta el mesencéfalo, donde hacen sinapsis con neuronas eferentes que controlan el diámetro de las pupilas. /;;

~\lf{4fe·l S1Ó N

1~}'" 23. ¿Qué funciones c.umple e! humor aruoso? Respuesta en la p. 375

La luz entra en el ojo a través de la pupila En el primer paso de la vía visual, la luz. del entorno entta en el ojo. Sin embargo, antes de que indda sobre la retina, la luz eS modificada de dos formas. Primero, la cantidad de luz que alcan-

za los fotorreceptores es modulada por cambios en el tamañ.o de la pupila. Segundo, la luz es enfocada por cambios de forma del

cristalino. El ojo humano fundona en un rango lumínico que puede variar unas 100 000 veces de intensidad. Gran parte de esta capaddad proviene de la sensibilidad de los fotorreceptores, pero las pu-

360

El ojo y la visión

Capítulo 1O Fisiología sensitiva

(e) Las vfas colaterales abandonan el tálamo y se dirigen al mesencéfalo.

luz

mFIGURA 10.29 Vfas neurales para la visión y el reflejo P.upilar Las vías colaterales que hacen sinapsis en el mesencéfalo controlan la· contracción de las pupilas.

pilas ayudan al regular la cantidad de luz que cae sobre la retina. En la luz solar brillante, las pupilas- se cierran hasta un diámetro aproxímado de 1,5 mm cuando uÍla vía parasimpática contrae los músculos pupilares ctrculares. En la oscuridad, el orificio de la pupila se dilata hasta 8 mm, ~aumento de 28 veces en el área pupilar. La dilatación ocurre cuando los músculos radiales que se ubican pezpendicuiates a. los músculo~ circulares se contraen bajo la influencia de las neuronas simpáticas. La evaluación de los teflejos pupilares es parte estándar de un examen neurológico. La luz que incide sobre la retina en un ojo activa el reflejo. Las señales discucren a tra~ del nervio óptico hasta el tálamo, luego hasta el mesencéfalo, donde las neuronas eferentes contraen las pupilas en ambos ojos (Fig. 10· 29c). Esta respuesta se conoce como reflejo consensual y está mediada por fibras parasimpáticas que discucren a través del nervio craneal III.

REJfiSIÓN

~~-_,;<)}24. Utilice !as vfas neurales de la figura 10..29c para res-

~~'{/

pondera las siguientes preguntas. a) ¿Por qué una luz que brilla en un ojo produce constricción pupilar de-ambos ojos? b} Si usted hace brillar una luz.-en el ojo izquierdo y obtiene una constricción pupilar del ojo derecho pero no en el ojo izquierdo, ¿qué puede conduir sobre la vfa aferente desde el ojo izquierdo hasta el encéfalo? ¿Sobre las vfas eferentes hasta las pupilas? · 25. Las fibras parasimpáticas contraen las pupilas y las fibras simpáticas las'dilatan. ¿De qué tipo de control es ejemplo?

Cuando la luz pasa de un medio a otro, el ángulo de refracción (cuánto se desvían los rayos de luz} está influido por dos factores: 1) la diferencia de densidad entre los dos medios y 2) el ángulo en el cual los rayos de luz. indden sobre. la superfide del medio ·que atravesarán. Para la luz que atraviesa el cristalino aceptemos que la densidad del cristalino es la misma que la densidad del aire, de modo que este factor pueda ser ignorado. El ángulo en el cual la luz se encuentra con la cara del cristalino depende de la curvatura de la superficie del cristalino y la dirección del haz de luz. Imagínese rayos de luz paralelos que llegan a la superficj_e de una lente transparente. Si la superfide de la lente es perpendicular a los rayos, la luz la atravesará sin desviarse, pero si la superfi. cie no es perpendicular los rayos de luz se desviarán. Los rayos de luz paralelos que llegan a una lente cóncava, como la que se muestra en la fi&U:ra 10-30a ID, se refractan en un haz más ancho. Los rayos paralelos que llegan a una lente convexa se desVían ha. da adentro y enfocan en un punto: las lentes convexas hacen converger las ondas luminosas (Fig. 10-30b). Usted puede demostrar las propiedades de una lente convexa utilizando una lupa para enfocar la luz del sol en un trozo de papel u otra superficie. Cuando rayos de luz paralelos atraviesan una lente convexa, ejemplo simple proviene de la fotografía. Imagine una fotografía el punto donde los rayos convergen se denomina punto focal de un cachorro sentado en primer plano entre un campo dé flo(Fig. 10-30b). La distancia desde el centro de una lente hasta su res silvestres. Si sólo están enfocados el cachorro y las flores conpunto focal se conoce como distancia focal. Para cualquier len~ tiguas, se dice que el cuadro tiene poca profundidad de campo. Si te dada, la distancia focal y el punto focal son fijos. Para modifi. en cambio están enfocados el cachorro y las flores silvestres hascar la distancia focal, debe cambiar la forma del cristalino. ta el horizonte, el cuadro tiene una profundidad completa de Cuando la luz proveniente de un objeto atraviesa el cristalino, campo. La profundidad de campo se crea contrayendo la pupila el punto focal debe caer con precisión sobre la retina para que el {o el diafragma en una cámara) de modo que sólo entre un haz. objeto sea visto en foco. En la figura 10-31a llil, los rayos de luz pa_estrecho de luz en el ojo. De esta forma, se concentra una profunralelos inidden sobre un cristalino cuya superficie es relativamen. didad mayor de la imagen sobre la retina. te plana. En este caso, el punto focal cae sobre la retina y, por lo tanto, el objeto está en foco. En el caso del ojo humano, cualquier El cristalino enfoca la luz sobre la retina objeto que se etÍcuentra a 6 m o más creará rayos de lu,z paralelos. ¿Qué sucede en cambio cuando un objeto está más próximo a Cuando la luz entra en el ojo, atraviesa la córnea y el crlstallno los 6 m del cristalino? En ese caso, los rayos de luz provenientes antes de llegar a la retina. Cuando los rayos de luz pasan del aire_ a un medio de diferente intensidad, como un vidrio o el agllat se des· del objeto no son paralelos y llegan al cristalino con cierto ánguvían o refractan. La luz que entra en el ojo es refractada dos veces: _ lo (Fig. 10-31b). Los rayos de luz ya no convergen en un punto sobre la retina y el objeto aparece bonoso y fuera de foco. aproximadamente dos tercios de la refracdón ocurre cuando la luz Para mantener un objeto cercano en foco, el cristalino debe atraviesa la córnea y el terdo restante, cuando atraviesa el cristalino. Para simplificar esta explicación, consideremos sólo la refrac- · estar redondeado para aumentar el ángulo de refracción (Fig. 1031c). Así, el cristalino se vuelve más convexo, los rayos de luz ción que ocurre cuando la luz atraviesa el oistalino porque éSte es convergen sobre la retina en lugar de hacerlo detrás de ella y el capaz de modificar su forma para enfocar la luz. (a) Una lente cóncava dispersa los rayos de luz.

{bl Una lente convexa hace que los rayos de luz conve~an.

,.,;:

Respuestas en !a p. 375

Además de regular la cantidad de luz que llega a la retina, las pupilas crean lo que se conoce como profundidad de campo. Un

361

Rayos de luz

Rayos de IIIZ

paralelos

paralelos

m:! FIGURA 10.30 Refracáón de la luz

j+Dlstancia foca».! ·

la distancia focal es !a dfstancla desde el centro del cristalino hasta el punto focal.

1

362

Capítulo 10 Fisiología senSitiva

El ojo y !a visión de.luz

Distancia foca!

(a) El cristalino está unido al miÍSCU!o ciliar por f¡gamentos no elásticos (zónula ciliar),

(b} Cuando el músculo ciliar se relaja, los ligamentos tiran y aplanan el cristalino.

Distancia focal ¡..=== ....

Distancia focal

M<mooloo;[w

reejado Cristalino aplanado ligamentos tirados y apretados

~

~~~~

(;_;.

¡-Córnea

J --;:!31 ' :;

363

{e) Cuando el músculo cifiar se contrae, !íbera tensión sobre los ligamentos y el cristalino se red
~~

contraído~\

Mú""looill"

" " '" '"' "'"' -j. ·-V;!· . ~ los ligamen!W

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seaflo¡an ~

Objeto

l

1

mAGURA 10·32 Mecanismo de la acomodadón una córnea que no tiene una forma de cúpula perfecta, lo que produce imágenes distorsionadas.

i• R,~VISIÓN

;~f~i- "26. Si la córnea de un individuo, que ayuda a enfocar la

Cristalino , aplanado para la ; visión a distancia

9 fiGURA 10.31 Óptica

-·· • ~~--..,

ra 10-33.}

Distancia focal de! cristal!no El cristalino y su distancia focal no han sido modificados pero el objeto se ve fuera de foco porque el haz de luz no está enfocado sobre la retina

objeto está enfocado. El proceso por el cual el ojo adapta la forma del cristalino para mantener los objetos en foco se conoce como acomodación. Si un objeto está tan próximo al cristalino que cae dentro de la longitud focal, -ningún grado de acomodación podrá enfocarlo. La distancia más próxima en la cual se puede enfocar un objeto se conoce como punto cercano de acomodación. Usted puede demostrar fácilmente el reflejo de acomodación cerrando un ojo y manteniendo su. mano unos 20 cm delante de su ojo abierto con los dedos bien separados. Enfoque su visión en algún objeto distante que sea visible entre sus dedos. Observe que cuando lo hace sus dedos se mantienen visibles pero fuera de fa. co. Su cristalino está aplanado pará la visión distante, de modo que el punto focal para los objetos cercanos cae detrás de la retina. Esos objetos aparecen fuera de foco. Ahora desplace su vista hasta sus dedos y note cómO entran en foco. Los rayos de luz que se reflejan en sUs dedos no han cambiado el ángulo, pero su Crls.. talino se ha vuelto más redondeado y los rayos de luz ahora convergen sobre la retina. ¿De qué modo el cristalino, que es transparente y no posee ninguna fibra muscular en su interior, puede modificar su forma? El responsable de ello es el músculo dliar, un anillo de músculo liso que rodea al cristalino y está unido a él por los ligamentos poco elásticos llamado zónula ciliar {Fig. 10-32 il). Si los ligamentos no aplican ninguna tensión sobre el cristalino, éste adopta su for-

luz, es más redondeada de lo normal (tiene una curvatura mayor).-¿es más probable que este individuo tenga hipermetropfa o miopla? (Sugerencia: véase la figuRespuesta en la p. 375

Para mantener el objeto en foco a medida que se aproxima, el cristalino se redondea.

{a} La hlpermel:!l)j)fa, aparece cuando el punto focal cae por

detrás de !a retina

ma redondeada natural debido a la elasticidad de su cápsula. Si los ligamentos tiran del cristalino, éste se aplana y adopta la for ma necesaria para la visión a distanda. La tensión sobre los ligamentos está controlada por el músculo dliar. Cuando este músculo dtcular se contrae, el anillo mus ·cular se hace más pequeño, libera la tensión sobre los ligamentos y el cristalino se redondea. Cuando el músculo dlia:r está relajado, el anillo está más abierto y el cristalino es traccionado hada una forma más aplanada. Las personas jóvenes pueden enfocar elementos que se en cuentran tan sólo a 8 cm, pero el reflejo de acomodación disminuye desde los 10 años de edad en adelari.te. Para los 40 años, la acomodación es sólo aprOXimadamente la mitad de lo que era a los 10 años, y para los 60 afios, muchas personas pierden por completo el reflejo porque el cristalino ha perdi~o flexibilidad. La pérdida de acomodación, llamada presbicia, es la razón de por qué la mayoña de los individuos comienzan a utilizar lentes en la quinta década de la vida. Otros dos problemas frecuentes de la visión, la miopía y la hipermetropía, ocurren cuando el punto focal cae delante o detrás de la retina, respectivamente (Fig. 10.33 11). Estos trastornos pueden corregirse colocando un lente que tenga la curvatura apropiada delante del ojo para modificar la longitud focal. Un tercer problema visual frecuente, el astigmatismo, suele estar causado por 4

4

Hi¡mm1etropfa (corregida con una lente convexa) (b) la m!opfa aparece cuando el punto focal cae por

delante de !a retina.

4

Miopía (corregida con uha lente cóncava}

PREGUNTA Expf.'q!Je 1) qué hacen las lentes correctoras con la refracción de fa !uz y 2) por qué cada tipo de lente conige e! defecto visual,

fii FIGURA 10.33 Defectos visuales frecuentes

La fototransducción ocurre en la retina La transducdón de la energía luminosa en potenciales de acción tiene lugar cuando la luz llega a la retina, el órgano sensorial del ojo. En realidad, sólo una pequeña parte de luz que entra en nuestros ojos es percibida por nuestro cerebro. La luz visible es energía electromagnética cuyas ondas tienen una frecuencia de 4,0 a 7,5 x 1014 ondas por segundo (Hz) y una longitud de onda de entre 400 y 750 nanómetros (nm). El espectro electromagnético completo se extiende entre ondas de alta energía y longitud de onda muy corta, como los rayos X y gamma, hasta J..as rillcroondas, y las ondas de radio de baja energía y frecuenda menor (Fig. 10..3411ll). La luz ultravioleta e infrarroja son los límites del espectro de luz visible. Nuestros ojos no pueden perabir las longitudes de onda ultravioleta e infrarroja pero los ojos de otros animales sí. Por ejemplo las abejas utili-

1

Capítulo 1O FISiologfa sensitiva

364

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360nm

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e FIGURA 10..34 El espectro eledromagnético zan líneas ultravioletas que hay en las flores como guía hasta el

polen y el néctar. En el ojo humano, los fotorreceptores de la retina tr~ducen la

energía luminosa en señales eléctricas. La retina se desarrolla a partir del mismo tejido embrionario que el cerebro y (al igual que en la corteza del cerebro) las neuronas en la retina están organizadas en capas (Fig. 10-3Sd IN). Detrás de la porción fotosensible de la retina hay una capa de epitelio pigmentarlo oscuro. Su fun. dón es absorber cualquier rayo de luz que escapa de los fotorreceptores, lo que impide que la luz se refleje hacia el interior del ojo y distorsione la imagen visual. El color n~gro de estas células pigmentarias proviene de los gránulos del pigmento melanina. Las capas de las neuronas de la retina están en orden inverso de lo que se podría esperar. En lugar de enfrentar directamente la pupila, donde los fotones llegan primero, los fotoneceptores se encuentran en la parte posterior, con sus extremos fotosensibles dirigidos contra el epitelio pigmentarlo. La luz que entra en el ojo debe atravesar varias capas relativamente trailsparentes de neuronas antes de inddir sobre los fotorreteptóres.' Una excepción a este patrón ocurre en una pequefia región de la retina conoctda como fóvea·(depresión). En _eSta área, los fotorreceptores reciben luz directam~te porque las neuronas inter· puestas son empujadas ha¡;ia un costado (Fig. 10.3Sc). La fóvea también se encuentra h'b_re de vasos sanguineos que bloquearían la recepción de luz. Como _sefialamós antes, la fóvea y la mácula que la rodea son las áreas de visión más aguda y forman -el centro del campo visual. La fóvea es el punto en el cual se enfoca la luz cuando usted observa un objeto. Vea la figura 10.36 ii1. El ojo está centrado en el área verde-amarilla de la bar:ra" de colores. La luz proveniente de esa sección del campo visual cae sobre la fóvea y tiene un fOco ní· tido. Ob_serve que la imagen que impresiona la retina está invertida. El piúcesamiento visual ulterior por parte delcereb!o invier· te nuevamente la imagen, de modo que la perdbimos en la orientadón correcta. ·

La informactón sensorial sobre la luz pasa de los fotorrecepto- . res a neuronas bipolares, y luego a una capa de Células ganglionares. Los axones de las células ganglionares fonnan el nervio óptico, que abandona el ojo en la papila. Como la papila no tiene fotorreceptores, las imágenes proyectadas sobre esta región no pueden ser vistas, y aparece lo que se conoce como el punto de. go del ojo. Una característica del procesamiento de las señales en la retina es la convergencia { §p. 278), en la cual múltiples neuronas hacen sinapsis en una úntca célula postsináptica {Flg. 10.3Se). Entre 15 y 45 fotorreceptores pueden hacer sinapsis en una neurona bipolar. Por su parte, múltiples neuronas bipolares inervan una única célula ganglionar, de modo que la infonnactón prove. niente de cientos de millones de fotorreceptores es condensada en sólo 1 millón de axones que abandonan el ojo en cada nervio óptico. La convergenda es mínima en la fóvea, donde algunos fotorreceptores tienen una relación 1:1 con sus neuronas bipolares, y máxima en los bordes externos de la retina. El procesamiento de seftales en la retina está modulado por las aferendas provenientes de dos conjuntos adidonales de células (Fig. 10.35d). Las células horizontales hacen sinapsis con foto. rreceptores y células bipolares. Las células amacrinas modulan la informadón que fluye entre las células bipolares y las células gan· gllonares.

UIHN ANAT
29. la degeneración macular es la primera causa de ceguera en los estadounidenses mayores de 55 afíos. El deterioro de la función de la mácula de la retina produce pérdida visual ¿de qué parte del campo visual?

"""'""

~-

(e) la luz estimula los

fotorreceptores en fa fóvea directamente porque las neuronas suprayacentes son desplazadas haela un lado.

1

(d) Organización de la retina

,.,~:~1 S 1Ó N ·:_.:-.:·f'"f>27.los animales que ven bien con una luz muy tenue ca-.-/ recen de epitelio pigmentario y en cambio tienen una capa denominada tapetum luddum detrás de la reti· na. ¿Qué propiedad podrla tener esta capa para que aumente la visión con luz baja1 28. ¿De qué modo es la diferencia de agudeza visual en· tre la fóvea y el borde del campo visual similar a la di· ferenda en la discriminación del tacto entre los pulpejos de los dedos y la piel del brazo1

{b) Los axones provenientes de la rntina salen a través del nerJ!o óptico.

1.A RETINA

Cé/""

""

Respuestas en !a p. 375

Los fotorreceptores traducen la luz en señales eléctricas Existen dos tipos de fotorreceptores en el ojo: bastones y conos. Los bastones son los más abundantes en una relación 20:1, excepto en la fóvea que sólo contiene conos. Los bastones fundonao bien con poca luz y son responsables de la visión nocturna, cuando los objetos se ven en blanco y negro y no en colOL Los conos son responsables de la visión de afta agudeza y la visión de colores durante el día, cuando ios niveles de luz son más altos. Agudeza significa "afilado~ y deriva del latín acuere. La fóvea, que es la región de visión más aguda, tiene una densidad muy alta de conos. Los dos tipos de fotoneceptores tienen la misma estructura básica (Fig. 10.37 ~: 1) uñ segmento externo cuyo extremo toca el epitelio pigmentario de la retina, 2) un segmento interno que contiene el núcleo celular y los orgánulos para síntesls de ATP y proteínas y 3) un segmento basal que hace sinapsis con las célu·

se Integran las

señales proven!antes

de conos ybastones P.l;l-EG UNTA ¿Cuántos bastones convergen sobre !a célula gangHonar en {e}? ,.,_-,,.,~0=->-'"-·

fll FIGURA 10-35 Dibujo de los fotorre<eptores en la fóvea adaptado de E. R. Kandel y cols., Principies of Neura/ Science, 3" edición (New York: McGraw Hill, 2000).

El

366

ojo y la vlslón

367 -

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

Conos Conos Conos azules Bastones verdes rojos

las bipolares. En el segmento externo, la membrana telular tiene .

Fóvea

=::®> o:;[: JI

'

11

La imagen se p~ invertida sobre !a retina. El procesamiento visual en el cerebro vuelve a inYiertir la im~gen.

Ita FIGURA 10·36 Proyecdón de la imagen en la

retina

pliegues_profundos que forman capas discoides, al igual quepastillas de menta apiladas en un envase. Hacia efextremo de los segmentos externos en los bastones, estas· capas se separan de la membrana celular y forman discos más libres. En los conos, permanecen fijas. Los pigmentos visuales sensibles a la luz están unidos a las membranas celulares en los segmentos externos de los fotorreceptores. Estos pigmentos son los transductores que convierten la energía luminosa en un cambio en el potencial de acción. Los bastones tienen un solo tipo de pigmento visual: la rodopsina. Los conos tienen tres pigmentos diferentes que están estrechamente relacionados con Ia rodopsina. Los conos son responsables de la visión en colores y contienen pigmentos visuales que son exdtados por luz de diferentes Iongi· tudes de onda. La luz blanca es una combinación de colores, co-

100

~

.a~

PREGUNTA$ 75

• ¿Qué pigmento de color absorbe la luz en el espectro más amplio de longitudes de onda? • ¿Eh el más estrecho? •¿Qué pigmento de color absorbe !a mayor parte de fa luz a 500 nm?

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longitud de onda (nm) llil AGURA EPITEUO PIGMENTARIO

los discos antiguos en la punta son fagocitados por !as células epiteliales pigmentarias ·

Gránulos

tERMINACIÓN SlNAPilCA _

."~ SiiiaM~·cOn_iá{·.;· ·.cé!~!~~ ;'--

mFIGURA 10.37 Fotorreceptores: bastones y conos

La transducdón de la luz ocurre en el segmento externo del fotorreceptor. los cambios en el potencial de membrana del fotorreceptor alteran la liberación del neurotransmisor en las células bipolares. El epitelio pigmentario oscuro absorbe la luz de más e impide

que se refleje y distorsione la visión.

10~38 Absordón de

luz de los pigmentos visuales

Existen tres tipos de pigmento en !os conos, cada uno con un espectro de absorción de luz característico. mo se ve cuando se la hace pasar por un prisma y se difracta. El fototransducdón El proceso de fototransducción es similar para ojo tiene conos para luces roja, verde y azul. Cada tipo de cono es la rodopsina en los bastones y los tres pigmentos de colores en los estimulado por luz de un rango de longitudes de onda, pero ·conos. La rodopsina está compuesta por dos moléculas: opsina, una proteína incluida en la membrana de los discos de los basto. es más sensible a una longitud de onda particular (Fig. 10-38 f.il). Rojo, verde y azul son los tres colores primarios para la luz, al nes, y retinal, un derivado de la vitamina A que es la pordón abigual que rojo, azul y amarillo son los tres colores primarios de las sorbente de luz del pigmento (véase F¡g. 10-37). En ausenda de luz, el retinal se une estrechamente con un sitio fijador en la opsipinturas. El color de c.ualquier objeto que estamos mirando depende de na (Fig. I0.39a mi). Cuando es activado aunque sea por un solo folas longitudes de onda de luz reflejadas por él. Las hojas verdes retón, el retinal cambia de foiDia a una nueva configuradón. El retina! activado ya no se une a la opsina y es ltberado del pigmento flejan la luz verde y los plátanos reflejan la luz amariÍla. Los obíetos blancos reflejan la mayoría de las longitudes de onda. Los oben el proceso conocido como _blanquciuniento (Fig. 10.39b). jetos negros absorben la mayoña de las longitudes de onda, lo · ¿De qué modo el blanqueamiento de la rodopsina conduce a cual es una razón de por qué se calientan c.uando quedan expueslos potenciales de acdón que discurren a través de la vía óptica? tos al sol mientras que los objetos blancos permanecen frescos. Para comprender la relación, debemos observar otras propiedades de los bastones. Como se vio en los capítulos 5 y 8, las señales Nuestro cerebro reconoce el color de un objeto intapretando la combinación de señales que le llegan desde los tres conos de eléctricas se producen como resultado del inovimiento de los iocolor diferente. Esto parece ser un proceso simple. Sin embargo, nes entre los compartimentos Intracelular y extracelular. Un bas· tón contiene muchos canales catiónicos que permiten que el Na+ todavia no se conocen bien los detalles de la visión de colores y existe cierta controversia sobre cómo se procesa el coloi en la corentl;e en el bastón y canales de j(+ que penniten que el K+ abanteza cerebral. La ceguera para los colores (daltonismo o acromadone el bastón. Cuando un bastón se encuentra en la oscuridad y la rodopsitopsia) es un trastorno en el c.ual una persona hereda un defecto en uno o más de los tres tipos de conos y tiene dificultad para disnano está activa, las concentraciones de G:MP cíclico en él son altas y ambos conjuntos de canales están abiertos. La entrada del tinguir dertos colores. Es probable que la foiDia mejor conocida de ceguera para los colores sea la rojo-verde, en la cual los indiviión sodio es mayor que la salida de K•, de modo que el bastón permanece despolarizado hasta un potencial de membrana promeduos no pueden distinguir el rojo del veide. dio de -40 mV, en lugar de los más habituales - 70 mV. En este potencial de membrana menos negativo, existe una liberación tó· Al 4iiR,fiV 1 S 1 Ó N nica (continua) de neurotransmisor desde la porción sináptica del ~Y30. ¿Por qué nuestra 'li!iión en la oscuridad es en blanco y bastón en la célula bipolar adyacente (Fig. 10.39a). negro y no en color? Cuando la luz activa la rodopsina, se inicia una cascada de seRespuesta (!n !a p. 375 gundos mensajeros a través de la transducina (Fig. 10..39b), una

1

El ojo y !a visión 368

G@

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(a) &1 !a oscuridad, !a rodopsina se inactiVa, el cGMP está elevado y los canales !ónices se .abren. ~

~

Luz que brilla ene!dmtro

Excitaa·lacélu!a

Inhibe a !a célula

gangliooar

ganglionar

Luz que brilla en !a periferia

Jnhíbe a la célula ganglionar

ganglionar

Excita a la célula

Luz difusa tanto Respuesta débil de la 1 Respuesta débíl de la en el centro célula ganglionar célula ganglionar comoen-!a periferia la retina uflf¡za el contraste más que !a Intensidad

abso!uta de !a luz para detectar me¡or los estímulos débiles.

POtencial de

membrana en la

1

369 ·

Capítulo 1O Fisiología semitiva

OSCtJrldad ""-40 mV

mFIGURA 1040 Campos receptivos de las células ganglio·. nares

Liberación tónica

dS neurotransmisor en las neuronas bipolares

la líberación del neurotransmisor disminuye en

proporción a la c¡antidad de luz.

lil FIGURA 10.39 FototranSducdón en Jos bastones

molécula esttechamente relacionada con la gustductna, la pro· teína G hallada en los receptores del gusto amargo. La cascada de segundos mensajeros de la- transductna disminuye la concentradón de cGMP, lb que cierra los canales catiórúcos. Como resultados, el influjo de Na+ se hace más lento o se detiene. Una entrada menor de sodio y una salida continua de K+ hace que el interior de la célula sé hipeq>Olarice. Como consecuencia disminuye la 'liberación del neurotransmisor en las neuronas bipolares. La luz brillante cierra todos los canales de Na+ y detiene toda la liberadón del neurotransmisor. La luz más tenue produce una respuesta que es graduada en proporción a la in· tensidad de la luz. Ahora pasamos del mecanismo celular de transducctón de la luz al proCesamiento de las señales de luz en las células bipolares y las células ganglionares de la retina, el paso tercero Yfinal en nuestta vía para la visión.

tHR--E~;I S 1ó N

· \~~f;'/31. Dibuje un mapa o un diagrama para explicar la foto· ~ transducdón. Comience con el blanqueamiento y termine con la liberación del neurotransmisor. Respuesta en la p. 375

El procesamiento de las señales comienza en la retina Una vez que el neurotransmisor glutamato es liberado de los fotorrecepto:res en las neuronas bipolares, el procesamiento de se· ñales en la retina se torna muy complejo. Por un lado, existen dos tipos de células bipolares: activadas par la luz y desactivadas por la luz. Las células bipolares activadas por la luz son inhibidas por la liberación de glutamato en la oscuridad y son activadaS (liberadas de la inhibición) en la luz. Las células bipolates desactivadas por la luz son excitadas por la liberación de glutamato en la oscuridad

e inlúbidas en la luz. El hecho de que el glutamato sea excttatorio o inhibitorio.depende del tipo de receptor para glutamato en la neurona bipolar. De esta forma, un estímulo (luz) crea dos res· - puestas con un único neurotransmisor. Otro punto del procesamiento de señales tiene lugar en la si· napsls entre las neuronas bipolares y las células ganglionares. Es· tas conexiones también pueden ser excitatorias o inhibitorias. Se sabe más sobre las células ganglionares porque ellas están en la superficie de la retina y por lo tanto sus axones son los más· accesibles para la investigación. Se han realizado grandes estudios en los que investigadores estimularon la retina con luces cuidadosa-. mente colocadas y evaluaron la respuesta de las células ganglionares. cada célula ganglionar recibe señales de un área particular de la retina. Estas áreas, conocidas como campos visuales, sori slmi· lares a los campos receptivos del sistema somatosensitivo ( g¡g p. 330). El campo visual de una célula ganglionar cerca de la fóvea es bastante pequeño. Sólo algunos fotorreceptores se asocian con cada célula ganglionar, de modo que la agudeza visual es máxíma en estas áreas. En el borde del campo visual, los múltiples fotorre-· ceptores que convergen en una sola célula ganglionar pioducen una visión que no es tan aguda. Una analogía para esta disposición es pensar en los píxeles de nuestras pantallas de ordenador. Convengamos en que dos pan· tallas tienen la misma cantidad de "fotorreceptores", indicada pOI la resolución ináxima de la pantalla de 1 280 X f 024 pixeles. Si la pantalla Atiene un fotorreceptor que se convierte en un pí· xel de una "célula ganglionar", la resolución real de la pantalla es de 1 280 x 1 024 y la lmagen será muy clara. Si ocho fotorreceptores sobre la pantalla Bconvergen en un pixel de una célula gan· glio:q.ar, entonces la resoluCión real de la pantalla cae hasta 160 x

128, lo que produce una imagen muy borrosa y tal vez indistin· guible. Los campos visuales de la retina tienen dos propiedades interesantes. En primer lugar, son ctrculares, al contrario de la fónna irregular de los campos sensitivos somáticos. Segundo, están divi· didos en dos secciones: un centro redondo y su periferia ~n forma de rosca (Fig. 10-40 fiil). Existen dos tipos básicos de campos· visuales. En un campo de centro encendido/periferia apagada, lacélula ganglionar asociada responde más intensamente con una serie de potenciales de acctón cuando la luz es más brillante-en el centro del cantpo. Si la luz es unifonne en el campo visual, lacélula ganglionar será inhibida y cesará el disparo de potenciales de acción. Lo contrario ocurre con los campos centro/apagado/periferia en· cendida. Si la luz es uniforme en el campo visual, la célula ganglionar responde débilmente. Por lo tanto, la retina utiliza el contraste más que la intensidad absoluta de la luz para reconocer objetos en el medioambiente. Una ventaja del uso del contraste es que permite una mejor detección de los estímulos débiles. Los científicos han identificado ya varios tipos de células ganglionares en la retina de los primates. Los dos tipos predominantes, que representan el80% de las células ganglionares de la retina, son las células M y las células P. Las células ganglionares magnocelulares grandes, o células M, son más sensibles a la información sobre el movimiento. Las células ganglionares parvocelulares más pequeñas, o células P, son más sensibles alas señales retadonadas con la forma y el detalle fino, como la textura de los objetos en el campo visual. Un tipo de célula ganglionar recientemente descubierto contiene una proteína similar a la opsina llamada melanopsioo (véase el recuadro Nuevos conceptos). Una ve? que los potenciales de acdón abandonan los cuerpos de las células ganglionares, discurren a lo largo de los nervios óp. ticos hasta el SNC para el procesamiento adicional. Como señalamos antes, los nervios ópticos entran en el cerebro a nivel del quiasma óptico. En este punto, algunas fibras nerviosas provenientes de cada ojo cruzan hada el otro lado del cerebro para su proCesamiento. La figura 10-41 mi muestra de qué modo la infor· marión proveniente del lado derecho del campo visual es procesada sobre el lado izquierdo del cerebro y la información proveniente del lado izquierdo del campo es procesada del lado derecho. La pordón central del campo visual, donde se superponen los

campos visuáles izquierdo y derecho, es la zona -binocular. Los dos ojos tienen vistas ligeramente diferentes de los objetos en esta región, y el cerebro procesa e integra las dos vistas para crear representaciones tñdlmensionales de los objetos. Nuestro sentido de percepción de la profundidad -es dedr, si un objeto está delante o detrás de otro- depende de la visión binocular. Los objetos que caen dentro del campo visual de un solo ojo están en la zona monocular y se ven en dos dimensiones. Una vez que los axones abandonan. el quiasma óptico, algu· nas fibras se proyectan hada el mesencéfalo donde participan en el control del movimiento ocular o coordinan con la información somatosensitiva y auditiva para el equilibrio y el movimiento. Pero la mayoría de los Axones se proyectan hacia el cuerpo geniCU· lado lateral del tálamo, donde las fibras ópticas hacen sinapsis con neuronas que llegan a la corteza visual en el lóbulo occtpital.

1 1

370

El ojo y la visi?n

Capítulo lO Fisiología sensitiva

371

" - - - - - Campo visual

La zona binocular

k--- .zona --J ,.

es donde se superponen los campos visuales

l

b1nocu!ar

1

Se le Informaron a Anant las opc_ion~ qUirúr9i~ co_n tjüe COnt.i~ ba pero decidió contiriuar:,e1 tratamienÍo_'"farmaCo!ógico en lugar· de arriesgarse a·paeiecer-uha sord_eni E·n-loS dos 'rlJeses Siguieiites, !a enfermedad de MéniE!re Se iesolvió g·raduillrilente: Su-Causa nunca se descubrió.

izquierdo y derecho

PREGUNTA ¿En qué parte'del encéfalo se procesa la información sensitiva sObre ,¡ tes de estas células se proyectan

coy al parecer son, como los bastones.y_los ras de !a-luZ de !Úetina en los mamíferos.

1 1ii1 FIGURA 1041

El cuerpo geniculado lateral está organizado en capas que corresponden a las diferentes partes del campo ·visual. Así la información proveniente de objetos adyacentes es procesada ¡Unta. Es· ta organización topográfica se conserva también en la corteza visual, donde seis capas de neuronas están agrupadas en colum· nas verticales. Dentro de cada porción del campo visual, la infOI· madón es selecdonada además por forma, color y movimiento. El procesamiento visual y nuestra percepdón del mundo que nos rodea son temas extremadamente complejos cuyos detalles se encuentran más allá del objetivo de este libro. La corteza fusiona la informadón monocular de ambos ojos para darnos una vista binocular de lo que nos rodea. La información proveniente de las combinaciones encendido/apagado de las células ganglionazes es traducida en sensibilidad para la orientación lineal en las vías más simples, o en color, movimiento y estructura detalladá en las más complejas. Cada uno de estos atributos de los estímulos visuales es pzocesado a través de una vía separada, lo que crea una red cuya complejidad recién empezamos a comprender.

Campos visuales y visión binocular

El lado izquierdo del campo visual de cada ojo se proyecta hacia !á corteza visual delladÓ dere
2

Los acúfenos subjetivos se presen~ tan cUando una anomalía en illgúri sitio a lo largo de _!ii vfa aha"tómlcide fa ·audición hilce que el éúébro perciba un sonido que no existe fuera del aparato auditivo. Comen~ zando desde_-er con~UCtfaU~ffiVo;:: · -. mencioné las 'estrudu~ ·en las cuá· léS-pueden··s~~g¡f ·pi-O~í~ffi.~s.: ··

Cuando_ un~ persona, co_n yé~igo posi_cional ca~bia.de Poskión, _loS cristales desplazados flotan hada-.· !os conductos semicirculares. ¿Por mareos? 4

Comp~re

los posiciona! y la enferniedad de MéniE!re._ Sobre-la baS~ ~e-loS Srrlt(jmas de Anant ¿qué trastorno cree (¡ue : tierle?

5 ¿Por qué la limitación en l? inge'sta -de sal {NaCO se sugiere como tratá;: miento para la enfermedad de Méniere?

6 ¿Por qué !a seccióri del nervio Vesti· . bu!ar aliviarla la_ enfermedad de Méniéré?

1

3n

Capítulo 10 Fislologfa sensitiva

Preguntas

pertor que requiere.aferendas sensitivas d~ ambos oídos y un análisiS sofisticado por parte del cerebro. (p. 353; Flg. 10.22)

~IESUMI:N [)!El CAPÍTULO Todos vivimos en el miSmo mundo, pero los diferentes animales perciben el mundo de rilodo diferente. Por ejemplo, los perros oyen sonidos que nosotros no podernos oír y los animales nocturnos tienen mejor visión nocturna que nosotros. Un animal puede percibir sólo aquellos: estímulos para los cuales tiene receptores sensitiVos. En este capitulo se exploraron los receptores sensitiVos del cuerpo humano y se aprendió cómo se deslg~ na cada tipo que nos pennite percibir los diferentes aspectos del mundo que nos rodea. A pesar de las características singulares de cada sentido, surgen patrones básicos de transducctón y percepción sensitivas. Las proteínas de la membrana en forma de canales tónicos o reo:ptores asociados a protelna G conVierten la energía química, mecánica, térmica y luminosa en seiiales eléctricas que pasan a lo largo de las neuronas sensitivas hasta los centros integradores del SNC. El encéfalo procesa y filtta las seilales entrantes, y a veces actúa sobre la infonnadón sensitiva s1n que la lnformadón alcance nunca el conodmiento consctente. Muchos de_ los reflejos viscerales que se estudiarán en los próximos capítulos son respuestas lnconsctentes a las aferendas sensitivas. 1. Los estímulos sensitivos están divididos en los sentidos especiales de visión, audidón, gusto, olfato y equilibriO, y Jos sentidos somáticos de tacto, temperatura, dolor, prurito y proplocepdón. {p. 328; cuadro 10.1)

Propif!dades generales de los sistemas sensitivos

1 ~

1 \

1

2. Las VÍas sensitivas comienzan con un estimulo que es conVertido por un reo:ptor en un potencial cléctrico. (p. 328) 3. Si cl EStimulo se encuentta por enCima del umbral, los potendales de acctón pasan de la neurona sensitiva hasta el S1stenla nervioso central. Nosotros tenemos condenda de algunos estímulos peto no de otros. (p. 329) 4. Los receptores sensitivos varían desde terminaciones nerviosas libres hasta terminaciones nerviosas encapsuladas y células re:eptoras espedalizadas. (p. 329; Fig. 10-1) 5. F.nsten cuatro tipos de receptores sensitivos clasj.fic;dos de acuerdo con estímulo al cual son m
14. La intensidad del estímulo está determinada por la cantidad de receptores activados y por la frecuencia de sus potendales de acdón. (p.

334; Fig. 10-7) . 15. Para los receptores tónicos, la neurona sensitiva dispara potendales de acdón mientras el potendal del receptor esté por endma del umbtal. Los receptores fáslcos responden a un cambio en la Intensidad del estúnulo pero se adaptan si la fuerza del estímulo se mantiene constante. (pp. 334-335; Flg. lQ.!I)

Sentidos somáticos 16. Existen cuatro modalidades somatosensitivas: tacto, propiocepclón, temperatura y nodcepdón. (p. 337} 17. Las neuronas sensitivas secundarlas cruzan la línea media de modo que un lado del cerebro procesa la lnfonnadón proveniente del lado opuesto del cuerpo. Los tractos sensitivos ascendentes terminan en la corteza 51)matosensitiva. (p. 337; Fig. 10-9, cuadro 10-3) 18. Existen varios tipos de receptores del tacto. Los receptores para temperatura sensan.calor y frío. (p. 339; Flg. 10..11, cuadro 104) 19. Los nodceptores sop. teonlnadones nerviosas Ubres que responden a estímulos químicos, mecánicos o térmicos que son percibidos como dolor y prurito. (p. 340) 20. Algunas respuestas a los estímulos Irritantes son reflejos espinales protectores. (p. 340) 21. El dolor rápido es transrnltldo rápidamente por fibras mlelinlcas pequet\as. .El dolor lento es transmitido por fibras amlelfnicas pequeñas. El dolor puede ser modulado por vfas descendentes "desde el encéfalo o por mec:anlsmos de compuerta en la médula espinal. (p. 341; F¡_g. 10..12, cuadro 10-5) 22. El dolor referido desde los órganos internos ocune cuando múltiples neuronas sensitivas prtmartas convergen en un único tracto ascendente. (p. 341; Fig. 10-13) .

Quimio"ecepdón: olfato y gusto 23. La quimiorrecepclón se divide en los sentidos especiales de olfato y

gusto. (p. 343) 24. Las células olfatorlas en la cavidad nasal son neuronas bipolares cuyas vías se proyectan directamente a la corteza olfatorta. Son las úni· cas neuronas del ruerpo que se dividen continuamente. (p. 343; Flg. 10.14) 25. los receptores odoriferos son proteínas de membrana aSociadas a proteína G. (p. 345) 26. El gusto es una comblnadón de cinco sensaCiones. dulce, ácido, salado, amargo y umami. (p. 345) 27. Las células gustativas son células no nwrales con proteínas de membza. na que !ntetactúan con ligandos gustativos. Fsta intezacdón ~ Wla señal de Ca2 rel="nofollow"> intracelular que desencadena la exodtosis de los neurotransmisores en la neurona sensitiva primaria. (p. 345; Figs. 10.15, 10-16)

El oído: la audición 28. La audición es nuestra percepción de la energía transmitida por las ondas sonoras. La transducdón del sonido convierte las ondas del al· re en Vibradones mecánicas, luego ondas de liquido, señales quím!· cas y finalmente potendales de acción. (p. 349; Fig. i0.19) 29. La cóclea del ol:do Interno contiene tres conductos paralelos llenos de liquido. El conducto coclear contiene el órgano de Cortl, que contiene a los receptores de las células ciliadas. (pp. 350, 352; Fig. 10..20) 30.-Cuando el sonido Indina los cillos de las células dliadas, las células se despolariZan y liberan neUrotransmisor en las neuronas sensitivas. (p. 353; Fig. 10.21) 31. El procesamiento inldal para tono, volumen y duración del sonido tiene lugar en la cóclea. la localizadón del sonido es una función su-

El oído: el equilibrio 32. El equilibrio está mediado por las células ciliadas en el aparato vestibular y los conductos semldrcu1ares del oído lntemo.la gravedad y la aceleradón propordonan la fuerza que mueve los cilios. (p. 355¡ Flgs. 10-23, 10.24, 10.25)

El ojo y la visión 33. La visión es la traducción en una imagen mental de la Iuz·ref!ejada. Los fotorreceptores de la retina traducen la. energía luminosa en una señal eléctrica que pasa a la corteza visual pata su procesamiento. (pp. 358-359; Flgs. 10-28, 10-29) 34. La cantidad de luz que entra en el ojo se altera modificando el tamaflo de la pupila. (p. 360) 35. Las ondas de luz son enfocadas por el crlstalino, cuya forma es ajusta· da por la contracdón o la relajadón del mfuculo dllar. (p. 362; Figs. 10.31; 10..32) 36. La luz es convertida en energía eléctrica por los fotoneceptores de la retina. Las señales atraviesan las neuronas bipolares hasta las células ganglionares, cuyos axones forman el nervio óptico. (p. 364; F¡g. 10-35)

373

37. La fóvea tiene la visión más aguda debido a sus campos perceptivos más pequeños. (p. 364; Fig, 10-36) 38. Los bastones son responsables de la Visíón nocturna monocromática. Los conos son responsables de la visión de alta agudeza y de la Visión de colores durante el día. (p. 366; Figs, 10-37, 10-38) 39. Los pigmentos ViSuales sensibles a la luz en los fotorreceptores convierten la energía luminosa en un cambio del potencial de membra· mt El pigmento visual en los bastones es rodopsina. Los conos tienen tres pigmentos visuales diferentes, (p. 367; Fig. 10.38) 40. La rodopslna está compuesta por opsina y retina!. En ausenda de luz, el retinal se lllle afustadamente a la opsina. (p. 367; Flgs. 10-37, 10.39) 41. Cllando la luz blanquea la rodopsina, se libera retina! y la transducina comienza una cascada de segundos mensajeros que hlperpolariza el bastón y libera menos neurotransmisor en las neuronas bipolares. (p. 368; Flg. 10·39) 42. Las señales pasan desde los fotorreceptores a través de neuronas bipolares a las células ganglionares, con moduladón por las células horl· rontales y las cél.ulas amacrlnas. (p. 365; Fig. 10-35) 43. Las células ganglionares llamadas células M transmiten infórmadón acerca del movimiento. Las células P ganglionares transmiten señales que se relacionan con la fonna y la textura de los objetos en el cam· po-(p.369) 44. la información proveniente de un lado del campo visual es procesada del lado opuesto del cerebro Los ob¡etos tridimensiOnales caen dentro de los campos visuales de ambos ojos. (pp. 369·370¡ Fig. 10-41)

PREGUNTAS (Véanse respuestlls en el apbuiice A.)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. ¿Cuál es cl papel de la división aferente del Sistema nervioso? 2. Defina proplocepcl6n. · 3. ¿Cuáles son los elementos comunes a todas las vías sensitivas? 4. Enumere y desoiba brevemente los cuatro tipos prlndpales de receptores somáticos sobre la base del tipo de estímulo al cual son más sen-

sibles. 5. Los receptores de cada neurona sensitiva prlmaria recogen información de un área especifica, conodda como e l - - - - 6. Reladone el .irea encefálica con la lnfonnadón sensitiva procesada allí: a) SOnidos 1. mesencéfalo b) olores 2. cerebro e) informadón visual 3. bulbo raquídeo d) gusto 4. cerebelo e) equilibrio 5. ninguno de !os anteriores . 7. La conversión de la energía del estímulo en un cambio del potencial de membrana se denomina . La forma de energía a la cual responde un receptor se denomina . El estf. mulo mlnlmo necesarlo para activar un receptor se CQilOO! como 8. Cuando la membrana de un receptor sensitivo se despolarlza (o se hiperpolariza en algunos casos), el cambio en el potencial de membrana se denomina potendal del . ¿ Se trata de un potenda! escalonado o de un potencial todo o nada? 9. Explique qué significa estímulo adecuado para un receptoL 10. La Organización de las regiones sensitivas en la el cerebro conserva la organiZación topográfica de los receptores sobre la piel, el ojo u .otras regiones, pero existen excepdon~ a esta regla. ¿Con qué dos sentidos el cerebro requiere comparar el momento de la activadón del re:eptot para determinar la loc:allzadón .del estímu· lo inicial? ll. ¿Qué es la lnhibidón lateral? 12. Defina re:eptores tónlcos y dé algunos ejemplos. Defina receptores fá. S!cos y dé algunos ejemplos. ¿CUál tipo se adapta? ¿De qué modo es ~ la adaptadón?

13. Cuando el dolor cardíaco se perdbe como s! viniese del cuello y descendlera por el brazo Izquierdo, se trata de un e¡emplo de dolor 14. ¿Cuáles son los cinco gustos básicos? 15. La unidad de medición de las ondas sonoras es el , que mide la frecuenda de ondas sonoras por segundo. El volumen es intensidad un sonido unaen~~dó~n;d~<~l~'~~~~~= de las ondasdesonoras y se es mide . Fl rango de audJ-. dón para el oído humano promedio es desde hasta - - - (unidades), con la audldón m
pupila

e) retina

1 1

374

Respuestas

Capítulo 10 Fisiología sensitiva

21. Los tres colores primariOS de la visión son , - - - - - - y - - - La luz blanca que contiene estos colores estimula los fotoueceptores llamados • La falta de capaddad para distinguir algunos rotores se denmnina 22. Mendone sei.s tipos de células que se encuentran en la retina y descrt· ba brevemente sus fundones.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 23. Compare y contraste lo siguiente: a) los stntidos especiales con los sentidos somáticos b) diferentes tipos de receptores del tacto en re!adón con estructura, tamaño y locallzadón <:) transmiSión de dolor localizado agudo con la transmisión de dolor sordo y difuso (mcluya los tipos de fibras particulares involucrados así oomo la presenda o ausenda de mielina en su explicadón) d) las formas de pérdlda audltiva 24. Dibuje tres receptores del tacto que tengan campos perceptivos super· .pueStos (véase Flg, 10-2-). Dibuje una neurona sensitiva primaria y serundaria para cada receptor de modo que tenga¡:¡ vías ascendentes separadas hasta la corteza, Utilice la informadón en su dibujo para responder esta pregunta: ¿Cuántas regiones diferentes de la piel puede dlstingulr el 001!bro utilizando las aferendas desde estos tres recepto-

"''

25. Describa las vías nerviosas que ronectan el dolor con malestar em(}> donal, náuseas y vómitos. 26. Trace las vías nerviosas involucradas en el olfato. ¿Qué es G
1

dul~/amargo/umam.i.

28. Coloque las siguientes estructuras en el orden en el que las·encontra· · rla una onda sonora: a) pabellón auricular, b) conducto codear, e) estribo, d) canales-fónicos, e) ventana oval, t) <:Bulas dliadas/estereod· !los, g} membrana timpánica, h) yunque, 1) conducto vestibular, j) martillo. 2-9. Realice un diagrama de las estructuras y los receptores del aparato vestibular para el equilibrio. Marque Jos componentes. Describa brevemente cómo funcionan para notificar al ruebro del movimiento. 30. Explique cómo ocurre la acomodadón por el o¡p. ¿Cómo se denoml· na la pérdida de acomodación? 31. Mencione cuatro problemas visuales y explique cómo ocurren. 32. Explique de qué modo se codifica la intensidad y la duración del estí· mulo para que pueda ser interpretado por el cerebro. (Recuerde, los potenciales de acr:ión son fenómenos todo o nada.)

33. Mapee los siguientes términos relaciona9os con la visión. Agregue otros términos silo desea. ~. . · reflejo de acomodación cristalino visión binocular melanina células bipolares opsina blanqueamiento qulasma óptico punto ciego fototransducdón músculo dliar reflejo pupilar conos retina profundidad de campo retina! campo de visión rodopsina punto fOtal bastones fóvea transdudna células ganglionares campo visual cuerpo geniculado zónula dllar 34. Realice un cuadro de los sentidos especiales. En la primera hllera, es· criba estos estúnulos: sonido, estar parado en la cubierta de un bateo que se mueve, luz, un gusto, un aroma. En la hilera 2, describa la!(}> <:alizadón del receptor para cada sentido. En la hilera 3, descrih\1. la estructura o las propiedades d.e cada t&eptor. En una hllera final, men· cione el/los nervlo/s aaneal/es que transmite/n cada sensación hasta el cerebro ( ~p. 303)

NiVEL 3: RESOLUGÓN DE PROBLEMAS 35. Usted le está pindtando con dos sondas de aguja el brazo a su compa· ñeia de laboratorio que tiene los ojos cubiertos. A veces, ella puede decir que está usando dos sondas, pero cuando toca áreas menos sensibles, piensa que hay sólo una. ¿Qué sentido está evaluando? ¿Qué receptores se están estimulando? Explique por qué ella a veces perd· be sólo una sonda. · 36. El consumo de alcohol deprime el slst:ema nervioso y el aparato vesti· bular. En un control de sobriedad, los oficiales de policía utilizan esta información para determinar si un individuo está ebrio, ¿Qué tipo de pruebas puede sugerir usted que evidenciaría esta lnhibidón? 37. Amenudo se lleva a los niños a la consulta médica por difio.dtades al hablar. Si usted fuera un médico, ¿qué sentido evaluaría primero en estos padentes y por qué? 38. Un médico hace brillar una luz en el ojo izquierdo de un padente y ninguna de las pupilas se contrae. Al hacer brillar la luz en el ojo d&. techo, obtiene un reflejo consensual nonnal. ¿Qué problema en la vía refleja podría explicar estas observadones~

RESPUESTAS

t/Respuestas a las preguntas de r~v!sión Página330 1. Los axones mielínloos tienen una Velocidad de conducctón más tápi· da que los axones amielinioos. 2. El pabellón auricular dirige el sonido al conducto audlttvo. 3. Longitud/tensión muscul;rr, propiorrecepctón = mecanorreceptor. Presión, Insuflación, distensión =mec:anorrecepctón. Osmolaridad = mecano~ón. Temperatura= temorrecepdón. Oxigeno, glucosa, pH "' quimionecepción. Página334 4. Los canales de J(• y los de ct en las neuronas A y C probablemente se

están abriendo y producen hiperpolarizadón. Página337

S. Las neuronas sensitivas señalan la liltensldad de un estímulo por la frecuencia con la cual disparan potenciales de acdón. 6. Los noclcéptores advierten al cuerpo sobre el peligro. Si fuera posible, el cuerpo debe responder de alguna forma que detenga el estímulo.

nodvo. Por lo tanto, es importante que las señales cOntinúen mientras el estímulo esté presente, lo que lndlca que los receptores deben ser tónicos y no fásfoos. Página342 7. La ventaja adaptativa de un ieflejo espinal es una reacción rápida. 8. b, a, e {véase cuadro 10-S). 9, Existen mudtos ejemplos, que incluyen receptores gustativos y receptores táctiles que se adaptan a la presión de las ~entas contra la p!cl. Página345

10. Célula olfatorla (primaria) -+ neurona secundarla en el bulbo olfat(}> Iio -t nervio aaneal I -+ corteza olfatorla en el lóbulo temporal. 11. Si usted necesita ayuda, utilice la figura 1(1..16 romo patrón básico pa· ra crear este mapa. 12. Las terminadones de las ctlulas olfatorlas fundonan como dendritas. 13. Las neuronas olfatorias son neuronas bipolares.

Páglna346 14. El umami se asocia con el azni!!oáddo glutam.ato.

1S. Célula gustativa -+ neurona sensitiva prim11ria a través de los nervios craneales VU, IX o X-+ bulbo raquídeo (slnapsis con neurona secundaria) -t tálamo-+ corteza gustativa en el lóbulo parietaL Página349 16. Un ldlohertz es 1000Hz, lo que significa 1 000 ondas por segundo. Página354 17. Siga la vía que se muestra en la figura 10-19, comenzando con las ondas sonoras en el conducto auditivo. Para la perdón que no está en

la Uustradón, su mapa debe mostrar el nervio codear que se dirige hada el nervio craneal VIII en el bulbo raquídeo. La vía prlndpal se di· rige hada el mesencéfalo, el tálamo y la corteza auditiva en el lóbulo temporaL Las vías colaterales se dirigen a la formación reticular en el tronco encefálico y hada el cerebelo. 18. La infurmadón somatosens.itiva se proyecta bada el hemisferio del re. tebro opuesto al lado del cuerpo en el cual se origina la sei'íal La localizadón del sonido es codificada de acuerdo con el tiempo en que Uega un estímulo a cada hemiSferio, de modo que es necesaria una sellal para ambos hemisferios. 19. Un implante rodear no ayudaría a los individuos ron sordera nerviosa o hlpoacusia de conducr:ión. Sólo puede ayudar a los individuos con hipoacusla neurosensor!al. Página357 2-0. La entrada de K• en las células dlladas produce despolarizadón.-

21. Cuando se acumula líquido en el oído interno, el tímpano no puede moverse libremente, de modo que no puede transmitir tan efidentemente el sonido a través de los huesos del oído medio. 22-. Cuando un bailarln fija la vista en un punto, la endolinfa en la ampolla se mueve ron cada rotadón cefállca pero luego se detiene a medi· da que el bailarín mantiene quieta su cabeza. Esto conduce a menos inerda que si la cabeza estuviera girando continuamente. Página359 2-3. El. humor acuoso sostiene la córnea y el cristalino. También lleva nu· trientes hada !a capa epitelial de la córnea, que no tiene irrlgadón, y elimina sus desechos. Página360

- 2-4. a) La vía sensitiva proveniente de un ojo diverge para activar las vías motoras para ambas pupilas. b) La vía aferente y su integradón deben estar fundonando porque existe una respuesta apropiada del lado derecho. La vía motora (eferente) hada el'ojo izquierdo no debe estar fundonando. 25. Éste es control por antagonistas. Páglna363 2-6. Una córnea más curva hace que los rayos de luz converjan de una for·

375

ma aguda. Esto hace que el punto focal ca1ga delante de la retina, de modo que la persona será miope. Página364

2-7. El tnpetum Iuddum refleja la luz, lo que aumenta la cantidad de luz que golpea los fotoueceptores. 28. Tanto en la retina como en la piel, la disoiminaclón más fina ocurre en la región con campos visuales o perceptivos más pequeños. 29. El daño de la mácula, que rodea a la fóvea, conduce a una pérdida de visión en la perdón central del campo visual. La visión periférica se mantiene inalterada. Página367

· 30. Nuestra viSión en !a oscuridad es en blanco y negro porque só)o los bastones (visión en blanco y negro) y no los conos (visión de colores), son lo sufidentemente sensibles como para ser estimulados por nive. les tan bajos de l~U:. Página368

31. Utilice la información de la figura 1(1..39 para crear su mapa.

Respuestas a las preguntas de figuras y gráficos Página344 Figura 1(1..14: Un ejemplo de ronvergenda es múltiples neuronas que hacen s!napsis sobre una únlca neurona.

Páglna349 Figura 1(1..18: El gráfico (1) muestra ondas a 20Hz (S ondas en el interva-

lo de 0,25 s que se muestra significa 2-0 ondas en 1 minuto). El gráfico (2-) muestra ondas a 32-Hz. Las ondas en (1) tienen el tono más bajo porque tienen menor frecuencia. Páglna3S9

Flgura 1(1..28: En esta fotografía se muestra el ojo derecho. Páglna363 Figura ¡(1..33: 1) Las lentes convexas enfocan un haz de luz y las lentes cóncavas dispersan un haz de luz que las atraviesa. 2) En la hipermetro· pia, el punto focal se ubica por detrás de la retina¡ una lente convexa acorta la longitud focal, de modo que el punto focal es mueve hada la retina.

En la miopía, el punto focal se ubica por delante de la retina; una lente cóncava aumenta la longitud focal y mueve el punto focal hada la retina. Página36S

figura 10-3S: Seis bastones convergen sobre la c:élula ganglionar. Página367 . Figura 10-38: El pigmento en los conos rojos absorbe luz sobre el espectro más amplio,. los conos azules sobre el más estrecho. A 500 nm, los pig· mentos en los conos azules y verdes absorben !a luz por Igual.

1

la división autónoma

377

En este capítulo se iniciará el estudio de la división eferente de! SNP mediante el análisis de la división autónoma. Luego, se tratará la división motora somática, como preparación para el estudio de los músculos en el capítulo 12.

LA DIVISIÓN AUTÓNOMA La división autónoma del sistema nervioso eferente (o sistema nervioso aut6nomo) también era denominada en los textos antiguos sistema nervioso vegetativo, lo que refleja la observación de que su funcionamiento no está bajo el control de la voluntad. La palabra aut6uomo significa autogobei1UJdO. Otro de los nombres

División eferente: control motor autónomo y somático La división autónoma 378 Los reflejos autónomos son importantes para la homeostasis 379 El control antagonista es una característica distintiva de la división autónoma

379 las vías autónomas poseen dos neuronas eferentes eñ serie 381 Las divisiones simpática y parasimpátlca salen de la médula espinal en regiones diferentes 382 E! sistema nervioso autónomo utiliza diversos neurotransmisores y moduladores 382 Las vías autónomas regulan la actividad de !os músculos liso y cardíaco, de las glándulas y de los tejidos adiposo y linfático

·

383 Los neurotransmisores autónomos se sintetizan en el axón 383 La mayoría de las vfas simpáticas secretan noradrenalina sobre Jos receptores adrenérgicos 385 La médula suprarrenal secreta catecolaminas 386 las vías parasimpáticas secretan acetilcolina sobre los receptores muscarinicos 386 los agonistas y Jos antagonistas autónomos son herramientas importantes para la investigación y la medicina 387 Los trastornos primarios del sistema nervioso autónomo son poco frecuentes 389 Resumen de las divisiones simpática y paraslmpática

-La división motora somática 389 Una vía motora somática está formada por una sola neurona 390 la unión neuromuscular contiene receptores nkotínicos

-RecePt~res· _de_' m:e_~bran_a: -1_37; -_-Neúroúiih~~~Sor~_s:· 2_44;· ._ Siste~as·d~- se_9ul1d0- ~

Regulación p-or increin_Emto Y_ por .dismiQúdón:_ 43: _._!::ontr~l-~~hicO: Y·añ~~g_on_!st_a;_ :1-~z_: .S~/<'_;~~:-:./?.~.:;,.;::¿,;: · Qr_ga:nizadón del .sistema nerviosó: 245; _-_Estructura ~~_Ja_:ne_or?ná:.-~6;':-s_ínaPsis::~49; :.N~~~o~:-~?i~' -'"-:,_ '-_:::;_;:;-~--_'.-'>,· · POteildales.de_acdón:-257; -Potenciales_Siná¡:)ti_co~·¡e_nt0s:.i77,- ·' · - - -- - · · _.,_ '-

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El almuerzo campestre fue maravilloso. Luego usted duerme una siesta sobre la hierba bajo un cálido sol primaveral mientras hace la digestión. De repente, siente algo que se mueve sobre su pierna. Abre los ojos y cuando ellos logran adaptarse a la brillante luz puede ver a una serpiente de 1,20 m de longitud deslizán. dose sobre su pierna. Más por instinto que por razonamiento, arroja la serpiente a la grama mientras se trepa a la mesa más cer· cana para alcanzar un sitio seguro. Apenas puede respirar y su corazón late con fuerza. En menos de un segundo su cuerpo pasó de un estado de re· poso y digestión tranquilos a uno de pánico y actividad frenética. Esta reacdón refleja se integra y coordina a través del sistema ner· vioso central (SNC) y luego es transportada por la división eferen· te del sistema nervioso periférico (SNP). En conjunto, las fibras de las neuronas eferentes forman paquetes dentro de los nervios que transportan las órdenes del SNC a los músculos y glándulas del cuerpo. Algunos nervios, denominados nervios mixtos, también transportan informadón sensitiva por sus ramos aferentes {~p. 328). La división eferente del sistema nervioso periférico puede subdividirse en neuronas motoras somáticas, que controlan a los músculos esqueléticos, y neuronas autónomas, que regulan la ac· tividad del músculo liso, el músculo cardíaco, numerosas glándulas y parte del tejido adiposo. Alas divisiones somática y autónoma a veces se las denomina divisiones voluntaria e involuntaria del sistema nervioso, respectivamente. Sin embargo, aunque es verdad que el movimiento regulado por las vías somáticas suele ser consciente y que los reflejos autónomos son involuntarios, esta diferenctadón no siempre es totalmente correcta. Por ejemplo, algunos reflejos en los que participan los músculos esqueléticos, como el reflejo deglutoñoo el rotuliano, son involuntarios. Yuna persona puede entrenarse con técnicas de retroalimentadón (bio.. feedback) para aprender a regular algunas fundones autónomas involuntarias, como la frecuencia cardíaca y la pr~ón arterial.

que tiene la división autónoma es sistema nervioso visceral debido a su control sobre órganos internos. El sistema nervioso autónomo se subdivide en las dhisil)nes simpática y parasimpática (con frecuenda denominadas Sistema nervioso simpático y parasimpático). Algunas partes de la división simpática fueron descritas por primera vez por el médico griego Claudia Galeno (130-200 d. C.), famoso por su recopilación sobre anatomía, fisiología y medicina como eran conocidas en su época. Como resultado de sus disecciones, Galeno propuso que "el espíritu animal" fluye desde el cerebro hacia los tejidos través de nervios huecos y crea "simpatía" entre las diversas partes del cuerpo. La "simpatía" de Galeno dio origen más tarde al nombre de la división simpática. El prefijo para·, de la división parasimpática, significa j1mto a o alfado de. Aunque las divisiones simpática y parasimpática pueden distinguirse anatómicamente, no existe una manera simple de separar las acciones de las dos ramas sobre sus órganos diana. La mejor generalización es caracterizarlas de acuerdo con el tipo de si· tuadón en las que son más activas. La escena del almuerzo campestre que dio inicio a este capítulo ilustra los dos extremos en los que funcionan las divisiones simpática y parasimpática. Si usted está reposando tranquilamente después de una comida, la divi· sión parasimpática es la que domina y toma el mando de las actividades tranquilas y rutinarias de la vida diaria, como la diges· tión. Es por esto que a veces se dice que las neuronas parasimpá· ticas controlan "el reposo y la digestión''. En cambio, la división simpática controla en las situaciones de estrés, como la del riesgo potencial que implica la serpiente. Uno de los ejemplos más claros de la acción simpática es la respuesta de lucha o huida, en la que el cerebro libera una descarga simpá· tica masiva y simultánea a todo el cuerpo. Cuando el cuerpo se prepara para luchar o huir el corazón se acelera, los vasos sanguí· neos de los músculos de los miembros, tanto superiores como in· feñores, y del corazón se dilatan y el hígado comienza a produdr glucosa para proveer energía para la contracdón muscular. La digestión pierde importancia cuando la vida y una extremidad es. tán en peligro y, por lo tanto, la sangre se desvía desde el aparato digestivo a los músculos esqueléticos. La descarga simpática masiva que se produce en las situaciones de lucha o huida es mediada por el hipotálamo y es una respuesta de todo el cuerpo a la crisis. Si alguna vez se asustó por el chillido de los frenos de un auto o por un ruido repentino en la oscuridad, sabe con qué rapidez el sistema nervioso puede influir sobre los diversos sistemas y aparatos del cuerpo. Sin embargo, la mayoría de las respuestas simpáticas no son generalizadas como

a

378

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático la homeostasis es un equilibrio

dinámico entre las ramas autónomas.

la división autónoma

379

.

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Aferer.c~

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Receptores hlpotalám.Ws.

Neurona preganglionar

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Neuronas sensitivas somáticasyviscerales .

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Las vías autónomas constan de dos neuronas que hacen sínapsís en un ganglio autónomo.

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Neurona posganglionar

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Ganglio autónomo

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Tejido efector

mFIGURA 11-4 Vias autónomas

rn FIGURA 11·1 Papel de las divisiones autónomas en la homeostasis la división parasimpática es la que domina la mayoría de las funciones de reposo y digestión. la división simpática domina !as situaciones de lucha y huida. La mayoría de las actividades normales muestran un equilibrio entre las dos divisiones.

el reflejo de lucha o huida y, lo que es más importante, la. activadón de una vía simpática no activa en forma automática todas las otras. El papel del sistema nervioso simpático en las actividades diarias comunes es 1!W importante como la respuesta de lucha o huida. Por ejemplo, Una de las funciones fundamentales de la división simpática es controlar el flujo sanguíneo hacia los tejidos, como se explicó en el capítulo 15. La mayor parte del tiempo, el c.ontrol autónomo de las funciones corporales va y viene entre las divisiones simpática y parasimpática {Fig. 11-lffi) que_ cooperan para ajustar varios procesos_. Sólo en ocasiones, como en el ejemplo de !í). respuesta de lucha o huida, toma-el mando completo una de las ramas. REVISIÓN ' -1. ¿Cuáles son !os dos componentes de la división aferente del sistema nervioso? 2. El sistema nérvioso central está compuesto por el _ _ _ _ y el _ _ _ _. Respuestas en la p. 395

r-- ----;----¡

-~·

ül FIGURA 11-2 El hipotálamor la

protuberanda y el bulbo raqufdeo generan las respuestas autónoma, endocrina y conduáual

Las hormonas tróficas hipotalámkas controlan la secreción de las hormonas del lóbulo anterior de la glándula hipófisis(~ p. 226), Através del lóbulo porterior de erta glándula e.! hipotálamo secreta neurohormonas (g¡fp. 226).las neuronas autónomas también regulan la liberación de hormonas producidas por las células endocrinas periféricas, como las células beta del páncreas_ ( ifii! p. 224). Las respuestas emocionales mediadas por el sirtema llmbko pueden influir sobre las respuestas autónomas (!i! p. 308).

Los reflejos autónomos son importantes para la homeostasis El sistema nervioso autónomo interactúa en forma estrecha con el sistema endocrino y el sistema conductual ( ~ p. 312) para mantener la homeostasis corporal. La información ·sensitiva proveniente de los re<:eptores viscerales y somatosensitivos se dirige hada los centros de control homeostático localizados en el hipotálamo, la protuberancia y el bulbo raquídeo (Fig. 11-2M). Estos centros controlan y regulan funciones importantes tales como la presión arterial, la temperatura y el equilibrio hídrico (F'Ig. 11-3m!). Fl hipotálamo también contiene neuronas que actúan como sensores, como los osmorreceptores que regisfran la osmolaridad y los termorreceptores que controlan la temperatura corporal. Las eferencias motoras proveníentes del hipotálamo y del tronco encefálico crean respuestas autóp.omas, endocrinas y conductuales como beber, buscar alimentos y regular la temperatura (salir de ambientes calurosos, ponerse un abrigo). Las respuestas conductuales son integradas en los centros cerebrales responsables de las conductas motivadas y del control del movi· miento. Además, la información sensitiva integrada en la corteza cerebral y en el sistema límbico pueden crear emociones que influyen en la eferencia autónoma, como muestra la figura 11-2. Ruborizarse, desvanecerse al ver una aguja hipodénnica y sentir "mari-

121 FIGURA 11·3

Centros encefálicos de control autónomo

posas en el estómago~ son todos ejemplos de la influencia de las emociones sobre las fun.ciones autónomas. Comprender la regulación autónoma y hormonal de los sistemas orgánicos es fundamental para entender cómo se mantiene la homeostasis en cada sistema y aparato. Algunos reflejos autónomos pueden producirse sin participación del cerebro. Estos refle¡os espinales ( ~Fig. 9.8) incluyen la micción, la defecación y la erección peniana, funciones corporales que pueden ser influidas por las vías descendentes que provienen del cerebro pero que no requieren esta aferencia para producirse. Por ejemplo, las personas con lesiones medulares que interrumpen la comunicación entre el cerebro y la médula esp$flal pueden mantener algunos reflejos espinales pero pierden la capacidad de percibirlos o controlarlos.

El control antagonista es una característica distintiva de la división autónoma Las divisiones simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo muestran las cuatro propiedades de la homeostasis de Walter Cannon: 1) conservación del rq.edio interno, 2) regulación por incremento y por disminución mediante control tónico, 3) control antagonista y 4) señales químicas con diversos efectos en diferentes tejidos { i!Jp. 142). La mayoría de los órganos internos se encuentran bajo control antagonista, en el que una de las ramas autónomas es exdtatoria y la otra es inhibitoria (véase el cuadro en la Fig. 11-5). Por ejemplo, la inervación simpática aumenta la frecuencia cardíaca mientras que la parasimpática la disminuye. En consecuencia, la fre-

cuencia cardíaca puede ser regulada modificando las proporciones relativas del control simpático y parasimpático. Las excepciones a la inervación antagonista dual incluyen a las glándulas sudoríparas y al músculo 'liso de la mayoría de los vasos sanguíneos. Estos tejidos son inervados sólo por la división simpática y dependen sólo de su control tónico (alza o baja). Aunque las dos ramas autónomas suelen ser antagonistas en reladón con el control de un tejido determinado, a ~ actúan en forma cOOtdinada sobre diferentes tejidos para lograr un objetivo común. Por ejemplo, el flujo sanguíneo necesario para que se produzca la erección peniana se encuentra bajo el control de la división parasimpática y la contracción muscular que se requiere para la eyaculación d~ espenl!il está regulada por la división simpática. En algunas vías autónomas, el receptor para los netl!Otransmisores determina la respuesta del órgano diana. Por ejemplo, la mayoría de los vasos sanguíneos contienen un tipo de receptor rulrenérgico { ii!p. 276) que produce la contracción del músculo liso (vasoconstrtcdón). Sin embargo, algunos vasos también contienen un segundo tipo de receptor adrenérgico que hace que el músculo liso se relaje (vasodilatadón). Ambos receptores son activados por las catecolaminas ( i!p. 222). En este ejemplo, el re. ceptor, no la señal química, determina la respuesta. ·

ISIÓN 3. Defina homeostasis. Respuesta en Ja p. 395

Las vías autónomas poseen dos neuronas eferentes en serie Todas las vías autónomas (simpática y parasimpática) constan de dos neuronas en señe (Fig. 11-4 m). La primera neurona, denominada neurona preganglionar, se origina en el sistema nervioso central y se proyecta hacia el ganglio autónomo localizado fuera del SNC. Ahi, la neurona preganglionar hace sinapsis con la segunda neurona de la vía, la neurona posganglionar. Esta neurona tiene su cuerpo dentro del ganglio y proyecta su axón h~cia el tejido diana. (Un ganglio es un conjunto de cuerpos de células nerviosas que se encuentra fuera del SNC. El equivalente en el SNC es un mícleo [ ~P- 250].) La divergenda (m p. 278) es una característica importante de las vías autónomas. En promedio, una neurona preganglionar

380

La división autónoma

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

Pupila

Constricción

Glándulas salivales Secreción salival

1OO.t>ción

o

1yenzimáticamu~ s-ióa

oyf',

Aumenta la fre.

!',

""""""

Bradicardia

"""""" """'

-

Constricción Dilatación

a !',

Pulmones

Constricción de Jos bronquiolos

Dilatación de los bronquiolos

!',»

Aparato digestivo

Aumento de la motilidadyla """'ón

Disminución de la Secreción enzimática

a,f',

Páncreas exocrina

Incremento de la secreción enzimática

Disminución de lamotilidady la Secreción

a

cuenda cardíaca

y la fuerza de contracción

Páncreas endocrino Es!imuladón de la Wübición de la secreción de insulina secreción de insulina Secreción de caterolaminas

Riñón

-

Incremento de la secreción de renina

!',

Vejiga~

Excrecióndeorina

Retenciqn urinaria

a,f',

Tejido adiposo

-

Upólisis

p

Sudoración localizada

a

Gónadas masculinas y femeninas

Ere
Eyaculación

a

Útero

Depende de la etapa de! ciclo

Depende de la etapa ®1- ciclo

a,p,

Tejido linfálico {no ilustrado)

-

Por lo general es inhibitoria

a,p,

"Sólo a:!renali!lahomwnal

PREGUNTAS 1. Menclone las divisiones del SNC en las que se originan las dos ramas. 2. Describa dónde se localizan tos gangl!os de !as dos ramas (en relación con !a

médula espinal). 3. ¿Cuál es la venta}
a

-

Glándulas sudorípa-

REfERENCIAS (1}---{

Parasimpátioo

o----< Simpático

il'l FIGURA 11~5 Vías autónomas simpática y parasimpáfíca

Existen dos cadenas ganglionares simpáticas, una a cada lado de la médula espinal.

Bulbo

""'vlJJ:/ j~ ~

Nervio

vago

1

\

Las divisiones simpática y parasimpática salen de la médula espinal en regiones diferentes

MédW. ruprureruú

"'

que ingresa en un ganglio hace sinapsis con ocho o nueve neuronas posgangllonares. jAlgunas lo hacen hasta con 32 neuronas! Cada neurona posganglionar puede entone('.$ inervar diferentes tejidos, lo que significa que una única señal proveniente del SNC puede afectar a gran cantidad de células diana en forma simultánea. En la visión tradicional <;le la divisióil. autónoma, los ganglios autónomos eran sólo una eStación de paso para la transteréncta de señales desde las neuronas preganglionares hada las posganglionares. Ahora se sabe que los ganglios son más que una simple colección de tenninales axónicas y cuerpos de células nerviosas: también contienen intemeuronas que se encuentran completamente dentro de ellos. Estas intemeuronas permiten que los ganglios autónomos actúen como pequeños centros integradores, que reciben las aferendas sensitivas desde la periferia del cuerpo y modulan la salida de señ.ales autónomas hada los tejidos diana. Se cree que está disposición permite que un reflejo pueda ser integrado en forma completa dentl:o de un ganglio, sin participación del SNC. Se sabe que ese patrón de regulación existe en el sistema nervioso entérico ( §i! p. 246), que se analizará en el capítulo 21.

331

Entonces, ¿en qué se diferencian las dos ramas autónomas desde el punto de vista anatómico? Las principales diferencias son 1) el sitio en el que se originan dentro del SNC y 2) la localización de los ganglios autónomos. Como muestra la figma 11-S · 0, la mayoría de las vías simpáticas (en color rojo) se originan en las regiones torácica y lumbar de la médula esplnal. Los ganglios simpáticos se encuentran principalmente en dos cadenas que conen a cada lado de la columna vertebral, con ganglios adicionales a lo largo de la aorta descendente. De estos ganglios salen nervios largos (axones de las neuronas posganglionares) que se. dirigen hada los tejidos diana. Debido a que la mayoría de los ganglios simpáticos se ubican cerca de la médula espinal, las vías simpáticas por lo general tienen neuronas preganglionares co~ y · delgado neuronas posganglionares largas. IO
1

382

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

la división autónoma

Axón de una Las vías simpáticas usan acetilcolina y noradrenalina.

Las vias parasimpatlcas

usan aceti!poiina.

inglés) se encuentran- éÍl JodO el SNC. ~os-investigadores creen que en_Ciertas regiones éf(¡¡ Úrébr_O ~S:tos ré<:_e¡Jtotes ¡Ju-i;!den deseniPen~r un papel fundamental en la adicción~ lci nicotina.

Pregunta 2: Los receptores co!iilérgícos Se clasifican en nicotinlcos y muscarlnlcoS:5e?tún las moléailas agonistas (¡ue unén a ellos. _¿Q~é_ i~ ~fiCetJe a. til célula- PDstsiiJáp~ca- cUando, én ·lugar_de

se

ACh, uña ~olécula de.nicotina se une con el receptor colinérg;co A nlco!fn;co1 . ) . ·

PREGUNTAS • Identificar !as: • neuronas colinérgicas • neuronas adrenérgicas • neuronas preganglionares

• neuronas posgangUonares • ¿Cuál de !as vías tendrá las neuronas pregan_glionares más largas? (Su9{lrencia: véase la F¡g. 11·5)

8 FIGURA 11-7 Las vías s{mpática y parasimpática las vías autónomas constan de dos neuronas-en serie. las vías simpática y parasimpática se diferencian por sus neurotransmisores y sus receptores. REVISIÓN ·.{ Se dice que un nervio que transporta tanto información sensitiva como ¡notora es un ner-vio'::;:=-;::-cc::::---c--c 5. Nombre las cuatro regiones de la médula espinal en orden y comience desde e! tronco encefálico. Respuestas en la p. 395

Ef sistema nervioso autónomo utiliza diversos neurotransmisores y moc!uladores Desde el punto de vista químico, las divisiones simpática y parasimpática se pueden diferenciar por ~us neurotransmisores y sus recepto~ si se utilizan las reglas siguientes (Fig. 11-7 Gl): 1. I.as neuronas preganglionares tanto simpáticas como parasimpáticas liberan acetilcolina (ACh) en los receptores roli-

nérgicos nicotfnicos que se encuenl:!an en las células posganglionares (~p. 275). 2. La mayoría de las neuronas simpáticas posganglionares secretan noradrenalina en los receptores adrenérgicos que se encuentran en las células diana. 3. La mayoría 9e las neuronas parasimpáticas posganglionares secretan acetilcolina en los receptores colinérgicos muscarínicos localizados en las células diana. Pero existen algunas_excepdones para estas reglas. Unas pocas neuronas posganglionares simpáticas, tal como las que terminan en las glándulas sudoríparas, secretan tanto ACh como noradrenalina. Por lo tanto, estas neuronas se denominan neuronas sím-

páticas.colinérgicas. Una pequeña cantidad de neuronas autónomas no secretan ni noradrenalina ni acetilcolina y se las conoce como neuronas no adrenérgicas no rolinérgicas. Algunas de las sustancias químicas que utilizan como neurotransmisores son sustancia P, somatostatina, péptido intestinal vasoactivo (VIP, por su sigla eñ. inglés), adenosina, óxido nítrico y ATP. Estos neurotransmisores poco comunes se analizarán en capítulos posteriores, en el análisis de los sitios en que desempeñan un papel importante. I.as neuronas no adrenérgicas no colinérgicas pertenecen a la división simpática o a la parasimpática según el sitio en el que sus fibras preganglionares salen del nervio. --------. ---·~-.

Las vías autónomas regulan la actividad de los músculos liso y cardíaco, de las glándulas y de los tejidos adiposo y linfático Los tejidos diana de las neuronas autónomas son el músculo liso, el músculo cardíaco, varias glándulas exocrinas, algunas glándulas endocrinas, los tejidos linfoideos y una parte del tejido adiposo. La sinapsis entr<: una neurona autónoma posganglionar y su célula diana se denomina unión neuroefectora. La estructura de una sínapsis autónoma difiere del modelo mostrado en la figura 8-20. Los axones posganglionares autónomos terminan con una serie de áreas abultadas, similares a cuen·

ID FIGURA 11-8 Varicosidades en las neuronas autónomas

Estas dilataciones, que se encuentran a lo largo del extremo dista! de los axones posganglionares, liberan neurotransmisores sobre !a superficie de las células diana tasa lo largo de una cuerda (Fig. l1·8 m). Cada una de esas dilatadones, conocidas como varicosidades (varicoso, anormalmen. te dilatado), contiene vesículas llenas de neurotransmisores. Las vías parasimpáticas finalizan con terminales axónicos o botones terminales, que también liberan neurotransmisores. Los extremos del axón se ramifican y yacen sobre la superfiCie del tejido efector pero la membrana de la célula diana subyacente no tiene receptores para los neurotransmisores agrupados en sitios especificas. En lugar de esto, los neurotransmisores se liberan dentro del liquido intmtictal para que difundan hada cualquier sitio en el que estén los receptores. El resultado es una forma de comunicaCión menos dirigida que la que se produce entre una neurona motora somática y un músculo esquelético. La liberaCión difusa del neurotransmisor autónomo implica que una .única neurona posgangliona:r puede afectar un área de tejido diana grande. La liberación de los neurotransmisores autónomos tiene diversas formas de modulación. Por ejemplo, las varicosidildes simpáticas contienen receptores para hormonas y para sustandas paracrinas como la histamina. Estos moduladores pueden tanto in· dud! la liberación del neurotransmisor como inhibida. Algunas neuronas preganglionares secretan neuropéptidos junto con la acetilcolina. Los péptidos actúan como neuromoduladores, lo que produce potendales sinápticos lentos que modifican la actividad de las neuronas posganglionares ( §¡l' p. 277).

Los neurotransmisores autónomos se sintetizan en el axón En la división autónoma la síntesis de neurotransmisores se lleva a; cabo en las varicosidades axónicas. Los prindpales neuro-

383

transmisores son la acetUcolina (ACh) y la noradrenalina, que son moléculas pequeñas sintetizadas con facilidad por las enzimas dtoplasmáticas. Los neurotransmisores fabricados en las varicosidades se almacenan dentro de las vesículas sinápticas. El proceso de liberación de neurotransmisores sigue el mismo patrón que se analizó en el capítulo 8 (~p. 270). Cuando un potendal de acción llega a la varicosidad, los canales de Ca2+ regulados por voltaje se abren, el calcio ingresa a la neurona y se libera el contenido de las vesículas sinápticas mediante exocitosis. Una vez que se liberan los neurotransmisores hada la sinapsis, pueden difundir a través del liquido interstidal hasta encontrar un receptor localizado sobre una célula diana o salir del espado sináptico. La concentración del neurotransmisor en la sinapsis es el principal factor de control que ejerce una neurona autónoma spbre su efector. Cuanto mayor sea la cantidad de neurotransmisor, más du· radera o intensa será la respuesta. La veloddad de degradadón o de eliminadón del neurotransmisor en la sinapsis influye sobre su concentración. La activaCión de un receptor por su neurotransmisor finaliza cuando éste 1) difunde fuera del espado sináptico, 2) es metabolízado por enzimas en el líquido extracelular o 3) ingresa a las células que rodean a la sinapsis mediante transporte activo. La recaptadón del neurotransmisor por las vartcosidades permite que las neuronas utilicen de nuevo estas sustancias químicas. En la figura 8--22se muestran estas etapas del metabolismo de la aceti.lcolina y en la figura 11-9 mse observan las del metabolismo de la noradrenalina. Este neurotransmisor se sintetiza en la varicosidad a partir del aminoácido fuosina. Una vez liberada en la sinapsis, la noradrenalina puede combinarse con un receptor adrenérglco localizado en la célula diana, difundir fuera de espa. cio sináptico o ser transportada de nuevo hacia el interior de la varicosidad. Dentro de la neurona, la noradrenalina reCiclada puede ser almacenada de nuevo dentro de las vesículas-o metabolizada por Ia monoaminooxidasa (MAO), la prindpal enzima encargada de la degradadón de las catecolaminas. El cuadro 11-1 mcompara las catacteristicas de los dos neurotransmisores autónomos principales.

La mayoría de las vías simpáticas secretan noradrenalina sobre los receptores adrenérgicos I.as vías simpáticas secretan catecolaminas que se unen con los receptores ádrenérgicos de las células efectoras. Estos receptores son de dos tipos, los a (alfa) y los~ (beta), y cada uno de ellos tienen varios subtipos. Los receptores alfa (el tipo más común de receptor adrenérgico) responden enérgicamente a la noÍadrenalina y sólo un poco a la adrenalina (cuadro 11-2m). Los tres principales subtipos de receptor beta difieren entre sí por su afinidad por las catecolaminas. Los receptores ~ responden con la misma intensidad al estímulo de la noradrenalina y de la adrenalina. Los receptores flz son más sensibles a la adrenalina que a la noradrenalina. Es interesante destacar que los receptores ~2 no están inervados (ninguna neurona simpática termina cerca de ellos), lo que limita su exposición a la noradrenalina. Los receptores P3, que se encuentran sobre todo en el tejido adiposo, están inervados y son más sensibles a la noradrenalina que a la adrenalina.

1

384

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

la división autónoma

385

~~=;~-:cclór]l!ega ¡ a la varl~~~-<. __ _

®Ladespol~c:

abre los

J canales ~~C::~-~u!ados por voltaje.

Axón'

¡----~~···

La entrada de C
la actlvaclón del receptor finaliza cuando _la NA difunde hacia afuera del espacio sináptfco.

----

~~:;.:~enuevo ~~~~~Óil• . ¡::::==:::::.: La NA puede ser recaptada por las

vesícu!as sináp!icas para ser liberada de nuevo, o

la monoaminooxidasa (MAO) es la enzima que metabolita a la NA.

NA {ooradrenalina)

¡¡;¡FIGURA 11·9 '!beradón

de noradrenalina en la varicosidad de una neurona simpática

Todos los receptores adrenérgicos son receptores asociados a la proteína Gy no canales iónicos (~p. 183). Esto significa que la respuesta de la célula efectora demora más en comenzar y suele ser más prolongada. Los diversos subtipos de receptotes adrenérgicos usan diferentes segundos mensajeros (cuadro ll· 2). Al uriirse con los receptores ~. las catecolamtnas aumentan el AMP áclico y desencadenan la fosfortlactón de las proteínas celulares. La respuesta de la célula efectora depende entonces de la vía específica que siga. Por ejemplo,la actlvadón de los receptores ~ 1 intensifica la contzacctón del músculo cardíaco pero la activación de los receptores P2 relaja el músculo liso de nU!IletO· sos tejidos. Los receptores a¡ activan a la fosfolipasa C y producen inosi~ toltrifosfato (IPJ y diactlglicerol (DAG) (11m~· 6-12). El DAG ini·

da una cascada que fosforila las proteínas. El IP3 abre los canáles de Ca2+ y de esta manera crea señales de Ca2+ intracelular. En general la activadón de los receptores a¡ genera contraccíón mus· cular o secreción por exodtosis. Los receptores ~ disminuyen el AMP cícl1co y producen relaj~¡;Ión del músculo liso (en el aparato digestivo) o disminución de la secreciÓn (en el páncr&s). En todos los receptores adrenérgicos, la actividad del segundo IÍI.ensajero dentro de la célula efectora puede persistir por un tiempo más prolongado que el que suele asociarse coilla acción rápida del sistema nervioso. Los efectos metabólicos prolongados de algunas vías autónomas son el.resultado de la modificación de proteínas ya existentes o de la síntesis de proteínas nuevas. En los próximos capítulos se analizarán los '#"ectos específicos de las catecolamtnas sobre los diversos tejidos.

RECEPTOR

SE ENCUENTRA EN

SENSIBIUDAD

EFECTO SOBRE EL SEGUNDO MENSAJERO

a1

la mayorfa de Jos tejidos efeqores simpáticos

NA> Adr"

Activa a la fosfollpasa e

~

el aparato gastrointestinal y el páncreas

NA> Adr

Disminuye el cAMP

~.

el músculo cardiaco, el riñón

NA"' Adr

Aumenta el cAMP

11,

ciertos vasos sangufneos y el músculo liso de algunos órganos

Adr >NA

Disminuye el cAMP

11J

el tejido adiposo

NA> Adr

Aumenta el cAMP

* NA= nnradrenallna; Adr = adrenalina.

RENISIÓN ¿En qué orgánulo se almacena la mayor parte del Ca2+ intracelular? 7. a) ¿Qué enzima convierte el ATP en cAMP? b) ¿Cuál de ellas activa el cAMP? ( ii!!l Fig. G-11)

Respuestas en la p. 395

La médula suprarrenal secreta catecolaminas La médula suprarrenal (Supra encima de; renal, relativo al riñón) es un tejido neuroendocrino especializado asociado con el sistema nervioso simpático. Durante el desarrollo, el tejido neu-

ral destinado a secretar las catecolaminas noradrenalina y adrenalina se divide en dos entidades funcionales: la división simpática del sistema nervíoso, que secreta noradrenalina, y la médula SU·~ prarrenal, que secreta principalmente adrenalina. La médula suprarrenal forma el núcleo central de las glándulas supramnales, ubicadas encima de los riñones {Fig. ll-10 m), eo. mo la glándula hipófisis, cada glándula suprarrenal está formada en realidad por dos glándulas con un origen embriológico diferente que se fusionan durante el desarrollo (Fig, 11-lOb). La porción externa, llamada corteza Sf!prammal, es una verdadera glándula endocrina de origen epidérmico que secreta hormonas este.

(b)

la célula cromafín es una neurona sangufneo {e)

Neurotransmisor

Norádrena!ina

Acetikolina (ACh)

Tipos de receptores

Adrenérgicos a y ~

Colinérgicos niootlnicosy mUS<:arlnicos

Sintetizado a partir de

Tirosina

~cetil

Enzlma-q_ue lo lnar;Hva

Monoamir.ooxldasa (MAO) en la mitooondria de la varicosidad

Acetiko!inesterasa (AChE} en la hendídura sináptlca

La membrana de la

Noradrenalina

Colina

varlcosldad transporta

CoA + colina

tejidos diana Médula suprarrenal

mi FIGURA 11-10 La médula suprarrenal

Esta P,arte de la glándula suprarrenal secreta adrerialina hada la sangre.

la división autónoma

386

~87

Capítulo ll División eferente: control motor autónomo y somático

Mus<arina

Atropina, escopo!amjna

Apartir de los estudios sobre agonistas y antagonistas se desarrollaron numerosos fármacos nuevos. El descubrimiento de los receptores adrenérgicos a y ~ condujo al desarrollo de agentes que bloquean sólo uno de los dos tipos de receptores. Se demostró que los antagonistas de los receptores a tienen poca importanda clínica pero los fármacos conocidos como betabloqueantes les han proporcionado a Jos médicos una herramienta poderosa para tratar la hipertensión arterial, una de las afecciones más comunes en Jos Estados Unidos en la actualidad.

Nicotina

tt-bungarotoxina (sólo en el múswlo}, TEA (tetraetilamonio, sólo en los ganglios}, curare

Los trastornos primarios del sistema nervioso autónomo son poco frecuentes

A9~~¡Stas 1j ~~gOnisias _éle )Os rec~p_t~res Para ·neurOtransmi._sl?. ~: : . -,- -- -·--' - - -_ -.-. --''

TIPO DE RECEPTOR NEUROTRANSMISOR

AGONISTA

ANTAGONISTA

lnhíbidores de laAChE': neostigmlna

Aceti!colina

Collnérgicos Muscarínicos

Nicotinkos

Adrenet'glcos

AGON!STAS!ANTAGONISTAS INDIRECTOS

Estimulantes de la liberadón de NA: efe--

Noradrena!!na (NA), adrenalina

drina, anfetaminas /nhibidores de fa recaptación de Nlt co-

cafna fenilefrlna

Alfa

Bloqueantes alfa

lsoproterenol Betab!oqueantes: propranolol (111 YP2}, metoprolol (sólo ~1}

Beta

1

* AChE = ac:etikolinerterasa

roideas -(mil p. 221). La médula suprarrenal, que forma el pequeño núcleo de la glándula, se desarrolla a partir del mismO tejido embrionario que liiS neuronas simpáticas y es una estructura neurosecretora. La médula suprarrenal es descrita como un ganglio simpático modificado. Las neuronas simpáticas preganglionares se proyectan desde la médula espinal hasta la médula supran:enal, donde hacen sinapsis (Fig. ll-IOc). Sin embargo, las neuronas posganglionares carecen de axones que puedan proyectar hasta las células efectoras:En vez de esto, los cuerpos celulares sin axones, llamados células cromafines, secretan la neurohormona adrenalina directamente hada la sangre. En respuesta a las señales de alarma del SNC, la médula suprarrenal libera grandes cantidades de adrenalina para su distribución generalizada a todo el cuerpo como parte de la respuesta de lucha o huida. REVISIÓN

8. ¿A qué estructura se parece más !a médula suprarre· nal: al lóbulo anterior de la glándula hipófisis o a! posterior? Explique por qué. 9. ¿Qué tipo de receptores-de ACh supone usted que poseen las células cromafines: nicotínicos o muscarf· nicos?

Respuestas en la p. 395

Las vías paiasímpáticas secretan acetilcolina sobre los receptores muscarínicos Amodo de regla,las neuronas parasimpáticas liberan acetilcolina en sus efectores. Como se explicó antes, los receptores colinérgicos muscarínicos ( li':ll p. 275) se encuentran en las uniones neuroefectoras de la división parasimpática. Todos los receptores muscañnicos son receptores asociados a la proteína G. Su activación da comienzo a las vías del segundo mensajero, algunas de las cuales abren canales de K" y otras de Ca2+. La teS puesta tisular a la

activadón del receptor rouscarínico varía según el tipo_ de receptor, de los que existen por lo menos cinco.

Los agonistas y los antagonistas autónomos son herramientas importantes para la investigación y la medicina Los avances en los conodmientos sobre biología molecular simplificaron en gran medida el estudio de las dos ramas autónomas. Se clonaron los genes que codifican la informadón sobre numerosos receptores autónomos y sus subtipos y esto permitió a los investigadores crear receptores mutantes y estudiar sus propiedades. Además, se descubrieron y sintetizaron diversas moléculas agonistas y antagonistas (cuadro 11-3 a). Los agoriistas di. rectos y los antagonistas se combinaD. con el receptor del efector para reproducir o bloquear la acción del neurotransmisor. Los agonistas indirectos y los antagonistas actúan a través de la alte· radón de la secreción, la recaptactón ó la degradación de los neurotransmisores. Por ejemplo, la cocaína es un agonista indirecto que bloquea la recaptactón de noradrenalina en los terminales nerviosos adrenérgicos y, por lo tanto, aumenta el efecto estimulante de ese neurotransmisor sobre el efector. Los agentes anticolinesterásicos (inhibidores de la colinesterasa) son agonistas indirectos que bloquean la degradación de la ACh y prolongan la vida activa de ca· da una de sus moléculas. Los insectiddas organo(os(oradc!s, como el paratión y el malatión, son anticolinesterásicos. Muchos de Jos fármacos usados para el tratamiento de la depresión son agonistas indirectos que actúan tanto sobre los meca· nismos de transporte de membrana de los neurotransmisores (los antidepresivos tridclicos y los inhibidores selectivos de la recaptadón de serotonina) como sobre su metabolismo (los inhibidores de la monoaminoo;ddasa). Los fármacos antidepresivos anti·

Las enfermedades y las disfunciones del sistema nervioso autónomo son poco frecuentes. La lesión directa (por traumatismo) de los centros de control hipotalámicos puede hacer que'el cuerpo pierda su capaddad para regular el equilibrio hídtico o la temperatura. Algunas enfermedades sistémicas, como el cáncer y !a diabetes mellitus, pueden producir una disfundón simpática generalizada. También existen algunas otras afecciones, como la atrofia multisistémica, en las que los centros de control de las fun-~ dones autónomas del SNC degeneran. En muchos casos de disfunción simpática, los síntomas se manifiestan con mayor intensidad en el aparato cardiovascular, cuando la reducción del estímulo simpático sobre los vasos sanguíneos genera una excesiva disminución de la presión arterial. Otros síntomas importantes relactonados con patología simpática son la incontinencia urinaria (in-, negadón, ausenda; amtinere, contener), que es la pérdida del control vesical, y la impotenda sexual, que es la incapacidad para lograr o mantener la erecdón peruana. En algunas ocasiones, los padentes padecen insufictenda autónoma primaria cuando degeneran las neuronas simpáticas. En guos que actuaban sobre el transporte de noradrenalina o sobre su metabolismo (antidepresivos tridclicos e inhibidores de la presenda de un-estímulo simpático disminuido de manera contiMAO) pueden ten~r efectos adversos relacionados con sus acdonua, los tejidos efectores regulan por incremento (~p. 191) y distribuyen mayor cantidad de receptores en la membrana celunes sobre el sistema nervioso autónomo, lo que incluye afecciones cardiovasculares, estrefiimiento, trastornos micdonales y dislar para maximizar la respuesta de la célula a la noradrenalina disponible. Este aumento de la cantidad de receptores conduce a la función sexual (dis-, anormal o enfermo). Los nuevos inhibidores de la recaptactón de serotonina tienen pocos efectos colaterales · hipersensibilidad por desnervadón, un estado en el que la adminisautónomos debido a que la serotonina es sobre todo un neurotradón de agonistas adrenérgicos exógenos produce una respuestransmisor del SNC. ta mayor que la esperada.

388

la división motora somática

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático VIAS AUTÓNOMAS Vía motora somática

\

Vfa

Vfas

} parasímpática

vra simpática

suprarrenal

simpáticas

¡

SNC

R._¡or

\ f"'

nicotfnlco

Comparación en~e Jas·ramas simpática y paraSimpática

t ¡

SIMPÁTICO

PARASIMPÁTICO

Sitio del SNC en el que se origina

Desde e11"' segmento torácico hasta el2" lumbar

Mesencéfalo, bulbo raqu!deo y 2" a 4" segmentos sacros

Localización de los ganglios periféricos

Sobre todo en la cadena simpática paravertebral; 3 Sobre los órganos diana o cerca de ellos ganglios localizados a !o largo de la aorta descendente

Estructura de fa región desde donde se libera

Varicosid.;des

Varicosiclades y tenninales axónicos

Neurotransmisor en la sfnapsfs con el tejido ofo
Noradrena!ina (neuronas adrenérgkas}

ACh (neuronas colinérgicas}

lnactlvadón del neurotransmisor en la slnapsis

Recaptación en la varicosidad, difusión

Degradación enzimática, difusión

Receptores para el neuro-

a y~

Muscarinicos

Slnapsls ganglionar

ACh sobre el receptor nkotfnko

ACh sobre el receptor nkotfnico

Slnapsis neurona-célula diana

NA sobre receptores a o j}

ACh sobre el receptor muscarfnko

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FSNC ,

SNC

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Ganglios

389 ·

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transmisor en las células diana

"-""

n!co~

Resumen de las divisiones simpática y parasimpática Como se vio en este capítulo, las ramas del sistema nervioso autónomo comparten algunas características pero se diferencian · por otras. Muchas de ellas se resumen en 1a figura ll·ll!ID y se comparan en el cuadro 11-4 El

Receptor« Rectlptor muscarínico

~:Mu;cu~:~sy~~a,~,_:?··

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·- ::eA!9 úií~· 9 r_áridUJas·endriCrlJiaS ··:·=:Y.1X~_~,'i?~~;;·:--:·':,~~:;::!:/L~:· -: • Parte Oe! i€11.~ ~posó·:~··

REFERENCIAS o ACh =acetilcollna .A. A= adrenal!na

o NA"" noradrenalina ;.:

PR~GUIITA Use la figura para comparar: a) la cantidad de neuronas que hay en fa v!a motora somática y en !as

mFlGURA·11-11.Resumen de las vías eferentes del sistema nervioso periféríco

vfas autónomas b) !os receptores que se encuentran sobre las células diana da !as vras motora somática, simpática y paraslmpática e) !os neurotransmisores usados sobre las células díana de !as vfas motora somática, simpática y paras!mpática d) !os subtipos da receptores para la adrenallna · con los subtipos para !a noradrenal!na e} la !ocalizaclóñ de! gangl!o en las v[as simpática y parasimpática.

Tanto la vía simpática como la parasimpática están formadas por dos neuronas (preganglionar y posganglionar) dispuestas

en serie. Una excepción a esta regla es la médula suprarrenal, en la que las neuronas simpáticas posganglionares se han convertido en un órgano neuroendocrino. 2. Todas las neuronas autónomas pregangUonares secretan ace- · tilcolina sobre los receptores nicotínicos. La mayoria de las neuronas simpáticas secretan norad!:enalina sobre los recep-· tores adrenétgicos. La mayoría de las neuronas parasllnpáticas secretan acetilcolina sobre los receptores muscarínicos. 3. las vías simpáticas se originan en las regiones torácica y lumbar de la médula espinal. La mayoría de los ganglios simpáticos se localizan cerca de la médula espinal (son paravettebrales). las vías parasimpáticas dejan el SNC a nivel del tronco encefálico y en la región sacra de la médula espinal. Los ganglios parasimpáticos se ubican cerca de sus tejidos efectores o sobre ellos. 4. La división simpática controla las funciones que son necesarias en las situaciones de estrés o en las emergencias Qucha o huida). la división parasimpática domina duran.te las actividades de reposo y digestión.

LA DIVISIÓN MOTORA SOMÁTICA Las vías motoras somáticas, que controlan los músculos esqueléticos, difieren de las vías autónomas tanto desde el punto de

n.s 0). Estas vías motoras tienen una única neurona que se origina en el SNC y proyecta su áxón hasta el tejido efector, que siempre es un músculo esquelético. Adiferencia de las vías autónomas, que pueden ser tanto excitatorias como lnhibitorias, las vías somáticas son siempre excitatorias. · · vista anatómico como del funcional (cuadro

Una via motora somática está formada por una sola neurona Los cuerpos de las neuronas motoras somáticas se localizan tanto en el asta ventral de la médula espinal ( g¡j! p. 301) como en el cerebro, con un único axón largo que se proyecta hasta el músculo esquelético efector (Fig. 11·11). Estos axones mleünicos pueden tener un metro de longitud o más, como las neuronas que inervan los músculos de los pies y de las manos. las neuronas motoras somáticas se ramifican cerca de sus efectores. Cadit rama se divide en un conjunto de terminales axónicos dilatados que yacen sobre la superficie de la fibra muscular esquelética (Fig. 11·12 flil). Esta estructura ramificada pennite que una sola neurona motora controle numerosas fibras musculares al mismo tiempo. La sinapsis de una neurona motora somática sobre una fibra muscular se denomina unióit neuromuscular (Fig. 11-12). Como todas las otras sinapsis, esta región tiene. tres componentes: 1) el terminal axónico preslnáptico de la neurona motora lleno de vesículas sinápticas y mitocondrias, 2) la hendidma sináptlca y 3) la membrana postsináptica de la _fibra muscular esquelética. Además, la unión neuromuscular incluye extensiones de célu· las de Schwann que forman una delgada capa que cubre el extre-modelos terminales axónicos. Durante años se creyó que esta capa ~ular sólo proporcionaba aislamiento paza acelerar la con-

1

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Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

la-división motora somática

-~m~"aración enmdaS diVishln·~_s· .. -,~o~_átiai ----- -. y aut_ónomof '. ~

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La unión neuromuscu!ar está formada por los terminal axónioos, la placa termin

391

{a) La acet!k:olina (A.Ch} se combina con los receptores nicotinicos o es melabolizada por la acetilcolinesterasa (AChE).

motora localizada sobre' SOMÁTICA NUmero de neuronas de fa via

AUTÓNOMA 2

eferente 1\Jeurotransmlsorh'eceptor en la slnapsis neurona-célula diana

AChlnicotlnico

AChlmuscarínico o NAfa. o~

Tejido dfana

Músculo esquelético

Músculo liso y cardíaco; algunas glándulas endocrinas y exocrinas; parte del tejido adiposo

El neurotransmisor se libera en

Terminales axónicos

Varicosidades y terminales axónicos

Efectos sobre el tejido diana

Sólo exdtatorio: contrae los m_úsculos Excitatorio o inhibitorio

Componentes periféricos encontrados fuera del SNC

Sólo axones

Axones preganglionares, ganglios, neuronas posganglionares

Resumen de su ñmdón

Po>tura y movimiento

Fondón visceral, lo que incluye movimiento.en los órganos inter· nos y secreción; regulación del metabolismo

1

duedón del potencial de acción, pero ahora se sabe que las células de Schwann desempeñan un papel fundamental en la formación de las uniones neuromusculares durante el desarrollo y que conti· núan secretando factores de crecimiento durante toda su vida Sobre la cara postsináptica de la unión neuromuscular, la membrana de las células musculares frente al terminal axónico se convierte en la placa terminal motora, una serie de pliegues que semejan surcos poco profundos. Alo largo del borde superior de cada surco, los receptores para ACh nicotínicos se agrupan en una

zona activa. Entre el axón y el músculo, la hendidura sináptica se llena con una matriz fibrosa cuyas fibras de colágeno m<mtienen la alineación apropiada entre el terminal axónico y la placa ter· minal motora La matriz también contiene acetilcolinesterasa {AChE), una enzima que inactiva con rapidez a la ACh a través de su degradación en acetilo y colina ( íi';i,l p. 272). REVISIÓN --1·0. Compare la apertura y la selectividad por los iones de los canales iónkos presentes en la placa terminal motora con los de los canales Jónicos presentes a lo largo del axón de una neurona motora somática. 1T. El asta ventral de la médula espinal, que contiene !os cuerpos de las neuronas motoras somáticas, ¿es sus· tanda gris o sustancia blanca? Respuesta> en la p. 395

La unión neuromuscular contiene receptores nicotínicos Como ocurre en todas las neuronas, los potenciales de acción que llegan al terminal axónico abren los canales de CaZ+ regula· dos por voltaje en la membrana. El caldo difunde dentro de lacélula según su gradiente electroquímico, lo que desencadena la li· beración de las vesículas sinápticas que -contienen ACh. Ésta di· funde a través de la hendidura sináptica y se combina con los ca· nales receptores nicotínicos que se encuentran sobre la membra· na de las células del músculo esquelético (Fíg. 11·13 B). Estos receptores son similares, pero no iguales, a los receptores ACh niccr tínicos que se encuentran en los ganglios autónomos {y a Jos que hay en el SNC). Esta diferencia se hace evidente por el hecho de la ·a·bungarotoxina, una toxina produdda por una serpiente, se une a los receptores del músculo esquelético pero no a los de los ganglios autónomos. Los receptores colinérgicos nicotínicos (nAChR) son canales iónicos regulados por compuertas químicas que tienen dos sitios de unión para la ACh (Fig. 11·13b). Cuando la acetilcolina se une al receptor, la compuerta del canal se abre y permite el paso de ca·

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Ca2+

Grupo acet11o

AC:~I '

"'"/ AChE

Placa tennmal motora

La placa tenninal motora es la región da la membrana muscular que contiene altas concentraciones de receptores de ACh.

(b) 8 receptor conné!gico nicotínlco se une a dos moléculas de ACh y abre

un canal catiór.fco monovafente inespeclllco.

slnáptica {ACh)

Gana! cerrado

postsináptica se convierte en una

placa terminal

mororn.

El FIGURA 11·12 Anatomía de la unión neuromuscular

li9 FIGURA 11:13 Eventos que se producen en la unión neu·

romuscu/ar

tienes monovalentes. La corriente de Na+ ingresa en la fibra muscular y la despolariza, lo que desencadena un potencial de acdón que produce la contracción de la célula del músculo esquelético. La acción de la acetilcollna sobre la placa terminal motora de un músculo esquelético siempre es exdtatoria y produce contrae. dón muscular. No existe una inervación antagonista que relaje los músculos. La relajadón se produce cuando las neuronas ma. toras somáticas son inhibidas por el SNC, lQ que impide la liberación de ACh. En el capítulo 13 se tratará con mayor detalle cómo la inhibidón de las vías motoras somáticas controla los movimientos corporales.

REVISIÓN ,,-. 12-- una fundón
da de receptores
392

Resumen del capítulo

Capítulo 11 División eferente: control motor autónomo y somático

Las neuronas motoras somáticas hacen más que producir contracdones musculares: son necesarias para que el músculo esté sano. "La fundón hace al órgano" es una fr~ muy apropiada para la dinámica de las masas musculares ya que la ruptura de la transmisión sináptica a nivel de la unión neuromuscular tiene efectos devastadores en tOdo el organismo. Cuando no existe comunicadón entre la- neurona motora y el músculo, los músculos

esqueléticos, necesarios para realizar movimientos y. para mantener la postura corporal, se debilitan y lo mismo ocun:e con los· músculos respiratorios. En los casos más graves, la pérdida de la fundón respiratoria puede ser fatal a menos que se coloque al padente en asistencia respiratoria mecánica. La miastenia gravis, la pérdida de receptores ACh que se mencionó antes, es la alteradón de la unión neuromuscular más frecuente.

393

· despolañce y se Corf.. traiga. la prese'n~a-contiilua de nicotina mantieile' il:biertos los . cáOatés iónkos yel músCulo permanece d~lañzado. En· est~ -·.eStado; él múSdJio es incapai de' contraerse de nuevo, lo que genera~rá!isis: , _ ._ '· _____ . ·

,~l§í~i: 1lB:1l~i'\~íll ~

Los-~~pééiaiistaS.~n·-~eUrocie~oaS "a"prendier~n que las corlductas

Jo, que fumó durante muchos años, l_eJiiagilosti_~ron:ca.ncer o~ adJetivas aparecen_P_orque l~s sustanCiaS QuíiT)IcaS·que generan. pu!ffión. A! darse_cuenta de
_l~GRAa'ó~ -~~~~~~-::·.

PREGUNTA ¿Cuál' es _la_ respuesta habitUill- d~ las Céiu~- ·\i~~- Célul~ é~Üestj _a_ tOncerltradon_es éleva- la ·~egü¡~d~_n Po_i_d~níi!J~dótl.de loS receptores las expu~s _en form_a crónica a con~en- · ,--~a~ d~ ,l.l~~·mo!éqll.~_ de _señal disminuirá la_ ~~ permit_e a-~~- cétú_r_a teSponder_con_nOrrn~lidad traciones elevadas de una_mol~la_señal? ::.:wnti~a-~,de ~.;,cipt?~es-pará esa rilolécula. · .-.aun si la COn<:entración del ligando es alta._ Léruríf9ri.dé··¡a niCOtinúo!l'!Os :nAChR abñrá los 2 los iecept_orescolinérgi~_ se:C!ásifiéaÍí eri L
es

4

RESUMF.t~

La división autónoma 1. La división eferente del sistema nervioso periférico se diVide en neuro-

· 2. 3.

4.

5.

6.

Aunque la ·nlcotinil-é$- un-~lgOnista de acción

corta. parece ~~_.ir _00!Tlo un al$g()n~ __Q,l~n-

'do la exposiéión ~ pro10n_9ada.las cé_luias regu. Jan por inaemento,s~ "re<eptores_cuando se ex~ Ponen a_ un antagtmiSta. :

7.

8.

.

M_endon~_ otrO ea·nal_ ión!cp_'que:~:ha::: ~- ~P~-~+-_d~:Na;:r,~~iadQ~ -pórcYgttaje -~e_i ': :
DH. CAPiTULO

Este capítulo completa el análisis del sistema nervioso: el sísteuia nervioso central, que actúa como centro Integrador de los reflejos nerviosos, el sistema sensitivo, que es la división aferente del sistema nervioso periférico y las divisiones autónoma y motora somática, que son las vías eferentes del SNP. La cumunicaci6n entre las tres divisiones depende sobre todo de la sefializa. dón qtúmica y las interacdones moleculares entre los neuroll'ansmísores y sus rea!ptores. La Jwmeostasis requiere la vigilancia constante de los parámetros corporales por parte del sistema nervioso, trabajando Junto con los sis-o temas endocrino e inmunitario. Amedida que se estudian las fundones de otros sistemas, se continuará la revisión de los prindpios de comunicación ycoordinación introduddos en los capítulos 6 a 11.

nas motoras somáticas, que wntro!an los mú.so.Jlos esqueléticos, y neuronas autónomas, que controlan los músculos liso y t:ardíaco, numerosas glándulas, el tejido linfático y parte del tejido adiposo. (p. 377) La división autónoma se subdivide en una divisi6n simpática y una división parasimpática. (p. 3n; cuadro 11-4) El mantenimiento de la homeostasis corporal se logra cuando existe un equillbrlo entre la reguladón autónoma, e! control endocrino y las respuestas conductuales. (p. 378) La división autónoma está regulada por los ¡;entros localizados en el hipotálamo, la protuberancia y el bulbo raquídeo. Algunos de los reflejos autónomos son medulares. Muchos de ellos pueden ser modulados mediante aferendas cerebrales. (p. 378; FlgS. 11-2, 11-3) las dos diviSiones autónomas cumplen las propiedades de la homeos. _ tasís de Cannon: mantenimiento del medio interno, control tónico, control antagonista y respuestas tisulares variables. (p. 379) Una via autónoma está compuesta por una neurona preganglionar que nace en el SNC y hace sinapsis con una neurona posgangllonar localizada en un ganglio autónomo. Éstos pueden modular e integrar la informactón que pasa a ttavés de ellos. {p. 379; Flg. U-4) La mayoría de las vías simpáticas se originan en las regiones torácica y lumbar de la médula espinaL la mayoría de los ganglios simpáticos se encuentran cerca de la médula espinal o a lo largo de li1 aorta descendente. (p. 381; Fig. 11·5) Las vfas parasimpáticas nacen en el tronco em:efáltco o en la región sacra de la médula espinal. Sus ganglios se localizan sobre los órganos efectores o muy cerca de ellos. (p. 381; Flg. U-5)

9. Los prtndp_ales neurotransmisores autónomos son la acetikolina y la norndrenalina. Todas las neuronas pregang!ionares secretan-ACh los r&eptores colinérgicos nicotínicos. Como regla, las neuronas siJ:n.

pátlcas posganglionares secretan noradrenalina para los r&eptores adrenérgicos y las neuronas paraslmpáticas posganglionares secretan ACh para los receptores colinérgicos muscarinicos. (p. 383; Fig. 117, cuadro 11-1) 10. La sinapsis entre una neurona autónoma y su célula diana se denomi-~ na unión neuroefectora. (p. 382) 11. Los axones autónomos terminan con varicosidades desde las que se liberan los neurotransmisores. (p. 383; Figs. 11-·8, 11-9) 12 La médula suprnrrenal secreta adrenalina y está controlada por las neuronas simpáticas preganglionares. (p. 385; Fig. 11·10) 13. Los receptores adrenérgicos son receptores asociados a la proteína G. Los receptores alfa responden con mayor intensidad a la noradrenalina. Los receptores Jlt responden de igual manera a la adrenalina y a la noradrenalina. Los receptores llz no se conectan con newonas simpáticas y responden con mayor intensidad a la adrenalina. Los receptores~ responden más a la noradrenalina. (p. 3&3; Flg. 11-11, cuadro 11·2) 14. Los receptores muscarínicos también son receptores asedados a la proteína G. (p. 386)

La división motora somática 15. Las vías motoras somáticas, que controlan a los músculos esqueléticos, tienen una sola neurona que se origina en el SNC y termina sobre un músculo esquelético. Las neuronas motoras somáticas siempre son exdtatorias y producen contracdón muscular. (p. 389; Fig. 11-11)

16. Una única neurona motorn somática controla la actividad de varias fibras musculares al mismo tiempo. (p. 390) 17. La slnapsis de una neurona motora somática sobre una fibra muscular se denomina unión neuromuscular. La membrana de la célula muscular se conVierte en la placa terminal motora que contiene una concentración elevada de receptores ACh nicotínicos. (p. 390; Fig. 1112) 18. La unión de la ACh con el receptor nicotíni.co abre los canales cati6nicos. la corriente de Na• que ingresa en la fibra musculat la despolariza. La acetilcolina que se encuentra en la slnapsls es degradada por la enzima acetilcolinesternsa. (p. 391; Fig. 11-13)

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s _ipor qué _t.os ni~~~es excesivos de:niCofin_a· >: üis)~~ ~~é~~¡;s se e?~entra;n ~-~ ¡a- ·'los ~~;es 'riic9tiniC~_ ti~-¡~ mii6n TÍ~~~;':'

:pue_den producir ¡)ará!isls r_espir~Oria! ;: ~_:üni~n ·n~_r?iJl~l~_r.~ue.Q)ntrCJla ~(O~~~ _,"_ m~_i_ar no so_ri ~Tl~5_ensi!J!~'•{I~__ri,i#J~á-~oT9: · - " - .(jQh:d~! 'mús5:fi_!.~_e_sqUelétko. El Oiafrigmá 'i _, ios_ d~! .sNc_ y:JOS_ ganglioS__autó~l)o~. sin _em-_., ':._ l?s:'!'-~1~ pe:ta -~~d.toráci~. (¡tie_ reg~_lan -:: bargo.,(áfltidádes ·eXcesiv~ITl_eme ¿~ :q~· _n_icotj.: · J;¡ #Ira~~-"' ~,n,_ftJ~!QS_esquel_étJcos. : ·.na .:lctivarán ~~- l-ÍAChR: de_ !a_pta,éa_~~ina!_ ff!O-

¡ 1

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Nombre a las dos divisiones eferentes de! sistema nervioso periférico. ¿Cuáles son sus efectores?

2. En ocasiones, al sistema nervioso autónomo se lo denomina Sistema nervioso . ¿Por qué razón éste es un nombre apropiado? Mencione algunas de las fundones que controla este sistema. 3. ¿Cuáles son las dos divisiones del sistema nervioso autónomo? ¿En qué se diferenctan entre sí desde los puntos de vista anatómico y fi·

siológico?

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394

Capítulo 11 DMslón eferente: control motor autónomo y somático Respuestas

4. ¿Cuál es la glándula endocrina neurosecretora que tiene estrecha reladón con la diVisión simpática? 5. Las neuronas que secretan acetilcolina se describen como neuronas

;;;;;;¡;;::===-ml:on:traso---,-----,-,-· que las que secretan noradrenalina son ¡¡llamadas

6. Mendone los cuatro caminos que pueden seguir los neurotransmiSo-res autónomos después de su \iberadón en la sinapsis. 7. la es la prindpal enzima encargada de la degradadón de las catecolaminas y su abreViatura es _ _ _ . 8. las vías motoras somáttcas a) ¿son exdtatotias o lnhibitorias? b) ¿están formadas por una neurona única o por una preganglionar y una posganglionar? e) ¿hacen sinapsiS con glándulas o con músculos liso, cardíaco o es-quelético? 9. ¿Qué es la acet!lcolinesterasa? Describa su acción. 10. ¿Qué tipo de r~ptor se encuentra sobre la célula postsináptica en una unión neuromuscular?

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 11. Mapa conceptual: use los siguientes ténninos para qear un mapa que compare la diviSión motora somfttica con las divisiones sirnpáti· ca y pazasimpática de la diVisión autónoma. Se pueden agregar otros

ténninos. acetilcolina tejido adiposo receptor alfa división autónoma r~ptorbeta

receptor muscarínico receptor nicotínico noradrenalina vía de una sota neurona división paras!mpática músculo esquelético músculo liso diviSión motora somática división simpática vía de dos neuronas

músculo cardíaco receptor colinérgico división eferente glándula endocrina glándula exocrina ganglio 12. ¿Cuál es la ventaja de la divergenda de las vías nerviosas del sistema nervioso autónomo? 13. Compare y resalte los contrastes a) Las uniones neuroefectoras y las uniones neuromusculares. b) -Los receptores alfa, beta, muscarínicos y nicotínicos, Menctone dónde se encuentra cada uno de ellos y a qué ligandos se unen. 14. Compare y resalte los contrastes a) Los ganglios autónomos y los núcleos del SNC. b) La médula suprarrenil! y el lóbulo posterior de la glándula hipófi·

'"·

e) Los botones terminales y las varicosidades. 15. Si el receptor de una célula diana es {utilice los términos de la columna izquierda), la(s) nemona(s) que libera(n) el neurotransmisor sobre ese receptor debe(n) ser (use todos: los términos apropiados de la columna derecha). a} colinérgico nicotfntco L neuroná motora somática b) adrenérgico a Z. neurona autónomas preganglionar e) colinérglco muscañrtlco 3. neurona Simpática posganglionar d) adrenérg:ico P 4. neurona parasimpática posganglio-

n"

16. Los ganglios contienen los cuerpos celulares de (elija todas las opcio-

nes que correspondan) a) neuronas motoras somftticas. b) neuronas autónomas preganglionares. e) intemeuronas. d) neuronas autónomas posganglionares. e) neuronas sensitivas.

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NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

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informaron que fuman actualmente, separados por sexo y razafetn!a•

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RESPUESTAS

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ZO. Los U. S. Centers forDisease Control and Prevention (CDC) (Centros

&/Respuestas a las preguntas de revisión

para control y prevendón de enfermedades de los Estados Unidos) llevan a cabo un estudio de campo bienal sobre conductas de riesgo entre los jóvenes (Youth Rlsk BehaVior Survey, YRBS) en el que piden a estudiantes de escuelas secundarias que respondan un cuestionario sobre comportamientos riesgosos para la salud como el consumo de alcohol o el tabaquiSmo, Los gráficos que siguen se crearon a partir de los datos obtenidos en el último informe sobre tabaquismo en estu· diantes secundarios de los Estados Unidos (www.cdc.gov{mmwr{ preview/mmwrhtml/mm53Z3ai.htm). Thbaquismo actual se definió como haba fumado al menos un dganillo en los 30 dias preVios a !a encuesta. a) ¿Qué puede decir acerca del tabaquismo en los estudiantes secundarios estadounidenses en la década transcurrida entre 1991 y

4. Los nervios mixtos conducen señales sensitivas y motoras. 5. La médula espinal se diVide en las regiones cerv:ical, torftdca, lumbar y sacra.

b) ¿Cuáles son los estudiantes secundarios que tienen mayor pro· babi!idad de ser fumadores? ¿Y cuAles tienen menor probabili· dad?

Página385 6. El Ca2+ se almacena en el retículo eudoplasmático. 7. (a) La adenll ddasa convierte el ATP en cAMP; b) El cA.\fP activa a la

2003?

Página378

l. La división aferente consta de receptores y neuronas sensitivos. 2. El SNC estl formado por el encéfalo y la médula espinal. Página395

3. La homeostasis es el mantenimiento de un medio Interno relati'<
.

protelncinasa A. Página386

8. La médula suprarrenal es neurosecretora y por lo tanto similar a la hi· póf:isiS posterior. 9. Las células cromafines son neuronas posganglionares modificadas y, por ende, tienen receptores nicotínicps.

Pigina391 12. qando la acetilcollna actúa sobre los receptores _nicOtínicos se acti.

1 -

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAL/riCOS

10. Los nAChR de la_placa terminal motora son canales catiónicos monovalentes (Na• y K+) regulados por ligandos. El axón contiene canales regulados por voltaje, con canales diferentes para el Na'" y el K+ ( if& p. 254). 11. El asta wnt:ral de la m&lula está. formada por sustanda gris.

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Página390

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17. Si los canales presentes en los r~ptores nicotínlcos permiten que a través de ellos pasen tanto Na+ como K+, ¿por qué el ingreso de Na+ supera a la salida de K+? (Sugamda: ¡¡¡¡¡ p. 135) 18. Usted descubre una neurona que inerva a una célula endocrina del in· testino. Para aprender más acerca de esta neurona usted coloca una sustanda marcadora en la sinapsis de la célula endocrina. La neurona

capta a la su.standa marcadora y la transporta hasta el cuerpo neuronal dentro de una vesfcula mediante transporte axónico retrógrado. a) ¿A través de qué proceso la sustanda marcadora es captada por el tenninal axónico? b) El ruerpo de la neurona se-encuentra en un ganglio muy cercano a la célula endocrina. ¿A qué diviSión del sistema nervioso perlférico es probable que pertenezca esta neurona? (Sea lo más especí· fico que pueda.) e) ¿CuAl supone usted que es el neurotransmisor secretado por la neurona sobte la célula endocrina? 19. Los indios huaorani de Sudamédca usan cerbatanas para disparar a los monos dardos envenenados con curare. El rorare es una toxina extraída de una planta que se une a los receptores collnérgico~ nicotínicos y los inactiva. ¿Qué le sucede al mono que es alcazw.ao por uno de esos dardos? ·

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395

van las neuronas Shnpáticas posganglionares, Esto Significa que la ni· cotina también estimula a las neuronas simpáticas, como todo lo que incrementa la frecuencia cardíaca 13. Los fftrmacos anticolinesterásleos disminuyen la velocidad de degradadón de la- acetilcollna en la placa terminal motora. Esto permite que la ACh continúe activa por más tiempo en la placa terminal mo-tora y ayuda a contrarrestar la disminución de los receptores activos.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página380 Flgura 11·5: l. a) Las vías simpftticas se originan en las regiones toráctca y lumbar de la médula espinal y las vías parasimpáticas lo hacen en el tren· co encefálico y la región sacra. b) Los ganglios simpáticos se localizan cerca de la columna vertebral o a lo largo de la aorta descendente {no se muestran); los ganglios parasimpáticos se ubican sobre sus órganos efectores· o cerca d~ ellos. 2. Las conexiones entre los ganglios simpáticos per· miten una comunicadón rápida dentro de la división sirnpfttica. Página382 Flgura 11·7: a) Las tres neuronas que secretan ACh son colinérgicas. La única neurona que secreta noradrenalina es adrenérgica. Los cuerpos de las neuronas preganglionares se encuentran dentro del SNC y los de las neuronas posganglionares están dentro de los ganglios. b) Las vías para. simpáticas tienen neuronas pteganglionares más largaS. ' Página388 F¡gu:ra lHl: a) La vía somática tiene una neurona y la autónoma tiene dos. b) Los efectores motores somátiCOs tienen receptores ACh nicotínicos, 105 parasirilpáticos tienen rereptores ACh muscarfnicos y los simpáticos tienen receptores adreriérgicos. e) Las vías motora somática y parasimpática usan ACh y la vía Simpática utiliza noradrenalina. d) La adrenalina es más activa sobre los receptores P1 y ~ y la noradrenalina tiene mayor actividad sobre los receptores o: y Pr e) Los ganglios simpáticos están cerca-del SNC y los pa· rasimpáticos están más cerca de sus tejidos efectores.

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Músculo esquelético

-l

397

Músculos Músculo esquelético •·. 398 399 402 403 406 407 410 411 412 413 415 416 416

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Los músculos esqueléticcis están compuestos por fibras muscU_Iai_es- · Las miofibríllas son laS éstri.!Ctúras Contráctiles de um'l fibra mUsCI.ilar La contracción muscular crea fuerZa los músculos acortan cuando-se contraen La contracción está regulada por troponina y tropomjosin_a ·. la acetilcolina inicia el acoplamiento exdtadón~ntracdón . - _ La contracción del músc~!o esquel_étic? Í'e(¡uieré un a·parte-constahte _de ATP · El cansancio muscularliene múltiples causas ·:_. . _. -·-, Las fibras del músculo esquelético s'e clasifiCan se9ún ¡a Velodd~d_9éCOn_tracd6n YJaf~siS:tei~ciá_ a¡ Ca~~pd_0'la tensión desarrollada por las fibras musculares individuales :eS una función <:{e la lon9itug de·la~ fibras.- . La fuerza de contracción aumenta con_la suma dfi_l_ascontracdOn_es_frius_culares · <:,-· -;. -:-. '_~.-::·_.:-_:: · _ La unidad motora es una neurona motQra somática y las fibras musi:u!ares __q_úe_·i_r:tetVa_~--:.-·-:_..:}.'-<'-:-_, La contracción en los múscuf()s élepen~e de los tipos y Ja-~antid;:¡:_9_ d~ u?J.~c¡~es ~~~9~s :::':· :)::';-:~,-;--· ·

se

Mecánica del movimiento corporal

.

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Las contracciones isotónicas mueven cargas, pero las_~or1traccÍoóes iS:Offié~ka~·:crea(tüe_r~'á<S_Iri::mo_~m,ie~to Los huesos y los músculos alreded0r,de las articulado !le~ 'form·a_~_ p~úmfas_Y 'pUntO_s..~~--~p·Qy_b--_,. _:- · · · , .420 Los trastOrnos musculares tienen niúltipl~s causas ; · · ' ·- -· · · · -· · · · · · · 417 417

Músculo liso 422 423 424

425 425

426 427 427 428

Las fibras del músculo iiso Sor· iníiéhó-nlás fi_equeñas· que:lás.fib~ai·del El músculo liso tiene filamentos _de·actiha l¡de miosina_más lár~Os_:_. ·.. _'' ,. :··:':;::- --': .. -;:·-·:-,;:.-:~ __ ._"->----Los filamentos cOntráctiles deJ-OlÚsctilo-li~ó no está~ disp~éstos~:~n sáfc~~~r'os ::- :~<:i- :_.:_,:---:~;-_' : ,: _ ;';; La fosfori!adón de !_as· piotefnáS .d_e_s~JIÍpe_ña _un papel c!ilve·en. 1_~ i:O~tr~CciO_rl d~lll1ús~úro;liSó"-,. La· relajáción del músc-ulo_ liso tlen~vai-iOs·pasos_ _ · · ·· · La entrada de ailcio és la señal para la tOntracdó11 El estiramiento muscular abré los ca·naleS de Ca_Z+ Algunos músculos lisos tienen· Potericia!eS de membrana la actividad del músculo liso está r~gul¡;¡d~ por seña_les qUfmi_Cas

Músculo cardfaco

Ern su primera vez como lanzador desde el principio del juego. A medida que corría desde el recinto hasta el campo, su corazón pa. pitaba y sentía un nudo en el estómago. Se paró en el montículo y ordenó sus pensamientos antes de arrojar su primer lanzamiento de práctica. Gradualmente, a medida que entraba en la rutina fatni. liar de arrojar y atrapar la pelota de béisbol,. su corazón entró en un ritmo más lento y su estómago se relajó. Iba a ser un buen juego. Las palpitaciones del lanzador, el nudo en su estómago y los movimientos de calentamiento son todos resultados de la contracción muscular. Nuestros músculos tienen dos funciones comunes: generar movimiento y generar fuena. Nuestros músculos también generan calor y contribuyen significativamente a la homeostasis de la temperatura corporal. Cuando la homeostasis se ve amenazada por el frío, el cerebro puede ordenarles a nuestros músculos que tiriten, lo que crea calor adicionaL El cuerpo humano tiene tres tipos de tejido muscular: m-úsrulo esquelético, músculO cardíaco y músculo liso. La mayoría -de los músculos esqueléticos están unidos a los huesos del esqueJe-. to, lo que les permite controlar el movimiento corporal. El músculo cardíaco (kardia, corazón) sólo se encuentra en el corazón y es responsable de impulsar la sangre a través del sistema dr~ culatorio. Los músculos esquelético y cardiaco se clasifican como músculos estriados (stria, surco) debido a sus bandas daras y oscuras alternantes bajo microscopia óptica (Fig. 12-la y lb lfil). El músculo liso es el músculo principal de los órgan_os y tubos internos, como el estómago, la vejiga y los vasos sanguíneos. Su función primaria es influir en el movimiento del material hacia el interior del cuerpo, hacia el exterior y dentro de él. Un ejemplo es el pasaje de alimento a través del tracto gastrointestinal. Bajo el microscopio, el músculo liso carece de las bandas cruzadas observables en los músculos estriados (Fig. 12-lc). Su falta debandas es el resultado de la disposición metios organizada de las fi. bras contráctiles dentro de las células musculares. Los músculos esqueléticos a menudo se describen como músculos voluntarios, y el músculo liso y cardiaco como involun· tarlos. Sin embargo, no se trata de una clasificación precisa, Los músculos esqueléticos pueden contraerse sin una direcctón cons. cient~, y es posible adquirir cierto grado de contr~I consciente, sobre; el músculo cardiaco y algún músculo Uso (~p. 377).

(e) Músculo liso

1 1m AGORA 12·1

Los tres tipos de músculos

Los músculos esqueléticos se caracterizan por contraerse sf¡lo en respuesta a una señal proveniente de una neurona somática. No pueden iniciar su propia contracción y su contracción no es influida directamente por las hormonas. En cambio, el músculo cardiaco y el músculo liso tienen múltiples niveles de control. Aunque su control extrínseco primario se ejerce a través de la inervación autónoma, algunos tipos de músculo liso y el músculo cardíaco pueden contraerse de forma espontánea, sin señales provenientes del sistema nervioso central. Además, la actividad del músculo Cardíaco y de algunos músculos lisos puede ser modulada por el sistema endocrino. A pesar de estas diferencias, el músculo liso y el músculo cardiaco comparten muchas propiedades con el músculo esquelético. Este capítulo explica la anatomia y la contracción del músculo esquelético y el músculo liso, y concluye comparando las propiedades del músculo esquelético, el músculo liso y el músculo cardíaco. Los detalles del músculo cardíaco se verán en el capítulo 14, al estudiar el corazón. El metabolismo y la endocrinologfa del músculo esquelético serán analizados en los capítulos 22, 23 y 25.

MÚSCULO ESQUELÉTICO Los músculos esqueléticos forman la mayor parte del músculo en el cuerpo y constituyen alrededor del40%' del peso corpo..

Músculo esquelético

398

Capítulo 12 Músculos

Los músculos esqueléticós éstán compuestOs por fibras musculares

l•l

Los músculos fundonan juntos como una unidad. Un músculo esquelético es un conjunto de célulis musculares o fibras mus· culares (véase Resumen Anatómico, Fig. 12-31l'J), al igual que,un nervio es un conjunto de neuronas. Cada fibra de músculo esquelético es una célula cilindrica larga que puede tener varios den tos de núcleos. Las fibras del músculo esquel~tico son las células más grandes del cuerpo, creadas por la fusión de muchas células mus· culares embrionarias individuales. Las fibras de un músculo dado están dispuestas en paralelo con respecto a sus ejes mayores (Ftg. 12-3a) y cada fibra muscular esquelética está cubierta por una vaina de tejido conectivo. Los grupos de fibras adyacentes están un.idos en haces, en unidades denominadas fascículos. Entre los fascículos hay colágeno, fibras elásticas, nervios y vasos ~guíneos. Todo el músculo está ence· rrado en una vaina de tejido conectivo que forma un continuo con el tejido conectivo que rodea las fibras musculares y los fas. cículos y_ con los tendones que fijan el músOI!o a los huesos subyacentes.

contrae (extenso¡).

mFIGURA 12·2 Grupos musculares' antagonistas la contracción muscular puede tracdonar

de un hueso pero no puede alejarlo. Para mover los huesos en direcciones opuestas, el cuerpo utiflza grupos musculares antagonístas, como el par bícepsltríceJ?S.

Anatomfa de las fibras musculares Muchos fisiólogos, al igual ral total. Son responsables de la posición y el movimiento del es·

queleto, como su nombre lo sugiere. En· general, ros-músOI!os esquel~ticos están unidos a los huesos por tendones formados por colágeno {!.!!!p. 79). El origen de un músculo es el extremo del músculo que Se inserta o fija más próximo al tronco o al hueso más estacionario. Llamaremos inserción de un músculo a la fi· jactón más distal (distantia, distante) o más móvil. Cuando los huesos un.idOS a un músculo están conectados por una articulación flexible, la contracción del músculo mueve el es· queleto. Si los huesos conectados se aproximan cuando el músOI· lo se contrae,. el músculo se llama flexor, y el movimiento se denomiÚa flexi6n. Si los huesos se alejan cuando el músculo se contrae, el músculo se denomina extensor y el movimiento se llama extensión. La mayoría de las artiOilaciones del 01erp0 tienen músculos flexores y extensores, porque un músculo que se contrae puede ti· rar de un hueso en una direcdón pero no puede empujar .hacia atrás. Los pares flexor-extensor se d~ominan grupos muscula· res antagonistas porque ejercen efectos opuestos. La figura 12-2 m muestra un par de músculos antagonistas _en el brazo: el bíceps braquial (brachian, brazo), que actúa como flexor, y el trfceps bra· quial, que actúa como extensOr. Cuando el músculo bíceps se con· trae, la mano y el antebrazo se mueven hada el hombro. Cuando el tríceps se contrae, el antebrazo flexionado se aleja del hombro. En cada caso, cuando un mús01lo se contrae y se acorta, el músOI!o antagonista se debe relajar y alargar.

que los neurobiólogos, han adoptado un vocabulario especializa· do (cuadro 12·1 m). La membrana celular de una fibra muscular se denomina sarcolema (sarkos, carne; lemma, cap~n). Las prlndpales estructuras intracelulares en. los músculos estriados son las miofibrillas (myo-, músculo), haces altamente organiza· dos de proteínas contráctiles y elásticas que llevan a cabo el tra· bajo de contracción. Los músOIIOS esqueléticos también contie· nen un retículo sarcoplásmico extenso, una forma de retículo endoplásmico modificado que envuelve cada miofibrilla como un listón de encaje (Figs. 12-3b, 12-4 ~· El retiOilo sarcoplásmi· co está constituido por tubos longitudinales que liberan iones 2 eaz..y cisternas terminales que concentran y secuestran el Ca +. Una red ramificada de túbulos transversos, también conoci· da como túbulos T, está estrechamente asodada con las cisternas terminales. Un túbulo T con sus dos cisternas terminales en los flancos se conoce como triada (Fig. 124). Las membranas de los túbulos T son una continuadón de las membranas de la fibra muscular. Esto hace que la luz de "los túbulos T sea continua con el liquido extracelular. Para comprender cómo se comuníca esta red de túbulos en el centro de la fibra muscular con el exterior, tome un trozo de arci· lla blanda y hunda su dedo en el centrÚ<:: Observe cómo la super~

TERMINO GENERAL

!SIÓN 1. Identifique tantos pares de grupos musculares antago---

nistas en el cuerpo como pueda. Si no puede nombrarlos, señale la localización probable de! flexor y e! ex· 'tensor de cada grupo. Respuesta en fa p. 434

eQUNAlENTE MUSCULAR

Célula mllSCular

Fibra muscular

Membrana celular

Sarcolema

Citoplasma

Sarcoplasma

Retículo endoplásmico modiTicado

R_etfculo sarroplásmico

ficie exterior de la ardlla (análoga a la membrana celular de Ia fi. bra muscular) se continúa ahora con los costados del hueco que . usted cavó en la ardlla (la membrana del túbulo 1). Los túbulos T mueven :rápidamente los potendales de acción que se originan en la urúón neuromuscular sobre la superficie celular hada el interior de la fibra. Sin los túbulos T, el potencial de acctón sólo podría alcanzar el centro d"e la fibra por dlfuslóp. de la carga positiva a través del citosol, un proceso más lento que diferiría el tiempo de respuesta de la fibra muscular. El citosol entre las miofibrillas contiene muchos gránulos de glucógeno y nútocondr:ias. El glucógeno, forma de almacenamiento de la glucosa de los animales, es una fuente de reserva de energía. Las mitocondrias proporcionan gran parte del ATP para Ia contracción muscular a través de la fosforilación oxidativa de glucosa y otras biomoléculas.

Las miofibríllas son las estructuras contráctiles de una fibra muscular

399

bandas claras y oscuras alternantes (Figs. 12·1a, 1Z..3c). Una repetidón del patrón fonna un sarcómero (sarkos, carne; mere, una unl· dad o segmento), que tiene los siguientes elementos (Fig. 12-5!3): 1. Discos Z: un sarcómero está compuesto por dos discos Z y los filamentos que se encuentran entre ellos. Los discos Z

son estructuras proteicas en zigzag que sirven como sitio de inserción para los filamentos delgados. La abreviatura Z viene de zwischen, la palabra alemana para "entre dos". 2. Banda 1: son las bandas de color más claro del sarcómero y representan una región ocupada sólo por filamentOs del· gados. La abreviatura I viene de isótropa, una descripción de Jos primeros microscopistas que indica que esta región re· fleja la luz uniformemente en el microscopio de luz polarizada. Un disco Z corre a través del centro de cada banda I, de modo que cada mitad de una banda I pertenece a un sarcómero diferente. 3. Banda A: es la banda más oscura del sarcómero y comprende toda la longitud de un filamento grueso. En los bordes externos de la banda A, los illamentos gruesos y delgados se superponen. El centro de la banda A está ocupado sólo por illamentos gruesos. La abreviatura A viene de anis6tnr po (an-, no), lo que indica que las fibras proteínas en esta región dispersan la luz de manera no uniforme. 4. Zona H: esta región central de la banda A es más ciara que sus bordes externos porque Ia zona H está ocupada sólo por filamentos gruesos. La Hviene de helles, la palabra alemana para "claro". 5. Línea M: Esta banda representa las proteínas que forman el sitio de inserción para los mamentos gruesos, equivalente al disco Z para los filamentos delgados. Cada linea M divide una banda A en la mitad. M es la abreviatura para mit~ tel, la palabra alemana para "centro~.

1

Una fibra muscular contiene mil o más miofibrillas que ocupan la mayor parte del volumen intracelular, d~jando poco espacio para el dtosol y los orgánulos (Fig.12-3b). Cada miofibrilla es.. tá compuesta por varios tipos de proteínas: las proteínas contrác~ tiles miosina y actina, las proteínas reguladoras tropomiosina y tropanina, y las proteínas accesorias -gigantes titina y nebulina. La miosina (myo-, músculo) es la proteína motora de la mio. fibrilla, Se presentan distintas isofor:m..as de miosina en diferentes tipos de músculo y ayudan a determinar la velocidad de contrae~ dón muscular. Cada molécula de miosina está compuesta por ca-._ denas de proteínas que se entretejen pata formar una cola larga y un par de cabezas similares a renaOiajos (Fig. IZ..3e). En el músculo esquelético, aproximadamente 250 moléculas de miosina se unen para crear un filamento grueso. Cada illamento grueso está dispuesto de modo que las cabezas de miosina se agrupen En el conjunto tridimensional, las moléculas de actina y de en los extremos y en la región central del filamento quede el ma~ miosina forman una red de filamentos delgados y gruesos supernojo de colas de m.iosina. El centro del filamento grueso es slmipuestos y paralelos, mantenidos en el lugar por sus inserciones al lar a un bastón rígido, pero las cabezas de miosina que protruyen disco Z y las proteínas de la linea M, respectivamente (Fig. 12-Sb). tienen una región de bisagra elastica donde las cabezas se unen a· Cuando es visualizado desde el extremo, cada filamento delgado los bastones. Esta región de bisagra permite que las cabezas giren -está rodeado por tres filamentos gruesos, y seis filamentos delgá· dos rodean a cada filamento grueso (Fig. 12·5C, círculo más hacia alrededor de su punto de inserción. La actina (actum, hacer) es una proteína que forma los filala derecha). mentos delgados o finos de la fibra muscular. .Una molécula de Dos tipos de proteínas, titina y nebulina, aseguran la alineación actina es una proteína globular (actina G), representada en la fi. correcta de los filamentos dentro de un sarcómero (F_¡g. 12-6 mi). La gura 12-3f por una esfera pequeña.En general, múltiples molécutitina es una molécula elástica enorme, la proteína más grande las de actina G se polimerizan para formar cadenas laÍ:gas o ma~ conocida, compuesta por más de 25 000 aminoáddos. Una única molécula de titina se extiende desde un disco Zhasta la línea M mentas, denominados actina F. En el músculo esquelético, dos polímeros de acti.na F se trenzan juntos como una doble hebra de vecina. Para tener una idea del tamaño inmenso de la ti tina, imacuentas, lo que crea los filamentos delgados de la miofibrilla. gine que una molécula de ti tina es un trozo de 2,4 m de lOngitud La mayor parte del tiempo, los filamentos gruesos y los delga· de esa soga gruesa utilizada para amarrar los barcos en el Ínuelle. dos paralelos de la miofibrilla están conectados por puentes cruEn comparación, una única molécula de actina tendría aproxima· zados que o01pan el espado entre los illamentos. Estos puentes damente la longitud y el peso de una sóla pestaña. cruzados se fonnan cuandO las cabezas de miostna de los filamen~ La titina tiene dos funciones: 1) estabiliza la posidón de los fi. tos gruesos se unen laxamente a la actina en los filamentos dellamentos contráctiles y 2) su elasticidad retoma los músculos es.. gados (Fig. 12-3d). Cada molécula de acti.na G tiene un sitio de tirados a su longitud de reposo. La ti tina es ayudada por la nebu· lina, una proteína gigante inelástica que yace junto a los filamenunión para una cabeza de miosina. Bajo un microscopio óptico, la disposición de los filamentos tos delgados y se inserta en el disco Z. La nebulina ayuda a alinear gro~ y delgados en una miofibrilla crea un patró!J repetitivo de los filamentos de actina del sarcómero.

Músculo esquelético

400

Capítulo 12 Músculos

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401

ULTRAESTRUOTURA !'.1USCULAR

RESUMU! AI!ATÓM!CO MÚSCULO ESQUELÉTICO

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6 FIGURA 12~3 (continuación)

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M:;;J;a de actlna G

Gadena de actina

Molécula de miosfna

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402

Capítulo 12 Músculos

Músculo esquelético

403

RE-VISIÓN

·::·- _/; 2. ¿Porqué !os extremos de !a banda Aconstituyen la re~}/ gión más oscura del sartómero cuando se observan con microscopio óptico?

Eventos

. en!aunkín . -, neuromuscular ·

3. ¿Cuál es !a función de !oS tú bulos n

4. ¿Por qué se describe a los músculos esqueléticos como-

estriados? Respuestas en la p. 434

Este icono representa un mapa de ros eventos en la contracción muscular. Búsquelo en todo el capitulo porque estos eventos son explorados con mayor detalle.

La contracción muscular crea fuerza

mFIGURA 12-4 Túbulos T y retículo sarcop/ásmico

La contracción de las fibras musculares es un proceso notable que nos permite crear fuerza para mover o resistir una carga. En fisiología muscular, la fuerza creada por el músculo que se contrae se denomina tensión muscular. La carga es un peso o una fuer. za qué se opone a la contracción de un músculo. La contracción, creación de tensión en un músculo, es un proceso activo que requiere el aporte de energía del ATP. La relajación es la hberación de tensión creada por una contracción.

I1J FIGURA 12-6 Tlfina y nebulina la titina va de un disco Za la línea Mvecina. la nebulina, que yace junto a los filamentos delgados, se fija a un disco Z pero no se extiende hasta la lfnea M.

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1

La figura 12-7 !iJl resume los pasos principales que conduc;en a la contxacción del músculo esquelético.

l. Los acontecimientos en la unión neuromuscular con-

1! FIGURA 12-7 Resumen de la contracdón muscular

vierten una señal química proveniente de una 1_1eurona motora somática en una señal eléctrica en la fibra muscular. Estos acontecimientos se describieron en el capítulo 11 (!!!p. 391). 2. El acoplamiento exdtadón-contracción es el proceso en el cual los potenciales de acción musculares inician señales de caldo que ·a su vez activan un ciclo de contracción-relajación, 3. A nivel molecular, un ciclo de contracción-relajación se puede explicar por la teoria de la contracd6n por deslizamiento de los filamentos. En los músculos intactos, un ciclo de contracción-relajación se denomina contracdán. En las secciones que siguen se examinará cada uno de estos pasos. Primero, la base molecular de la contracción muscular, que es el corazón del proceso. Luego, la función integrada de una fi. · bra muscular cuando sufre el acoplamiento excitación-corttrac· ctón. La secctón sobre el músculo esquelético termina con una explicaciÓn de la organización de los músculos y cómo mueven los huesos alrededor de las articulactones.

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Banda 1 filamentos delgados solamente

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~~¡;;,?'5. ¿Cuáles son !os tres elementos anatómicos de una '<"' unión neuromuscular?

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6. ¿Cuál es la señal qulmica en una unión neuromuscular?

Respuestas en la p. 434

e ZonaH filamentos gruesos solamente

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filamentos gruesos cor.ectados

con protefnas accarorias

Borde externo de la banda A los filamentos gruesos y delgados se superponen

Eil FIGURA 12MS Organizadón bidimensional y tridimensional de un Sarcómero

. El disco Z (que no se muestra en !a parte e) tiene proteínas accesorias que relacionan los filamentos delgados entre sf, similar a las protefnas accesorias que se muestran para la lfnea Z.

acortaban cuando estaban activas, luego.se relajaban y estiraban en reposo, como elásticos al revés. La teoría redbió apoyo cuando se observó que la miosina era una molécula helicoidal que se acortaba con el calentamíento (la razón de porqué la carne se encoge cuando se cocina), Pero en 1954 los dentíficos Andrew Huxley y Rolf Niedeigerke descubrieron que la longitud de la banda A de una-miofibrilla se mantiene constante durante la contracción. Como la banda A representa el filamento de miosina, Huxley y Niedeígerke recon:oderon que el acortamiento de la molécula de miosina no podía ser responsable de la contracción. En consecuenda, propusieron un modelo alternativo, la teoría del deslizamiento de los filamentos. En este modeio, los filamentos superpuestos de actina y de miosina de longitud fija se deslizan unos sobre otros en un proceso que requiere energía, lo que conduce a la contracdón muscular. La teoña dél deslizamiento de los filamentos explica cómo un músculo puede contraerse y crear fuerza sin crear movimiento. Por ejemplo, si usted empuja una pared, está creando tensión en muchos músculos de su cuerpo sin moyer la pared. Según la teoña del deslizamiento de los filamentos, la tensión generada en una fibra muscular es directamente proporcional a la interacción entre los filamentos gruesos y delgados. Teorfa de la oontracáón por deslizamiento de los filamentos Si se

Los músculos se acortan cuando se contraen En siglos anteriores, los ctentíficos observaron que, cuando los

músci.tlos mueven una carga, se acortan. Esta observación condujo a las primeras teorías de la contracción, que proponían que los mús~os estaban formados por mol&:ulas que se enrollaban y

examinara una miofibrilla en su longitud de reposo, se veña que,

dentro de cada sarcómero, los extremos de los filamentos gruesos y delgados se superponen ligeramente. A medida que el músculo se contrae, los filamentos gruesos y delgados se deslizan unos sobre otros, aprOXimando entre sí los· discos Z del sarcómero. Este fenómeno se puede observar en microfotografías ópticas del músculo

1

404

Músculo esquelético

Capítulo 12 Músculos Un!ón estrecha en el estado de contracción rfgida El puente cruzado está en un ánguló de -45" en relaclón·con los fUamentos.

!---- Banda 1------<-1 Mlosina ¡-..- Banda A - - ;

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Al final del golpe da fuerza. !a cabeza de mlosina libera AOP y retoma el estado de contraeclón rfg!da.

z_ona H y !a banda 1se acortan

1

moléculas de actina a medida que la miosina empuja los delgados filamentos hada el centro del sarcómero. Una analogía que puede ayudarlo a visualizar este proceso es pensar en un equipo del juego de tirar de la cuerda Cuando llega la orden, cada persona comienza a tirar de la cuerda, una mano·después de la otra, aga~ rrando, tirando y sol_tando a medida que la cuerda pasa. ¿Qué produce el movimiento de las moléculas de miósina en una fibra muscular? La respuesta es k energía proveniente del ATP. La mioslna es una proteína motora que tiene la capacidad de crear movimiento ( B! p. 63). La miosina logra esta tarea convir· tiendo la energía química del enlace del ATP en energía mecánica del movimiento. Cada molécula de miosina es una ATPasa (miasinaATPasa) que se une al ATP y lo hidroliza en ADP y fosfa. to inorgánico (P1), liberando energía. La energía liberada es atra· pada y almacenada como energía potencial en el ángulo entre la cabeza de miosina y el eje mayor del filamento de miosina. Esta energía potencial actúa luego como combustible para el golpe de fuerza que mueve la actina. La figura 12-9 fi!l muestra los acontedmleQ.tos moleculares de un ciclo contráctil. 1. El estado de contracción rígida. Las cabezas de miosina crean puentes cruzados al unirse estredtamente a las moléculas de acti.na G. En este estado, ningún nucleótido (ATP

o ADP), ocupa el segundo sitio de unión sobre la cabeza de miosina. En el músculo vivo, el estado de rigidez (rigere, estar rígido) ocurre sólo durante un período muy breve. 2. ElATP se fija y la miosina se desprende. Una molécula de

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La actMdacl de ATPasa de la m!oslna hldrol!za el ATP. El ADP y el P¡ se mantienen unidos a la mlos!na.

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A medida que tiene lugar la contracción, los filamentos gruesos y delgados no cambian la longitud; en cambio, se deslizan uno sobre otro. ·

relajadoycontraido (Fig. lZ.S li). En el estado de relajación, unsarcómero tiene una banda I grande (sólo filamentos delgados) y una banda A cuya longitud es la longitud del filamento grUeso. A medida que se lleva a cabo la contracción, el sarcómero se acorta. Los dos discos en cada extremo Se aproximan mientras que·la banda I y la zona Z, las regiones donde no se superponen la actina y la mioslna en el músculo en reposo, casi desaparecen. A pesar del acortamiento. del sarcómero, la longitud de la banda A se mantiene constante. Estos cambios son compatibles con el desUz.amiento de los delgados filamentos de actina a lo largo de los gruesos filamentos de m.losina a_ medida que los filamentos de actina se mueven hada la línea M en el centro del sarcómero. De este proceso derivá el nombre de la teOría de la contracción por deslizamiento de los filamentos. La fuerza que empuja el filamento de actina es el movimiento de los puentes cruzados de miosin"a que unen la actina y la miosilla. Cada cabeza de miosina tiene dos sitios de unión sobre ella: una para una molécula de ATP y otra para la actina. Las moléculas de actlna sirven como úna "cuerda" a la que se unen las cabezas de m.losina. Durante el golpe de fuerza o tirón, base de la contracción muscular, el movimiento de los puentes cruzados de roiosina flexibles empuja los filamentos dé a~a hada el centro del sarcómero. Al final de un golpe de fuerza-cada cabeza de mlosina libera la actina que está unida a ella, luego oscila hada atrás y se une a una nUeva molécula de actina, lista para inidar otro ciclo. Este proceso se repite muchas veces a medida que la fibra muscular se contrae. Las cabezas de miosina fijan y liberan repeti~ veceS

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Filamento de mioslna .1::-.-·-- "'++-·45~ •

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El sarcómaro se acorta . con la contracción

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405

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_La cabeza de mlosinase mueve por encima 'y sé une débTimente a una nueva molécula de actina. 8 p!Jante auzado forma ahora 90" en relación con los filamentos.

La flberaclón de P¡ !nk:ia el golpe de fuerza. La cabeza de miosina rota sobra su bisagra, em!Xljando al filamento de actlna

mFIGURA 1z.9 Base molecular de la contracción Para reexaminar la estructura de la aP:ina y !a miosina, véase la figura 12-3(d-f}. ATP se une a la Cabeza de mioslna Esto cambia la afinidad de la mlosina para la fijación de actlna, y 1a cabeza se libera de la molécula de actina G. 3. Hidrólisis de ATP. El sitio de unión al ATP sobre la cabeza de mlosina se cierra alrededor del ~TP y lo hidroliza a ADP y fosfato inorgánico (P1). Ambos productos se mantienen unidos a la cabeza. 4. La míosina se vuelve a unir: unión débil. La energía liberada por el ATP hace que la cabeza de miosina oscile y se una débilmente a una nueva molécula de actina G, alejada una o dos posiciones de la actlna G a la cual se unió pre;vi;pnente. En este punto, la miosina tiene energía poten-

cial, como un resorte estirado, y está lista para ejecutar el

golpe de fuerza que moverá más allá el filamento de actina. ADP y P1 siguen unidos a la mlosina. S. Liberación de Pi y golpe de fuerza. El golpe de fuerza co--mienza cuando se libera el fosfato inorgánico de su sitio de unión a la miosina. A medida que 1a cabeza de mlosina se mueve hada la línea M, arrastra en la misma dirección el filamentO de act!na fijado a ella. El golpe de fuerza o tirón también se ·denomina inclínadán de los puentes cruzados porque la cabeza de mios !na y la región en bisagra se inclinan de un ángulo de 90°_ a un ángulo de 45° respecto de los filamentos gruesos y delgados.

Músculo esquelético

Capítulo l2 Músculos

406

mFIGURA 12·10 Papel regulador

(al Estado relajado

{b)

de la tropomiosína y la troponína

®Aumen;;:::ncen~cWnes

Iniciación de la contracción

f

de caz::_n~~~citosol:

~:;:-:~:-~~:~nl~ ~~oeo.._,,

1

r---~·-···

8 complejo troponina.Ca2+ tlm de !a tropomiosina lejos del sitio de unión da !a actina G. ~-··

la miOsina se une a la actina y completa el go!pe de fuerza.

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@@

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+filrun~~~~~na

La actina G se mueve

8

®[[?.'; <>itoo<~nco 1 6. Liberación de ADP. En el último paso del ciclo contráctil, la miosina libera ADP. el segundo producto de la hidrólisis de ATP. En este punto, la cabeza de miosina está otra vez es.

trechamente unida a la actina, en estado de contracción rígida. El ddo está listo para comenzar nuevamente cuando se una un nuevo ATP a la miosina. Aunque el ddo contráctil comenzó con el estado de contracción rígida, en el c.ua1 no hay ATP ni ADP unidos a la miosina, las fibras musculares relajadas se mantienen principalmente en el paso 4. FJ. estado de rigidez en el músculo vivo normalmente es breve porque lafibra muscular tiene el aporte suficiente de ATP para unirse a la miosina cuando se libei:a ADP en el paso 6. Pero des!!ués de. la muerte, cuando se detiene el metabolismo y se agotan los suministros de ATP, los músculos no pueden fijar más ATP y se mantienen en el estado de unión firme descrito en el paso 1. En el estado conod~o como rigor mortis, los músculos se "congelan~ debido a los puentes cruzados inmóviles. La unión estrecha de actina y miosina persiste durante un. día más o menos después de la muerte, basta que las eilzimas dentro de la fibra en deteriorO comienzan a degradar las proteínas m~culares. La unión de actina-miosina y la inclinación de los puentes cruzados explica el modo en que los filamentos de actina se des.,

se desplam.

lizan y atraen a los filamentos de miosina durante la contracción. Pero, ¿qué regula el proceso? Si el ATP siempre se encuentra dis-

ponible en la fibra musrular viva, ¿qué evita que los filamentos interactúen continuamente? La respuesta reside en las dos proteínas reguladoras: la tropomiosina y la troponina.

.¿;

t~\~.:~V 1S 1Ó N ti,i:iGJ' 7. Cada molécula de miosina tiene sitios de unión, ¿p¡¡ra ''-ilv qué moléculas? 8. ¿Cuál es la diferencia entre la adina F y la actina G? Respuestas en la p. 434

La contracción está ;egulada por troponina y tropomiosina En el músculo esquelético, los dclgados filamentos de actina de la miofibrilla están asociados con dos proteínas reguladoras que impiden que las cabezas de miosina completen su golpe de fuerza, de modo muy semejante a como el seguro de un arma impide tirar del gatillo cuando está amartillad-a. La tropomiosina (tropos, girar) es un polímero alatgado de proteínas que envuelve el filamento de actina y bloquea parcialmente los sitios de unión de la miosina (Fig. 12-lOa m). La troponina

(TN) es una proteína fijadora de caldo que controla la posición de la tropomiosina. Cuando la tropomiosina se encuentra en-su posidón de bloqueo puede haber una débil interacdón entre actina y miosina, pero la miosina está bloqueada y no puede completar el golpe de tuerza. Para que ocurra la contracción, la tropomiosina debe ser desplazada a una posición de "encendido" que deja expuesto todo el sitio de unión. Esto permite que ocurra el golpe de fuerza. La posición ''apagada y encendida" de la tropomiosina está regulada por la troponina, un complejo de tres proteínas asociado con la tropomiosina. Cuando comienza la contracción 'en respuesta a una señal de caldo (
,-c,R.,¡¡i~l S 1Ó N

'[~}(?:' 9. ~_9

Mencione una fibra elástica de! sarcómero que ayuda a !a relajación. ·

10. En la teoría del deslizamiento de los filamentos de la contracción, ¿qué impide que los filamentos se deslicen hacia atrás hasta su posidón original cada vez que una cabeza de miosina se libera para unirse al siguiente sitio de unión de !a actina? (Sugerencia: ¿qué suceder!a si todos los puentes cruzados se liberaran simul· táneamente?) Respuesta~ en la p. 434

407

Un pasó grande hada la Corriprensión.de(golpe· de Júerza de la miosina fúe_el desarrollO de la prueba de_ m0tilldi3d ii'l:vitro _en la década de 19SO._En 'est'a prueba, las ffiolé(ul
a

La acetilcolina inicia el acoplamiento excítación~contracción

Una vez analizada la base molecular de la contracdón muscular estudiaremos el proceso de la contracción comenzando en la unión neuromuscular. Lo dividiremos en los siguientes pasos: l. La neurona motora somática libera acetilcolina (ACh). 2. La ACh inicia un potencial de acdón en la fibra muscular. 3. El potendal de acción muscular dlspara la liberación de caldo del retículo sarcoplásmico. 4. El caldo se combina con troponina e inicia la contracción.

Como se vio antes en el capítulo, esta combinación de acontecimientos eléctricos y mecánicos en una fibra muscular se denomina acoplamiento excitadón-contracctón. Ahora obsérvese el proceso en detalle. La acetilcolina liberada en la sinapsis de una unión neuromuscular se une al canal.receptor de ACh en la placa terminal motora de la fibra muscular (Fig. 12-11 R) (~p. 390). Cuando estos canales se abren, permiten que Na+ y K+ crucen la membrana. Pe· ro, la entrada de Na+ excede la salida de K• porque la fuerza electroquímica impulsora es mayor para el Na+ (~p. 135). La carga positiva neta adquirida por la fibra muscular despolariza la mem· brana y crea un potendal de placa terminal. Normalmente, los potenciales de placa temiinal siempre alcanzan el umbral e inician un potendal de acción muscular. El potendal de acdón es conducido por la superficie de la fi. bra muscular y en los túbulos T por la apertura de los canales de Na+ fegulados por voltaje. El proceso es similar a la conducción de los potenciales de acdón en los axones, aunque los potencia-

1

408

Músculo esquelético

Capítulo 12 Músculos

409

I•J

Potencial da acción__,.. (--......,Unión <. . .l j neuromuscularl

t 9 cfo

Acoplamiento excitación-

contracción

-Tiempo_,. l Perfodo

Fase da

: de l latencia

1

Desarrollo da s:: · tensión durante ~

8 potencial de acelón t'l>¡,J en al túb!J!o T altera !a conformación del

'

lbl

Q

1

una contmccl6n ffi musctJiar

~~·-· 8 receptor DHP abre los canales de flberaclón da ca2-+ en el retfCI.llo sarcoplásmico y el ea2-+ entra en el citosol.

T -Tiempo~

PREGÍJNTAS

-- .,...

y •

''

• Compare al potencial de membrana en reposo de !a neurona motora y!a fibra muscular. • ¿B movimiento de qué ión/es en qué dirección/es crea 'a! potoocial de acción muscular'2

Señal de ea2+

~!!FIGURA 12~12 Acontedmientos eléctricos y

Controooión·

los potenciales de acción de la terminación axónica {gráfico sUperior) y de la fibra muscular (gráfico del medio) son seguidos por una contracción muscular (gráfico inferior}.

~~

re!ajadón E filamento da actina

se desliza hacia el centro del sarcómero.

g FIGURA 12-11 Acoplamiento excitadón-contracdón

les de acdón en el múscuto·eSquelético viajan más lentamente que los potenciales de acción en las neuronas ( ~p. 257). El potendal de acción que se mueve a través de la membrana y desciende por los túbulos T produce la liberación de CaZ+ desde el retículo sarcoplásmico (Fig. lZ.llb). La membrana del túbulo T contiene receptores sensores de voltaje (receptores de dihidropirldina o DHP), que están ligados mecánicamente a los canales de liberación del eaz.. en el retículo sarcoplásmico adyacente. (Estos canales .también se denominan receptores de rianodina o RyR). Cuando una onda de despolar_izadón alcanza el DHP, su conformación cambia y abre los canales de liberación de CaZ+ en el retículo sarcoplásmico. El CaZ+ almacenado allí se mueve a favor de su gradiente electroquímico en el citosol, donde inida la contracción como se muestra en la figura lZ.lOb.

I,.as concentraciones citosólicas de CaZ+ libre en un músculo en reposo son normalmente muy baias, pero después de un potendal de acción aumentan alrededor de 100 veces. Cuando las concentradones dtosólicas de eaz. son altas, el CaZ+ se une a la troponína, la tropomiosina se mueve a la pósidón de "encendi~ do" y se produce la contracdón. La relajadón ocurre cuando el retículo sarcoplásmico bombea eaz.. nuevamente hada su luz utilizando la eaz-+-ATPasa ( g;jp. 142). A medida que la concentradón dtosólica de CaZ+ libre dis· minuye, el CaZ+ se libera de la tropollina, la trqpomiosina se desliza hada su posidón anterior para bloquear el sítio de unión de la miosina, y la fibra se relaja. El descubrimiento de que el CaZ+, y no el potendal de acctón, es la señal par? la t;;ontr?Cdón fue la primera evidencia que sugie-

mecánicos-en la contracción muscular

re que el caldo actúa como un mensajero dentro de las células. Durante años se pensó que las señ.ales de caldo OCUIIÍan sólo en· los músculos, pero ahora se sabe que el calcio es un segundo men~ sajero casi universal {¡¡¡¡¡p. 186). La figw:a 12~12 mmuestra el momento en que ocurren los eventos eléctricos y mecánicos durante el acoplamief!.to exdta· dón-contracdón. El potencial de acdón de la neurona motora somática es seguido por el potencial de acdón del músculo esquelético, el cual a su vez es seguido por la contracción. Un único d· do de contracdón-relajación en una fibra de músculo esquelético se conoce simplemente como contracción. Observe qUe fXis.. te una pequeñ.a demora -el periodo· de latencia- entre el poten~ cia1 de acción muscular y el comienzo del desarrollo de la tensión muscular. Esta demora representa el tiempo necesario para que ocurra el acoplamiento exdtación-contiacdón. Una ·vez que comienza la contracción, la tensión muscular crece constantemente hasta un valor máximo a medida que au~ menta la interacdón de los puentes cruzados. La tensión luego disminuye en la fase de relajación di
relajación, los elementos elásticos del músculo retoman los sarcómeros a su longitud de reposo. Un solo potendal de acdón en una fibra muscular provoca una _única contracdón {Fi.g. 12-12, gráfico inferior). Sin embargo, las contracciones musculares varían de una fibra a otra en la velocidad con la cual desarrollan tensión (la pendiente credente de la curva de contracción), la tensión máxima que logran (la altura de la curva de·contracdón) y la duradón de la contracdón (el ancho de la curva de contracción). Los factores que afectan a estos parámetros se estudian en las próximas secciones. Primero se exa~ minará de qué modo los músculos producen A1P para proporcionar energía para la contracción y la relajadón.

'*R,E~ 1S 1ó N

~?,-,19-11. ¿Qué parte de !a contracción requiere ATP? ¿La re!aja-4.'!/' ción requiere ATP?

12. ¿Qué acontecimientos tienen lugar durante el periodo de latencia ante;s de que comience !a contracción?

i·lliii:IUU 1ECA DE CIENCIAS ljíll M!tlAti 1

Respuestas en la p. 434

410

Capítulo 12 Músculos

Músculo esqueléticó

1M"""""""""''~~ ATP del metabolismo + creatina ~tin·

AOP + fosfocreatina

cmasa.

I~M~¡¿¡;¡g¡~1 ,l~ ·?:-"'"'·~ic'i~.«\'-':'~Lo'"yc\ ~ Fosfocreatina + ADP

creatin· cinasa

Creatina + ATP 1

""""""pare

¡

eMioslna ATP1isa (contracción)

eca2+-ATPasa (refajaclón) !

eNa+-K+ ATPasa (restablece los

Iones que cruzan la membrana celular durante el potencial de acción a sus compartimentos

1

La contracción del músculo esquelético requiere un aporte constante de ATP

El uso de ATP por la fibra muscular es una característica clave de la fisiología muscular. Los músculos requieren constantemenw te energía: durante la contracción para el movimiento y la liberación de puentes cruzados, durante la relajación para bombear CaZ+ nuevamente hada el retículo sarcoplásmico y después del acoplamiento excitación-contracción para restablecer el Na• y el K~ a los ·compartimentos extracelular e intracelular, respectiva· mente. ¿Dónde obtienen los músculos el ATP que necesitan para este trabajo? La cantidad de ATP en una fibra muscular en cualquier momen· toes suficiente sólo para unas ocho contracdones. Como fuente de energía de reserva, los músculos contienen fosfocreati.na, una molécula cuyos enlaces fosfato de alta energía se crean a partir de la creatina y el ATP cuando los músculos están en reposo (F¡g. 12-13 ~­ Cuando los músculos se activan, como durante el ejercido, el gruw po fosfato de alta energía de la fosfocreatina es transferido a ADP, lo que crea más ATP para dar energía a los músculos. La enzima responsable de transferir el grupo fosfato de la fos· focreatina al ADP es la creatincinasa (CK), también conocida como aeatina {as{odnasa (CPK). Las células musculares contienen grandes cantidades de esta enzima. Por esto, las concentraciones sanguíneas elevadas de aeatincinasa suelen indicar el daño del músculo esquelético o cardiaco. Como los dos tipos musculares contienen isoenzimas düetentes ( iii p. 96), los médicos pueden distinguir el daño del tejido cardiaCo durante un infarto de miocardio de un daño al músculo esquelético. ComQ..Ja energía almacenada en los enlaces fosfato de alta energía es muy limitada, las fibras musculares deben utilizar el metabolismo para transferir energía disde los enlaces químicos

originales)

iiFIGURA 12-13 Fosfocreaüna El músculo en reposo almacena energía a partir del ATP en Jos enlaces fosfato de alta energla de la fosfocreatina .. EI músculo que trabaja utiliza entonces esa energía almacenada."

de los nutrientes al ATP. Los hidratos de carbono, sobre todo la glucosa, constituyen la fuente más rápida y eficiente de energía para la producción de ATP. La glucosa es metabolizada a través de la glucólisis a piruvato ( &ii p. 104), En presencia del oxígenO SU· fidente, el píruvato entra en el ddo del ácido citrico, lo que produce unos 30 ATP por cada molécula de glucosa. Cuando las concentraciones de oxígeno son demasiado bajas como para mantener el metabolismo aerobio, la fibra muscular cambia a la glucólisis anaerobia. En esta vía, la glucosa es metabolizada a ácido láctico con un rendimiento de sólo 2 ATP por glucosa. EJ. metabolismo anaerobio de la glucosa es l!lla fuente más rápi· da de ATP, pero produce mucho menos ATP por glucosa. Una vez que laS demandas de energía del músculo superan la cantidad de ATP que puede ser producido a través del metabolismo de la glucosa, los músculos pueden fundonar muy poco tiempo sin fatiga. Las fibras musculares también obtienen energía a partir de los ácidos grasos, aunque este proceso siempre requiere oxígeno ( i! p. 111). Durante el reposo y el ejercido leve, los músculos esqueléticos queman ácidos grasos junto con glucosa, urta razón por la cual los programas de ejercidos leves, como una caminata viva, son una manera eficaz de reducir la grasa coqÍoral. Sin embargo, la betaoxidad6n -el proceso por el cual los ácidos grasos son con· vertidos en acetil CoA- es un proceso lento y no puede producir ATP con la suficiente rapidez como para afrontar las necesidades energéticas de las fibras musculares durante el ejercido intenso. En estas condiciones, las fibras musculares dependen más de la glucosa. Las proteínas normalmente no constituyen una fuente de energía para la contracción !lluscular. La mayoría de los aminoá·

ddos que se encuentran en las fibras musculares se utilizan para sintetizar proteínas más que para producir ATP. ¿Los músculos alguna vez se quedan sin .ATP? Usted podría creer eso si alguna vez hizo ejercido hasta la fatiga, punto en el cual usted siente que no puede continuar o que sus extremidades se rehúsan a obedecer las órdenes de su cerebro. Sin embargo, la mayoría de los estudios mu~tran que incluso el ejercido int~nso utiliza sólo el 30% del ATP de una fibra muscular; El estado que denominanos fatiga debe provenir de otros cambios en el múscu· lo que hace ejercido. nRJ>VISióN -·:'Jf: 13. Según la convención para denominar a !as enzimas, \~¡?!' ¿qué le dice el nombre creatindnasa sobre la función de esta enzima? {Sugerenda: i\1! p. 99) 14.las reacciones en !a figura 12·13 muestran que la creatinclnasa cata!iza la reacción creatina·fosfocreatina en ambas direcciones. ¿Qué determina entonces la dirección que toma !a reacción en cualquier momento dado? {Sugerencia: ~p. 39) Respuestas en la p. 434

r-

¡

-der,.,l fatiga · ~

'cansancio

M'''

'~

centra!

Mecanísmos

1

del p_roéeso

411

·propuestos

.¡ psicológicos 1 oEfectos Reflejos protectores o

;Neurona motora somática

- .J

Unfón

o {- Uberac!ón del

t

neurotransmisor

o Activación del

""'"" o Cambio del

potencial de membrana muscular

Cansancio

periférico

El cansancio muscular tiene múltiples causas o

l' Uberación de Ca2+

El término fisiológico cansando o fatiga describe una condi· ol' Interacción (;a2+ ción en la cual un músculo ya no puede generar o sostener la pro-troponina ducción de fuerza esperada. El cansancio es sumamente variable y está Influido por la intensidad y la duración de la actividad conoTeorías de depleción: tráctil, por el hecho de que la fibra muscular ~té utilizando el PCr, ATP, glucógeno ~,. relajación metabolismo aerobio o anaerobio, por la composición del múscuoTeorías de acumuraclón: H+, P¡, lactato ·lo y por el nivel de estado físico del individuo. Se han propuesto múltiples factores responsables del cansanl1il FIGURA 12·14 Localizaciones y posibles causas del cansan· cio (Fig. 12-14m), que pueden clasificarse en mecanismos de can· do muscular sancio de origen central, que surgen en el sistema nervioso central, y mecanismos de cansando periférico, que lo hacen en cualquier sitio entre la unión neuromuscular y los elementos conel potendal de placa tenninal del músculo puede no alcanzar el tráctiles del músculo. La mayoría de las pruebas experimentaleS valor umbral necesario para disparar un potencial de acción en ia sugiere que el cansanio muscular se origina en un fracaso en la fibra muscular, lo que conduce a un fracaso en la contracción. Es· exdtadón-contracdón en la fibra muscular más que en una de te tipo de cansando se asocia con algunas enfermedades neurolas neuronas de control o de la transmisión neuromuscular. musculares, pero probablemente no constituya un factor imporEl cansancio de origen central incluye la sensación subjetiva · tante en el ejercido normal. de cansancio y el deseo de cesar la actividad. Varios estud.ios·han No parece existir ninguna causa única de cansando durante el mostrado que este cansando psicológico precede al fisiológico de ejercido, y el estudio de este fenómeno es muy complejo. El canlos músculos y, por lo tanto, puede ser un mecanismo protector. sando dentro de la fibra muscular puede ocurrii en cualquiera de El pH bajo secundario a la producción de ácido por la hidrólisis varios sitios. En el esfuerzo submáximo extendido al cansando se de ATP se menciona a menudo como una causa posible de can· asocia con agotamiento de los depósitos de glucógeno muscular. sancio, y cierta evidencia sugiere que la acidosis puede influir en Como la mayoría de los estudios muestra que la falta de ATP no la sensación percibida por el cerebro. Sin embargo, los mecanisconstituye un factor limitante, la disminución de glucógeno pomos homeostáticos para el equilibrio del pH mantienen el pH dría afectar algún otro aspecto de la contracción, como la liberasanguíneo en niveles nonnales basta que el esfuerzo es casi extreción de caz.. desde el retículo sarcoplásmicQ. mo, de modo que es probable que el pH como factor de cansancio La causa del cansancio en el esfueno máximo de corta duración de origen central sólo se aplique en casos· de esfuerzo máximo. parece ser diferente. Al parecer, es el resultado de las concentradoLas causas neurales de OOancio podrían obedecet a una falla nes elevadas de fosfato inoígánico (PJproduddas cuando se utiliza de la comunicación en la unión neuromuscular o a una falla de ATP y fosfocreatina para la energía en la fibra muscular. Las concenlas neuronas de comando en el SNC. Por ejemplo, si no se sinte· traciones elevadas de fosfato inorgánico (PJ pueden hacer más lentiza ACh en la terminación axónica con suficiente rapidez como ta la hberadón de P1a partir de la míosina y alterar así el golpe de para mantener la frecuencia de disparo de la neurona, disminuye fuerza (Fig. 12-9, (5)). Otra teoría sugiere que las concentraciones la littyación del neurotransmisor en la sin~psis. En ~onsecuenda, elevadas de fosfato disminuyen la liberación de Ca2+ porque el fos-

Músculo esquelético 412

413

Capítulo 12 Músculos

fibras de contracción rápida dividen el ATP más rápidamente y, por lo tanto, pueden completar más rápidamente múltiples ciclos contráctiles que las fibras de contracción lenta. Esta velocidad se traduce en un desarrollo más rápido de la tensión en las fibras de contracción rápida. La duractón de la contracción también varia según el tipo·de fi. bra. La duración de la contracción está det~da, en gran patre, 2 por la velocidad con que el retículo sarcoplásmico elimina el Ca + del cttosol. Cuando la concentradón cttosólica de eatt ae, el eaz+ no se une a la tropo.rúna, lo que pennite que la tropomiosina se mueva a una posición de bloqueo parcial de los sitiOs de unión a la miosina. Inhibido el golpe de fuerza, la fibra muscular se relaja. Las fibras de contracción rápida bombean ea:z.. hada su retículo sarcoplásmico más rápidamente que las fibras de contracción lenta, y así tienen las contracciones más lápidas. Las contracciones en las fibras de contracción rápida duran sólo 7,5 ros, lo que hace que estos músculos sean útiles para tos movinlientos rápidos y finos, como tocar el piano. La duración de las contraedones en las fibras de contracción lenta ·puede ser 10 veces mayor. Las fibras de cQntracción rápida se utilizan ocasionalmente, pero las fibras de contracción lenta se emplean casi constantemente para mantener la postura, ponerse de pie o caminarLa segunda diferencia importante entre los tipos de fibras musculares es su capacidad para resistir el cansando. Las fibras glucolíticas (tipo de contracción rápida llB) dependen fundamentalmente fato se combina con el eaZ~- convirtiéndose en fosfato de caldo. Al· de la glucólisis anaerobia para producir ATP. Sin etnba.fio, la acumugunos investigadores piensan que el fosfato altera la dinámica de la lación de W a partir de la hidrólisis de ATP contribuye a la actdosís, liberación de ea,:z.. desde el retículo satCOplásmico. un trastorno involucrado en la aparición del cansando, como se seEl potasio es otro factor involucrado en el cansando. Durante ñ.aló antes. En consecuencia, las fibras giucollticas se cansan más fá. el ejercido máximo, el K+ abandona la fibra muscular con cada dlmente que las fibras ox:idatWas,las cuales no dependen del metapotencial de acción, y en consecuencia las concentraciones de K,+ bo1lsmo anaerobio. Las fibras oxidativaS dependen fundamental· se elevan en el líquido extracelular de los túbulos T. El desplazamente de la fosforlladón oxidativa (S p. 109) para la producción miento en el K+ altera el potendal de membrana de la fibra musde ATP, de ahí su nombre descriptivo. Estas fibras, que incluyen las cular y se cree que disminuye la Iiberactón de eaZ+ desde el fiblas de contracdón lenta y las fiblas glucolítico-oxidativas de contracdón rápida. tienen más mitocondrias (el sítio de las enzimas paretículo saocoplásmico. ra el ctdo del áddo citñco y la fosfoñladón oxidativa) que las fibras REVISIÓN glucoUticas. Th!Ílbién tienen más vasos sanguíneos en su tejido ce.. 15. Si la concentración de K+ aumenta en el liquido extranectivo para lleva> oxígeno a las células (Fig. 12-15@). celular que rodea a una célula pero no cambia signifi· La efictenda con la OJal las fibras musculares obtienen oxígecativamente en el citoplasma de la célula, la membra· na celular· (re despolarizalhiperpono es un factor en su método preferido de metabolizadón de la lariza) y se vuelven (más/menos) glucósa. El oxígeno en la sangre debe difundir hada el interior de negativa. las fibras musculares para alcanzar las miwcond:rias. Este proceso Reipuesta en !a p. 434 es facilitado por la presencia de mioglobina, un pigmento rojo fi. jador de oxígeno con alta afinidad por el oxígeno. Esta afinidad Las fibras del músculo esquelético se clasifican permite que la mioglobina actúe como molécula de transferencia, según la velocidad de Contracción y la resistenda al llevando oxigeno más rápidamente hada el interior de las fibras. Como las fibras oxidativas contienen más mioglobina, la difusión cansando Las fibras del músculo esquelético pueden clasificarse basán· del oxigeno es más rápida que en las fibras glucolíticas. Las fibras dose en su velocidad de contracción y su resistencia a la fatiga oxidativas se describen como músculo rojo porque las grandes cancon la estiniuladón repetida. Los grupos incluyen las fibras de tidades de mioglo'oina les dan su color caracteñstlco. contracción lenta (también llamadas tipo I), las fibras oxídativas· Además de la miogloblna, las fibras oxidativas tienen diámeglucoliticas de contracción rápida (o tipo ITA) y fibras glucolíticas tros más pequeños, de modo que la distancia a través de la cual debe difundir el oxígeno anteS de alcanzar las mitocondrias es de contracción rápida (o tipo-TIB). Las fibras musculares de contracción rápida (tipo ll) desamás corta. Como las fibras oxidativas tienen más mioglobina, rrollan tensión pos a tres veces más rápido que las fibras de conmás capilares para llevar sangre a las células y menor diámetro, traccióillenta (tipo I). La velocidad con la cual se contrae una fi· mantienen un mejor aporte de oxígeno y pueden utiliza! la fosbia muscular está determinada por la isoforma de la miosina AT· forilación oxidativa para la producción de ATP. Pasa presente en los filamentos gruesos de la fibra muscular. :Gs

-+--- Fibras muscufaras oxldatfvasde contracción lenta Obsérvese el diámetro más pequeño, el co!Qr l'l1ás oscuro debido a la mioglobina; msiste~es a !a fatiga

+--- Fibras musculares gfuco!ltlcas de contracción rápida Diámetro más grande, color ~. se fallgan fáclfmeme

mFIGURA 12-15 Fibras musculares glucolfticas de contracción rápida y oxidativas de contracción lenta Grandes cantidades de mioglobina roja, muchas mitocondrias (M} e Irrigación capilar extensa (cap) distinguen al músculo oxidativo de contracción lenta (marcado Raquf por músculo rojo} def músc.ulo glucolftico de contracción rápida (marcado W por "whrte" músculo blanco). Por el contrario, las fibras glucoliticas se describen como músculo blanco por su menor contenido de mioglobina. Estas fi-

bras musculares además son de mayor diámetro que las fibras de contracción lenta. La combinación de mayor tamaño, menos he· . moglobina y menos vasos sanguíneos hace que sea más probable que las fibras glucolíticas se queden sin oxígeno después de las contracdones repetidas. Por lo tanto, las .fibras glucolíticas se ba~ san principalmente en la glucólisis anaerobia para la síntesis de ATP y se cansan más rápidamente. Las fibras glucolítico-oxidatiVas de contracdón .rápida mues~ tran tanto propiedades de las fibras oxidatiVas como de las fibras glucoliticas. Son más pequeñas que las fibras gluco.Iíticas de contracción rápida y utilizan una combinación de metaboJlsmo.oxi- · dativo y glucolítico para producir ATP. Debido a su tamaño Intermedio y al uso de la fosforiladón oxidativa para la síntesis de ATP, · las fibras glucolítico..oxidativas de Contracción rápida son más resistentes a la fatiga que sus primas glucoliticas de contracción rápida. Las fibras glucolitico-oxidativas de contracctón rápida, al igual que las fibras de contracción lenta, se clasifican como músculo rojo debido a su contenido de mioglobina. · Los músculos humanos constituyen una mezcla de tipos de fi. bras, y la relación entre los tipos varía de un músculo a otro y de un individuo a otro. Por ejemplo, ¿quién tendría más fibras de contracción rápida en los músculos de las piernas, un marato... nista o un atleta que hace salto en alto? En el 0.1adrÓ 12-2 lf se comparan las características de los tres tipos de fibras musculares.

La tensión desarrollada por las fibras musculares individuales es una fundón de/a longitud de las fibras En una fibra muscular, la tensión desarrollada durante la contracdó~ depende diiectarnente de la longitud de loS satcómeros

1

individuales antes de que comience la contracción (Fig. 12-16m). Cada sarcómero se contrae con fuerza óptima si se encuentra en una,Iongitud óptima {ni demasiado largo ni demasiado corto) antes de que comience la contracción. Afortunadamente, la longi· tud de reposo normal de los músculos esqueléticos suele asegum que los sarcómeros se encuentren en una longitud óptima 0.1an~ do comienzan una contracción. A nivel molecular, la longitud del sarcómero refleja la superposición entre los filamentos gruesos y delgados. La teoría del deslizami~to de los filamentos predice que la tensí6n que una fi·

bra muscular puede generar es directamente proporcional a la cantidad de puentes cruzados formados entre los filamentos gruesoS y delgados. Sí las fibras comienzan la contracción con el sarcómero demasiado elongado, los filamentos gruesos y delgados se encontrarán apenas superpuestos, formando pocos puentes cruzados (Fig. 1216e). Esto significa que, en la parte inidal de la contracción, los filameritos que se deslizan pueden interactuar sólo núnirnamente y, por lo tanto, no pueden generar mucha fuerza. En la longitud óptima del satc6niero (Fig. I2-16c}, los filamentos cqmieozan la contracción con muchos puentes cruzados entre los filamentos gi:uesos y delgados, lo que permite que la fibia genere una fuerza óptima en esa contracción. Si elsarcóznero es más corto que la longitud óptima al comienw de la contracción (Fig. 1216b), las fibras gruesas y delgadas tienen demasiada superposidón antes de que comience la contracción. ~ consecuencia, los filamentos gruesos sólo pueden mover a los filamentos delgados una corta distancia antes de que comiencen a superponerse los .filamentos de actina delgados de lados opuestos del sarcómero. Esta superposición impide la formación de puentes cruzados. Si el sarcómero está demasiado acortado de modo que los filamentOs grueso llegan hasta los discos Z (Fig. 12-16a), la mlostna es incapaz de encontrar nuevos sitios de fijadón para la fmmactón de puentes cruzados y la tensión Oistninuye rápidamente. Por lo tanto, el desarrollo de tm-

41~

Capítulo 12 Músculos

Músculo esquelético

415

Ca~atte~~~~-~d_~;-~~~_:t~~::de:~ib~as_mustúliues ,.

·--·.,;;,·:,;·;··

OXIDATIVAS DE CONTRACOÓN lENTA; MÚSCULO ROJO

GLUCOÚTICO·OXIDATIVAS DE CONTRACOÓN RÁPIDA; MÚSCULO ROJO

GLUCOÚTICAS DE CONTRACOÓN RÁ.PIDA;: MúSCULO BLANCO

Más lenta

Intermedia

Más rápida

......

lo""

Rápida

Rápida

Diámetro

Pequeño

Intermedio

Grande

Duración dé la

Más larga

Cort•

Com

Velocidad de desarrollo de tensión máxima

Actividad de mloslna

~~ ~~~ o A

-

contratdón Actividad de c:al"·AT Pasa en el retrculo sarcoplásmlco

Moderada

Alt>

.,,.

Resistencia

Resistente al cansando

Resistente al cansando

Se cansa fácl!mente

"'•

Más utilizado: postura

Posición de pie, deambulación

Menos utillzado: salto

Meta,bolismo

Oxidativo; aerobio;

Densidad de caPilares

.,,.

Gluoo!ítico pero se vuelve más oxida- Gluoolttica; más anaerobia que el tipo glu· tivo en tratamiento de resistencia colítico-oxidatlvo de contraccióh rápida

1

{a) Contracciones únicas: el músculo se relaja completamente entre !os estímulos (A).

Intermedia

100

200

..

300

A

~. 1 400

500

A

--Trempo(ms)-

J~ l~;, s~!~~';.. ~~ --'<

Abundantes

Moderada

Pocas

--Tlempo(ms}-

Color

Rojo oscuro (miogloblna)

Rojo

Pálido

llll FIGURA 12-17 Suma de contracciones

(oj

-''-

¡'

'~--"""- 0-,--_,,,,__

j_ ~=~2~

• {d) Suma que produce tétanos completo:

e! músculo alcanza·!a tensión constante.

,.

A

sión por una única contracción en una fibra muscular es una propiedad pasiva que depende del grado de superposición de los fila· mentes y de la longitud del sarcómero.

La fuerza de contracción aumenta con la suma de las contracdones musculares

51::HiéH!t.

Aumento de la longitud Longitud en reposo óptima

&1 FIGURA 12-16 Reladones longitud-tensión en la

-i,-~

Q

1

O 9

1

¡

eontracelón-!J relajación

1\

~=~o

Baja

Mitocondrias

3==F~

no penniten qua el músculo se relaje completamente.

(e) SUma que produce tétanos no fusionado; los estimules se encuentran lo suficientemente alejados cerno para pennitir que el músculo se relaje un poco entre los estímulos.

AAAAAAAAAA

~1

~

{b) SUma: los estfmutos más próximos entre sí

contracción del músculo esquelético

El gráfico muestra la tensión generada por un músculo esquelé~ko en distintas longitudes en reposo antes de que comience !a con· tracción.

Aunque acabamos de ver que la tensión de una sola contracción está determinada por la longitud inicial del sarcómero, es importante señalar que una única contracción no representa la fuerza máxima que puede desarrollar una única fibra muscular. La fuerza generada por la contracción de una única fibra muscular se puede aumentar incrementando la frecuencia con la cual los potendales de acción del músculo estimulan a la fibra. muscular. Un potencial de acdón muscular típico dura entre 1 y 3 ms, mientras que la contracdón muscular puede durar 100 ms {véase Fig. 12--12). Si los potenciales de acdón!e])etidos están separados por in· tervalos prolongados de tiempo, la fibra muscular tiene tiempo para relajarse totalment~ entre los estímulos (Fig. 1Z..17a 11). Si el intervalo entre los potenciales de acctón se acorta, la fibra muscular no tiene tiempo pan relajarse completamente entre los dos estímulos, lo que conduce a una contracCión más poderosa (Fl.g. l:Z.l7b). Este proceso se conoce como suma y es similar a la suma temporal de los potenciales escalonados que ocurre en las neuronas {mp. 278). Si ~os potendales de acción siguen estimuland9 .a la fibra muscu·

A!AAJ.AiAi!AU..l.&AAAAAAAAAA!AUU

- - Tiempo(ms)-

lar repetidas veces a intervalos cortos (alta frecuencia), la relajadón entre las contracciones disminuye hasta que la fibra muscular logra un eStado de contracción máxima conoddo como tétanos. Existen dos tipos de tétanos. En el tétanos inccmplero (o no fúsionado), la frecuenda de estimulad.ón de la fibra muscular no se encuentra en un valor máximo, y en consecuencia la fibra se relaja ligeramente entre los estímulos (Fig. 1Z..17c). En el tétanos completo (o fUsionado), lafre. cuencia de estimuladón es suficientemente rápida como pata que la fibra. muscular no tenga tiempo para relajaxse. En cambio, alcanza !a"tensifumáxima y se mantiene allí {Flg. 1Z..17d). Por lo tanto, es posible aumentar la tensión desanollada en una úriica fibra muscular modificando la frecuencia con la cual aparecen los potendales de acción en la fibra. Los potenciales de acdón musculares son inidados por la neurona motora somática que controla la fibra muscular.

1:;tR_~ql S 1 Ó N ~>16. 0?-

Suma en las fibras musculares significa que l a - - --de la fibra aumenta con los potenciales de ac· dón repetidos.

17. La suma temporal en las neuronas significa que-- - - - - - - d e la neurona aumenta cuando dos estfmu!os despo!arizantes ocurren con la suflcien· te proximidad en e! tiempo. Respuestas en !a p. 434

1

Mecániéa del movimiento corporal 416

417

capítulo 12 Músculos Un músculo puede tener muchas unidades motoras de diferentes

tipos de fibras.

1

,,,,,,

~ Unidad motora 1

~ Unidad motora 2

~·-~·

·m FIGURA 12~18 Unidades motoras

La unidad motora es una neurona motora somátiCa y las fibras musculares que inerva La unidad basica de contracción en un músculo esquelético

muscular que se asocia con una neurona particular parece ser una ftm.dón de la neurona. Durante el desarrollo del embrión, cada neurona motora somática secreta un factor de creéimiento que dirige la diferenciación de todas las fibras musculares en esa unidad motora de modo que desarrollan el mismo tipo de fibra. Intuitivamente, parecería que Jos individuos que heredart un predominio de un tipo de fibra sobre otrO se destacan en ciertos deportes. En cierta medida es así. Los atletas de resistencia, como los corredores de distancia y los esquiadores de fondo, tienen predominio de fibras de contracción lenta, mientras que los velocistas, los jugadores de hockey sobre hielo y los levantadores de pesas tienden a tener percentajes mayores de fibras de contracción rápida. Sin embargo, la herencia no es el único factor determi~ nante de la composición de las fibras en el cuerpo, porque las ca· racteñsticas metabólicas de las fibras musculares se pueden modificar en cierta medida. Con el entrenamiento de resistencia, se puede aumentar la capacidad aeróbica de algunas fibras de contracción rápida hasta que casi son tan resistentes al cansando como las fibras de contracción lenta. Como la conversión sólo OCU· rre en aquellos músculos que se están entrenando, es probable que participe una sustancia química neuromoduladora. Además, el entrenamiento en resistencia aumenta la cantidad de capilares y de mitocondrlas en el tejido muscular, lo que permite que más sangre oxigenada alcance el músculo que se contrae y contribuya al aumento de la capacidad aerobia de las fibras musculares.

~

1ft . Wfttf't8. ¿Qué tipo de corredor esperaría tener más fibras de

li\OR
contracción lenta, un vefodsta o un maratonista?

Re$pUesta en !a p. 434

intacto es la unidad motora, compuesta por un grupo de fibru musculares que funcionan juntas y la neurona motora somática La contracdón en los músculos depende de los tipos que las controla (Fig. 1Z..18 ~-Cuando la neurona motora somá· y la cantidad de unidades motoras ti ca dispara un potencial de acción, todas las fibras musculares en En el músculo esquelético, cada unidad motora se contrae en la unidad motora se contraen. Obsérvese que aunque una neuroun patrón de todo o nada. ¿De qué modo pueden entonces los na motora somática inerva múltiples fibras, cada fibra muscular músculos crear contracciones graduadas de fuerza y duración vaestá inervada sólo por una única neurona. riadas? La respuesta reside en el hecho de que los m11sculos están La cantidad de fibras musculares en una unidad motora varia. compuestos por múltiples unidades motoras de diferentes tipos En los músculos utilizados para las acciones motoras finas, como {Fig. 1Z..l8). Esta diversidad permite que el músculo varíe la conlos músculos que mueven los ojos o los músculos de la mano, una tracción 1) modificando los tipos de unidades motoras activadas unidad motora tiene de tres a cinco fibras musculares. Si Se acti· o 2) cambiando el número de unidades motoras que están res~ va una de estas unidades-motoras, Sólo se contraen algunas fibras pendiendo en algún momento. y la respuesta muscular es ~uy pequeña. Si se activan otras uni· La fuerza de contracción en un músculo esquelético se puede dades motoras, la respuesta aumenta en incrementos pequeños aumentar reclutando unidades motoras adidonales. El .reclutaporque sólo se contraen algunas fibras musculates más con el miento está controlado por el sistema nervioso y prosigue en una ag¡egado de cada-unidad motora. Esta_disposidón pernrite finas secuencia estandarizada. Un estímulO débil dirigido hada un grugraduaciones del movimlento. po de neuronas motoras somáticas en el sistema nervioso central En los músculos utilizados para las acciones motoras gruesas, activa sólo las neuronas con umbrales más bajos (E! p. 254). Alcomo estar de pie o caminar, cada unidad motora puede contener gunos estudios han mostrado que estas neuronas !ie umbral bajo cientos o induso mUes de fibras musculares. Por ejemplo, el controlan las fibras de contracción lenta resistentes al cansando, músculo gastrocnemio en la pantorrilla de la pierna tiene ~de­ las cuales generan una fuerza mínima. dor de 2 000 fibras musculares en cada unidad motora. Cada vez A medida que aumenta la intensidad del estímulo en el conque una unidad motora adicional es activada en estos músculos, junto de neuronas motoras, comienzan a dispararse neuronas se contraen muchas más fibras musculares y la respuesta muscumotoras adicionales con umbrales más altos. Estas neuronas a su lar se incrementa de manera correspondiente. vez estimulan a las unidades motoras compuestas por fibras glu· Todas las fibras musculares en una única unidad motora son del colítico-oxidativas de contracción rápida resistentes al cansando. mismo tipo. Por lo tanto, existen unidades motoras de contracción Como participan más unidades motoras (y por lo tanto más fibras rápida y unidades motoras de contracción lenta. El tipo de fibra

musculares) en la contracción. se genera una fuerza Dlayor en el ca entre los músculos y los huesos aumenta al máximo el trabajo que pueden realizar los músculos. músculo. A medida que el estímulo aumenta a niveles más altos, comien~ zan a dispararse las neuronas motoras somáticas con umbrales má~ Las contracciones isotónicas inueven cargas, pero x!mos. Estas neuronas estimulan a las unidades motoras compueslas contracdones isométricas crean fuerza sin tas por fibras de contracdón rápida, En este punto, la contracción movimiento muscular_ se está aproximando a su fuerza máxima. Debido. a dife.. rendas en la miosina y en la fozmaclón de puentes cruzados, las fi.. Al describir la ftm.dón de los músculos al principio de este capíbras de contracción ráplda pueden generar más fuerza que las de tulo, se señaló que pueden crear fuerza para generar moV1mi.ento pecontracción lenta. Pero como enas fibras de contracción rápida se ro también pueden crear fuerza sin generar movimiento. Ustetl puefatigan más rápidamente, es imposible que un músculo inantenga de demostrar ambas propiedades con un par de pesas. Recoja una la contracción con una fuerza máxima durante un período prolonpesa en cada mano y luego doble los codos hasta tocar sus hombros. gado. Usted puede demostrarlo si cierra su puño tan fuerte como Usted acaba de realizar una cont.zacdón isotónica (iso, igual; teipueda: ¿cuánto tiempo puede mantenerlo antes de que.algunas de nein, estirar). CUalquier contracción que crea fuerza y mueve una las fibras musculares comiencen a cansarse? carga es una contracción isotónica. Las contracciones sostenidas en un músculo necesitan un tren Cuando usted dobla los brazos por los codos y lleva las pesas hacontinuo de potenciales de ao;ión desde el sistema nervioso central da los hombros, los músculos bíceps se acortan en una acción conhasta el músculo. Sin embargo, como se vio antes, el aumento de la céntrica. Si usted ahora extiende lentamente sus brazos, resistiendo frecuencia de estimuladón de una fibra musculár conduce a una sula tendencia de las pesas a llevarlos hada abajo, usted está realizan. ma de sus contracciones. S! la fibra muscular se cansa fádlmente, la . do otro tipo de contracción isotónica conocida como acción excénsuma produce cansando y disminuye la tensión {Fig. J.2..17d). trica (o de alargamiento) (oc·, fuera de; centmm, centro). Se consideUna fonna en que el sistema nervíoso evita el cansando en las ra que el movimiento excéntrico es el que más contribuye al dafio contracciones sostenidas es el reclutamiento asincrónico de unida· celular después del ejercido y conduce al dolor muscular tardío. des motozas. El sistema nervioso modula la frecuencia de disparo cte Si usted recoge las pesas y las mantiene estacionarias delante sulas neuronas motoras de modo que las diferentes unidades motoras yo, los músculos de sus brazos están creando tensión (fuerza) para toman tumos que mantienen la tensión muscular. I.a alternanda de superar las cargas de los pesos pero no están creando movimiento. neuronas motoras activas pennite que algunas de las unidades moLas contracciones que crean fuerza sin mover una carga se denomi· toras descansen entre las contracciones, lo que evita el cansando. nan contracciones isométricas (estátitas) (iso, igual; metric, medi~ Sin embargo, el reclutanyento asincrónico- impedirá el can~ dón). En la figura 1Z..l9 1!0 se muestran las contracciones isotónicas sancto sólo en las contracciones subntáx:imas. En las contraccioe isomét:ricas. Para dem~ una contracción isotónica experimennes de alta tensión sostenidas, las unidades motoras individuales talmente, wlgamos un peso (una carga) del músculo como en la fi. pueden alcanzar un estado de tétanos no fusionado, en el cual las gura 1Z..19a y estimulamos eléctricamente el músculo para contraer· fibras musculares se alternan entre la contracción y la relafadón lo. El músculo se contrae, levantando el peso. El gráfico de la derepardal. En genera]. no notamos esto porque las diferentes unida· cha muestra el desarrollo de la fuerza durante toda la contracción. des motoras en el músculo se están contrayendo _y relajando en Para demostrar experimentalmente una contracción isométrica, tiempos ligeramente diferentes. En consecuencia, las contracciofijamos un peso mayor al músru!o, como se muestra en la figura lZ.. nes y relajaciones de las unidades motoras se promedian y pare-. 19b. Cuando se estimula el músculo se desarrolla tensión, pero la cen ser una contraCCión suave. Pero a medida que las diferentes fuerza creada no es suficiente para mover la carga. En las contracciounidades motoras se fatigan, no podemos mantener el mismo: nes isométricas, los músculos crean fuerza Sin acortamiento signifi~ grado de tensión en el niúsculo, y la fuerza de la contracción gra. cativo. Por efemp!o, cuando su instructor grita "aprieten esos glú· dualmente dis~uye. · teos", su respuesta es la contracción isométrica. de los músculos glúteos de sus nalgas• .,RJ¡;~ISIÓN ¿Cómo puede tma contracción isoinétrica crear fuerza si la longi· ~~~ 19. ¿Cuál es la respuesta ~e una fibra muscular a! au· tud del músculo no cambia significativamente? Los elementos elás-'?}? mento de la fre
1

418

Mecánica del movimiento corporal

Capítulo 12 Músculos Esquema de los elementos elásticos en serie

(a) Contracción isotónica: el músculo se contrae, se acorta ycrea suficiente fuerza com
El músculo se contrae

Jii_..

El músculo se relaja

a 3o

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25

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15

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10

El músculo

¡ml•i•

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--Tiempo----+-

Músculo estimulado {b) COntracción isométrica: el músculo se contrae pero no se acorta. La fuerza no puede mover !a cmga.

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~ 30

1

El músculo se contrae

"''l"~ Ak=c:";'

~músculo se"relaja

21 FIGURA 12-19 Contracdones isotónicas e isométricas

•

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25

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20

8

Fuerza necesaria para mover la carga

-------------_::::ETñiifsCuiO~

se relaja

@

Los huesos y los músculos alrededor de las articulaciones forman palancas y puntos de apoyo La disposición anatómica .de los músculos y huesos en el cue-r~ po está relacionada directamente con el ni.odo en que funcionan los músculos. El cuerpo utiliza sus huesos y articulaciones como palancas y puntos de apoyo sobre los cuales los músculos ejercen fuerza para mover o resistir. una q¡rga. Una palanca es una barra rígida que gira alrededor de un punto conocido como fulcro o punto de apoyo (Fig. 12-21a 11). En el cuerpo, los huesos forman palancas, las articulaciones flexibles forman los puntos de apoyo y los músculos fijados a los huesos crean fuerza al contraerse. La mayoría de los sistemas de palanca en el cuerpo son similares a los que se muestran en la figura 12-21a, donde el punto de apoyo se localiza en un exttemo de la p~anca, la carga está cerca del otro ext{_emo de la palanca y el músculo se inserta entre el punto de apoyo y la carga. Esta disposición optimiza la.distanda y la velocidad con la cual la palanca puede mover la carga pero también requiere que los músculos realicen más trabajo. Con la flexíón del

----

®

~15

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~ 10 ~

5

--Músculo estimulado

li'i» Músculo

en reposo

acortando y creando tensión (Fig. 12-20, (2)). Una vez que los elementos elásticos se han estirado y la fuerza generada por los sarcóroeros iguala a la carga, el músculo se acorta en una contracción isotónica y levanta la· carga.

®

antebrazo se ilustrará el modo en que fundona este sistema de palancas. En el sistema de palancas del antebrazo, la articulación delcodo actúa como el punto de apoyo alrededor del cual tiene lugar el movimiento rotacional del antebrazo (la palanca) (Fig. 12-Zla). El músculo bíceps está unido en su ofigen en el hombro y se inserta en el hueso del radio del antebrazo algunos centímetros más allá de la articulación del codo. Cuando el bíceps se contrae, crea ·la fuerza ascendente F1 (Fig. 12-21b) y tracciorla del· hueso. La fuerza rotacional total* creada por el bíceps depende de la fuerza de la contracción muscular y de la distancia entre el punto de apoyo y el punto en_ el cual el músculO se inserta en el radio. Si el bíceps mantiene el antebrazo estadonario y flexionado en un ángulo de 90", el músculo debe ejercer la fuerza rotacional ascendente suficiente como para oponerse exactamente a la fuerza rotacional descendente ejercida por la gravedad sobre el anteb~o (Fig. 12-21b). La fuerza rotacional descendente sobre el antebrazo es proporcional al peso del antebrazo (F?J por la distanda desde el punto de apoyo hasta el centro de gravedad del antebrazo (punto a lo largo de~ palanca en el cual la carga del antebra•En física, la fuma rotadonal se llama rmque y la fuerza de rontracdón se up¡:esa en newtons (masa x aceleradón debida a li gxavedad). Pala simplificar tgno¡a¡e. mos en esta expUc;:actón la fuerza de la gravedad y ut!llzaremos la unidad de masa •kllogra¡nos• para la fuma de mntracctón.

Contracción lsométrica: 'el músculo no se ha acortado. los saroómeros se acortan, generando fue¡z¡¡, pero los elementos elásticos se esti1211, lo que permite mantener !a longitud ·deJ músculo.

Contracción Isotónica: los sarcómeros se acortan

más pero, como los -elementos elásticos ya están estirados, se 'debe acortar la totalidad · i:lel músculo.

fil FIGURA 12-20 Elementos elásticos en serie en el músculo

.

Un músculo tiene tanto componentes contráctiles (sarcóm~ros, representados por e! engranaje y el trinquete} como compo-nentes elásticos {representados por el resorte).

zo ejerce su fuerza). Para el brazo que se muestra en la figura 1221b, el bíceps debe ejercer 6 .kg de fuerza para roailtener el brazo en un ángulo de 90~. Como el músculo no se está acortando, es una contracción ísomébica. Ahora ¿qué sucede si se coloca ~peso de 7 kg en la mano? Este peso impone una carga adicional ~bre la palanca que está más alejada del punto de apoyo que el centro de gravedad del an· tebrazo (Fig. 12-2lc). A menos que el bíceps pueda ciear una fuerza ascendente adicional para superar la fuerza descendente creada por el peso, la mano caerá. Si usted conoce la fuerza ejercida por el peso agrega<;Io y su distancia desde el codo, puede calcular la fuerza muscular adicional necesaria para evitar que el brazo deje ~un peso de 7 kg.

419 ·

¿Qué sucede con la fuerza necesaria para que el bíceps mantenga un peso si cambia la distancia entre el punto de apoyo y el punto de inserción muscular? la variabilidad genética en el punto de inserción puede tener un efecto espectacular sobre la fuerza necesaria para mover o resistir un peso. Por ejemplo, si el bíceps de la figura 12·21b se insertara a 6 cm del punto de apoyo en lugar de s-cm, sólo necesitaría generar 5 kg de fuerza para superar el peso de! brazo. Algunos estudios han mostrado una correlación entre los puntos de inserción muscular y el éxito en ciertos hechos atléticos. En e! ejemplo dado, hemos aceptado que el peso es estaQ.onario y que el músculo se está contrayendo de modo isométrico. ¿Qué sucede si queremos_ flexionar el brazo y levantar la carga? Para mover la carga de su posición, el bíceps debe ejercer una fuerza que exceda la fuerza creada por la carga estacionaria. La desventaja de un sistema de palanca en el cual el punto de apoyo se ubica cerca de un extremo de la palanca eS que el músculo necesita generar mucha fuerza para mover o resistir una carga pequeña, como se acaba de ver. Pero la ventaja de este tipo de sistema de palanca-punto de apoyo es que optimiza la velocidad y la movilidad. Un pequefiO movimiento del antebrazo en el punto de inserción del músculo se convierte en un movimiento mucho mayor en la mano (Fig. 12-22 Bi). Además, los dos movimientos ocurren en la misma cantidad de tiempo y por lo tanto la velocidad de contracción en el punto de inserción está amplificada en la roano. Por lo tanto, el sistema de palanca-punto de apoyo del brazo amplifica tanto la distanda a la cual se mueve la carga como la veloddad con la cual tiene lugar el movimiento. En fisiología muscular, la velocidad con la cual se contrae un músculo depende del tipo de fibra muscular (de contracdón rápida o contracdón lenta) y de la carga que se está moviendo. Intuitivamente se comprende que se puede flexionar su brazo mucho más rápido cuando no tiene nada en la mano que cuando sostiene un peso de 7 kg. La reladón entre carga y velocidad de contracción de una fibra muscular, determinada experimentalmente, está graficada en la figura 12-23 1§. La contracción es más rápida

1

420

capítulo 12 Músculos

Músculo liso

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culares más rápidas. Sin embargo, la disposición de los músculos, los huesos y las articulaciones permite que el cuer~

Patanca

S antebrazo humano actúa como una 8 punto de apoyo es la articulación del codo. La ca¡ga es la gravedad que actúa sobre !a masa del antebrazo y ta mano.

!

po amplifique la velocidad, de modo que la regulación a nivel celular se toma menos importante.

~n,fl,óm ~fK~t

':9'

(b}

La contracción del b!ceps crea una fuerza asCendente F1•

El peso del antebrazo ejerce una fuena hacia abajo de 2 kg en su centro de gravedad, que se encuentra a 15 cm del punto de apoyo.

1

~

Fuerza rotaclonalebaiG O< carga F2 x 15 cm e><:2kgx15~m

Pwa mantener el brazo estacionario á éa grados, la fuena rotacional creada por el bfceps que se contrae debe oponerne ~ctamente a la rotación descendente creada por el peso del antebrazo. Fueaa rotacionalarr;tta."' Fuerza rotaclonaloba!
Fuerza. del bíceps x Scm"' 2 kg x 15cm Fuerza det bfceps"'

30

5k¿~m

Fue!Zll del bíceps"' 6 kg

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PR':EGUNTA ,

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¿Cuánta fuma adicional debe ejercerelbfcepsparaevitar ••.,.,,,,.,_,

Se agrega una carga da 7 kg a la mano, a 25 cm del codo.

mFIGURA 12-21 El brazo es un sistema de palanca y punto de apoyo·

cuando la carga sobre el mJ4culo es cero. Cuando la carga sobre el músculo iguala a su capactda<J, para crear fuerza, el músculo es incapaz de mover la carga y la Velocidad cae a cero. El músculo aún puede contraerse, pero la contr
competencia tienen inserciones musculares que están más alejadas de la articulación que las del indivi· duo promedio. ¿Por qué este rasgo se traducirla en una ventaja para un levantador de pesas? Respuesta en la p. 434

421

Esqhehltico

' 1

~ardíaco

Uso

:§

j

PREGUNTA Si el bfceps se acorta 1 cm en 1 segundo, ¿con .qué velocidad

La disfunción en los músculos esqueléticos puede surgir

por un problema con la señal del sistema nervioso, por una mala comunicación en la unión neuromuscular o por defec~ tos en el músculo. Láineiltablemente, en muchos trastornos musculares, incluso en los más simples, no se conoce totalmente el mecanismo del defecto priinario. En consecuencia, se. pueden tratar los síntomas pero no curar la afección. Un trastorno muscular frecuente es el calambre muscular, una contracción dolorosa sostenida del músculo esquelético. Muchos calambres musculares se producen por hiperexdtabilidad de las neuronas motoras somáticas que contiolan el músCUlo. Cuando la neurona_ se dispara d~asiado, las fibras musculares de su unidad motóra en~ en un estado de contracción sostenida dolorosa. Aveces los calambres musculares pueden ser aliviados estirando forzadamente el músculo. Al parecer, el estiramiento envía húormadón sensitiva al sistema nervioso central que inhibe la neurona motora somática, aliviando el calambre. Los trastornos musculares más simples se originan por un uso exagerado. La mayoña de nosotros nos hemos ejercitado demasiado tiempo o demasiado duro y padedmos cansancio o dolor muscular como resultado. El traumatismo muscular puede producir desgarro de las fibras musculareS, la vaina de J tejido conectivo o la unión del músculo y el tendón. La falta de uso de los -músculos puede ser tan. traumática como el uso. exagerado. Con una inactividad prolongada, como puede ocurrir cuando se inmoviliza una extremidad con un escayolado o yeso, los músculos esqueléticos se atrofian. La irrigación del músculo disminuye y las fibras musculares se hacen más pequeñas. Si se reanuda la actividad en menos de un afio, las fibras habitualmente se regeneran. La atrofia de más de un afio suele ser permanente. Si la atrofia es el resultado de la disfunción de la neuróna motora somática, en la ac~ tualidad los terapistas intentan mantener la functón muscular administrando impulsos eléctricos que estimulan ditectamen~ te las fibras musculares. Los trastornos adquiridos que afectan el sistema muscular esquelético incluyen enfermedades infecciosas, comO la gripe, que producen debilidad y dolor, y el envenenamiento por toxiw nas, como las producidas en el botulismo (Clostridium batulinum) y el tétanos (Clostridium tetanQ. La toxina botulínica actúa dismi· nuyendo la liberación de acetilcolina de la neurona motora somática. Algunos investigadores dúticos han utilizado con éxito in· yecciones de toxina botulínica como tratamiento para el calam-

Cuando el bíceps se contrae y acorta 1 cm, la mano se mueve hacia arriba 5 cm . .

"""'·

Los trastornos musculares tienen múltiples causas

El b!ceps se rnserta en la palanca a 5 cm del punto da apoyo.

Fuerza rotacionalamba O<: fuerza del bíceps F1 x 5 cm del puiño de apoyo.

. Un estudio determinó que muchos atletas de alta

Como la inserción del bíceps está próxima al punto de apoyo, un pequeño movimiento del bíceps se convierte en un movimiento muchO mayor de la ,

o

2

3

4

5

--Tiempo (s)----+-

se mueve la mano hacia arriba?

mFIGURA 12-22 El brazo amplifica la velocidad

liil FIGURA 12·24 Duradón de la contracd6n muscular en los

tres tipos de músculo

de IJIOVimiento de la éarga

bre del escribiente, un calambre incapadtante de la mano que surge aparentemente como resultado de la hiperexdtabilldad en la porctón distal de Ia neurona motora somática, Usted debe haber oído de las inyecciones de Botox® para la reduCCión estética de las arrugas. La toxina botuünica inyectada debajO de la piel paraliza transitoriamente los músculos faciales que tiran de la piel en las arrugas. Los trastornos musculares hereditarios son los de más dificil tratamiento. Estos trastornos incluyen distintas fonnas de distrofia muscular y defectos bioquímicos en el almacenamiento del · glucógeno y los lipidos. En la distrofia muscular de Duchenne, la proteína estructural distrofina, que une la actina con proteínas de la membrana celular, está ausente. En las fibras musculares que carecen de distrofina; pequefios desganos en la membrana penni~ ten que el eau extracelular entre en la fibra. En consecuencia, se activan las enzimas intracelulares, lo que conduce a la degrada-

!

A

1

PR"EGUillTAS

2e

" ¿En qué punto de la curva es isométrica la contracción? • ¿En qué punto la contracción muscular se encuentra en

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velocfqad máxima?

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2

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1

Q

~----------~~· - - Garga sobre el músculo~

mFIGURA 12~23 Reladón carga·velocidad en el músculo es· que/ético

ctón de los componentes de las fibras. El síntoma prlndpal de la distrofia de Duchenne es la debilidad muscular progresiva, y los padentes suelen morir antes de los 30 ~os por insuficiencia de los músculos respiratorios. La enfennedad de McA.rdle, también conocida como glucogenosis por deficienda de miofosfiJrilasa, es un trastorno en el cual la enzima que éonvierte glucógeno en·glucosa-6-fosfato está ausente en los músculos. En consecuencia, los músculos carecen de un aporte de energía utilizable del glucógeno y la tolerancia al ejercido es limitada. Una forma por medio de la cual se intenta saber más sobre las enfermedades musculares son los modelos animales, como ratones a los que, mediante téatlcas de ingeniería genética, se les eliminan loS genes para ciertas proteínas musculares. Los investigadores intentan correlacionar la ausencia de la proteína con disfunciones particulares.

MÚSCULO LISO Aunque el músculo esquelético representa la mayor masa muscular del-cuerpo, el músculo cardiaco y el liso son más impor~ tantes para el mantenimiento de la homeostasis. El mdsculo liso se encuentra predominantemente en las paredes de .los órganos y tubos huecos, y su contracción cambia la forma de la estructura. A menudo el músculo liso genero. fuerza para mover material a través de la luz del órgano. Por ejemplo, las ondas secuenciales de contraCCión del músculo liso en el tracto intestinal mueven el material ingérido desde el esófago hasta el colon. El músculo liso es notablemente diferente del músculo estria· do con reSpecto a la forma en que desarrolla tensión. En la contracción de un músculo llso, la contracctón y la relajación acunen mucho más lentamcitte que en el músculo esquelético o en el músculo cardiaco (Fig. 12-24 El). Al llusmo tiempo, ·el músculo liso utiliza menos energía para generar una cantidad dada de fuer. za y puede mantener su fuerza durante peñodos prolongados. Se estima, por ejemplo, que una. célula de músculo liso puede generar una tensión máxima sólo con 25--30% de sus puentes cruzados activos. AUn no se conocen completamente los mecanismos a tra. vés" de los cuales se logra.

1

4:U

Músculo liso

Capítulo 12 Músculos

Además, tiene bajas tasas de consumo de oxígeno aunque puede sostener las contracciones durante períodos extensos sin sufrir fatiga. Esta propiedad permite que órganbs como la vejiga mantengan la tensión a pesar de una carga continua. También permite que algunos múscul.os lisos se contraigan tónicamente y mantengan la tensión mucho tiempo. Los esfínteres (sphingien, cerrar) esofágico y vesical son ejemplos de múscul.os con contracción tónica cuya función es cerrar el orificio de un órgano hueco. Estos esfínteres se relajan cuando es necesario permitir que el material entre en el órgano o lo abandone. .• Hasta recientemente, el músculo liso no había sido estudiado tan extensamente como el músculo esquelético, por muchas razones: 1. El músculo liso tiene más variedad. Hay muchos tipos de i:núsculo liso con propiedades ampliamente diferentes en todo el reino animal, lo que hace imposible un modelo único de función del músculo liso. En los seres humanos, el músculo liso puede dividirse en seis grupos principales: vascular (paredes de los vasos sanguíneos), gastrointestinal (paredes del tubo digestivO y órganos asedados, como la vesícula biliar), urinario (paredes de vejiga y uréteres), respiratorio (vías aéreas), reproductivo {útero en las mujer~ y otras estructuras reproductivas tanto en mujeres como en hombres) y ocular (ojo). Estos mUiculos tienen diferentes funciones en el cuerpo y su fisiología es un reflejo de sus funciones especializadas. Por el contrario, el músculo esquelético és relativamente Uiiiforme en todo el cuerpo. 2. La anatomía del músculo liso hace dificultosos los estudios funcionales. Las fibras contráctiles del músculo liso están dispuestas en haces oblicuos más que en sarcómeros paralelos. En consecuencia, una contracción tira de la membrana celular en muchas direcciones a la vez. Además, dentro de un órgano las capas de músculo liso pueden es· tai: orientadas en varias direcciones. POr ejemplo, el intesti· no tiene una capa que rodea la luz y una capa perpendicular que rodea toda la longitud del intestino. Es dificil medir la tensión que se desarrolla en ambas capas a la vez. 3. La contracción del músculo liso está controlada por hormonas y sustancias paracrinas además de ~euro­ transmisores. Al contrario d~ músculo liso, que está con· trolado sólo por acetilcolina de las neuronas motoras somáticas, la actividad del músculo liso puede ser controlada por acetilcolina, noradrenalina y úna: gran variedad de neurotransmisores, hormonas y sustancias paracrinas. 4. El músculo liso tiene. propiedades eléctricas variables. Los músculos esqu"eléticos normales siempre responden· a un potencial de acción con una contracción, pero los mús· culos lisos muestran distintos comportamientos eléctricos. Pueden hiperpolarizarse y despolarizarse, y pueden despo-larizarse sin disparar potenciales de acción. La contracción puede tener lugar después de un potencial de acción, des-pués de un potencial escalonado subumbral o sin ningún cambio en el potencial de membrana. 5. Múltiples vías influyen en la contracción y la relajación del músculo liso. Los músculos esqueléticos se cont:taen en respuesta a la acetikolina de una neurona motora somática, y se relajan atando el estímulo para la contracción cesa. En

1

{a) las células de músculo Uso de unidad única están conectadas por uniones en hendidura y fas células se contraen como una unidad única.

MÚSCULO IJSO YATEROSCLEROS!S Durante años se pensó que las células del múso.Jio liso maduro h,a· bían perdido la capacidad para sufrir mitosis, pero algunos esttJ. dios recientes han mostrado otra cosa. Las células de músculo liso no sólo pueden reproducirse, sino que su proliferación también puede desempeñar un papel imPortante en la aterosderoSis, una enfenn~ad de Jos vasos sangufneos en la cual la lUz del vaso Se estrecha a medida que se hace más gruesa la Pared del Vaso. En la matriz extrace!ular hay depósitos grasos caldfkados que conducen a un estado de endurecimiento que~ brinda á la .ateroSclerosis su nombre popular. endurecirniénto de las arterias. tomo péirte del proceso de la enfermedad, iai·C:élulas· de músculo liso en J¡j"pared del vaso sangufneo se convierten de un estado. contráctil _a _un estado pro!lferativo. Durante la prolifera~Ón, las células musculares migran hada la luz, se dividen y.atumulan colesterol: Este cambio en la función del músculo liso está r~ulado poi fadorés de crecimiento y dtodnas liberadas por Jos leucocitos "en la región de la lesión aterosderóticá. Algunos lnveStigildoreS inte_ntan revelar la historia completa que suby
contraste, múltiples neurot:Iansm.i.sores, hormonas y sustancias paracrinas que actúan sobre una fibra muscular lisa pueden inlubir la contracción y estimularla. Ycomo varias señales diferentes podóan alcanzar simultáneamente la fibra muscular, las fibras de músculO liso deben actuar como centros integradores. Por ejemplo, a veces los vasos sanguíneos reciben mensajes contradictorios provenientes de dos fuentes: un mensaje señala para la contracción, el otro para la relajación. Las fibras de músculo liso deben integrar las dos señales y ejecutar una respuesta apropiada. La complejidad de las vías reguladoras que se superponen e influyen en el tono del músculo liso hace dificil trabajar con él en el laboratorio. Acausa de la variabilidad de tipos de músculo liso, en este capítulo se presentarán sólo sus características generales. Las propiedades especificas de cada tipo se examinarán después cuando se analicen los düerentes músculos en los próximos capítulos.

Las fibras del músculo liso son mucho más peque~ ñas que las fibras del músculo esquelético Las células del músculo liso son fusiformes y pequeñas con un núcleo único, al contrario de las grandes fibras multinudeadas de los mÚSCUlos esqueléticos. En el músculo liso controlado neural· mente, el neurotransmisor es liberado de las varicoSidades de las neuronas autónomas (~p. 383) próximas a la superficie de las fibras musculares. El músculo liso carece de regiones receptoras especializadas como las placas terminales motoras halladas en las sinapsis del músculo esquelético. En cambio, el neurotransmisor simplemente difunde a través de la superficie celular hasta que encuentra un receptor. La mayor parte del músculo liso es músculo liso de unidad

423

(b) las células de músculo liso da unidades múltiples no están

conectadas eléctricamente. y cada célula debe ser estimulada de forma independiente,

~ FIGURA 12-25 Tipos de inúsculo liso

única (músculo liso unitario), denominado así porque las células musculares individuales se contraen como una sola unidad. El músculo liso de unidad única también se denomina músculo liso visceral porque forma las paredes de los órganos internos (vísceras), como los vasos sanguíneos y el tubo digestivo. Todas las fibras del músculo liso de unidad única están conectadas eléctricamente entre sí, de modo que un potencial de acción en una ·célula se propaga rápidamente a través de las uniones en hendi~ dura para hacer contraer a toda la capa del tejido (Fig. 12-25a §). Como las fibras se contraen todas las veces, no queda ninguna unidad de reserva para reclutar y aumentar la fuerza de contracción. En cambio, la cantidad de CaZ+ que entra a la célula determina la fuerza de contracción, como se verá en la explicación que sigue. · El músculo liso de unidades múltiples consiste en células que no están conectadas eléctricamente. En consecuencia, cada célula muscular individual debe estar asociada estrechamente con una terminación axónica o vartcosidad y ser estimulada de forma independiente (Fig. 12-25b). Esta disposición permite un control fino de las contracciones en estos músculos a través de la activación selectiva de las células musculares individuales. Como sucede en el músculo esquelético, el aumento de la fuerza de contracción requiere el reclutamiento de fibras adicionales. · El músculo liso de unidades múltiples se encuentra en el iris y el cuerpo ciliar del ojo, en parte del tracto reproductor masculino y en el útero, excepto inmediatamente antes del trabajo de parto y el parto. Es interesante señalar que. el músculo liso de unídades múltiples del útero cambia y se convierte en músculo liso de unidad única durante los estadios finales del émbarazo. Los genes para la sin tesis de las proteínas conexinas de las uniones en hendidura se activan, al parecer bajo la influencia de las hormonas del embarazo. El agregado de uniones en hendidura a las células del músculo uterino sincroniza las señales eléctricas, lo que permite que el músculo uterino se contraiga más eficazmente mientras se expulsa al feto.

,ISIÓN

·:¿Cuál es la diferencia en el modo en que se varía la fuerza de contracción en el músculo liso de unidades múltiples y el músOJio liso de unidad única? Respuesta en la p. 434

El músculo liso tiene filamentos de actina y de miosina más largos El músculo liso utiliza muchos de los mismos elementos contráctiles que el músculo esquelético: puentes cruzados de actinamiosina, retículo sarcoplásmico con canales de liberación de caz.. y una señal de cau que inicia el proceso. Sin embargo, los detalles de los elementos estructurales y el proceso de contracción q.¡.. fieren en los dos tipos de músculo.

1

Músculo liso 424

425

Capítulo 12 Músculos

los músculos lisos tienen filamentos de actina y de miosina más Ja:rgos que los músculos esqueléticos, y la isoforma de la miosina en el músculo liso es diferente de aquella·en el músculo esquelético. La actividad ATPasa de la miosina del músculo liso es mucho más lenta, con una menor velocidad en los ctdos de puentes cruzados y una fase de contracción más prolongada. Además, una de las cadenas proteicas más pequeñas en la cabeza de la miosina desempeña un papel regulador en el control de la contracción y la relajación. Esta pequeña cadena proteica- reguladora se denomina cadena liviana de miosina. La actina es más abundante en el músculo liso que'eñ. el músculo ~ado, con una relación actina-miosina de 10-15 a 1, en comparación can 2-4 a 1 en el músculo estriado. La actina del músculo liso está asociada con tropomioSina, como en el músculo esquelético. Sin emba:rgo, al cantrarlo del músculo esquelético, el músculo liso carece de troponina. El músculo lisO tiene menos retículo sareoplásmico que el músculo esquelético, aunque la cantidad vaña de un tipo de músculo liso a otro. El canal de liberación pñmario de eaz.. en el 'reticulo sarcoplásmico del músculo liso es un IP3 receptor-canal. El trüosfato de inositol (IPJ es un segundo mensajero creado en la vía de la fosfolipasa e (¡¡¡¡;¡p. 184). La función de almacenamiento de caldo del retículo sarcoplásmico puede complementarse con caveolas ( 11! p. 149), vesículas pequeñas que se agrupan pr6ximas a la membrana celula:r (Flg. 12-26 D!l}.

1

l!ll FIGURA 12~26

Caveolas en músculo liso

Los filamentos contráctiles del músculo liso no están dispuestos en.sarcómeros El músculo liso obtiene su nombre del aspecto homogéneo de su citoplasma bajo el microscopio {Figs. 12-l_c y 12-26). Las fibras

contráctiles no están organizadas en sarcómeros, razón por la cual el músculo liso no tiene patrones de bandas definidas como el estriado-. En cambio, la actina y la miosina están ~u estas en

5. El control pñmario de la contracción reside en la regulahaces largos que se extienden diagonalm~nte alrededor de la pedónde la actividad de la miosina ATPasa. riferia celular formando una red o malla alrededor del núcleo central (Fig. 1Z...27a li). La disposición oblicua de los elementos con:(<-3RJi~jl S 1 Ó N . . tráctiles debajo de la membrana celular hace que las fibras de 1:-,t)p:P 26. Compare los elementos 1, 3, 4 y 5 de la lista anterior músculo liso se tomen globulares cuando se contraen {Fig. 12%f!Y con lo que sucede durante la contracción del múscu27b), en lugar de acortarse simplemente como lo hacen los lo esquelético. (Sugerencia: véase Fig. 12·11.) músculos esqueléticos. Respuesta en !a p. 434 Los filamentos largos de actina del músculo liso se unen a cuerpos densos de proteína en el citoplasma y terminan en las La figura 12-28 !1 ilustra los pasos de la contracción del músculo placas de fijad6n en la membrana celular (Fig. 1~27a, e}. los filaliso. La contracción comienza cuando las concentraciones citosómentos de miosina menos abundantes se ubican en haces entre licas de eaz+ aumentan luego de la entrada del eaz.. desde ellíqui· los filamentos largos de actina y están dispuestos de modo que la do extracelular y la b""beradón de Ca-2+ desde el retículo sarcoplástotalídad de la superlicie está cubierta por las cabezas de miosina mico. Los iones caldo se unen a la calmodulina {CaM) y obede(Fig. 12-27d). (Recuerde que en el sarcómero de los músculos escen a la ley de acctóil. de masas (~p. 40). El complejo Ca2+-calqueléticos, el centro del filamento de miosina carece de cabezas moduüna activa luego una enzima denominada dnasa d!'! la ca· demiosina) dena liviana de la miosina. Esta enzima aumenta la actividad de La línea continua de las cabezas de miosina permite que la acla miosina ATPasa al fosforilar las cadenas de proteínas livianas tina se deslice más a lo largo de la miostna. Esta organización sinen la cabeza de miosina. Cuando la actividad de miosina ATPasa gular permite que el músculo liso sea estirado más pero manteo. es alta, la unión de la actina y los ctclos de los puentes cruzados niendo la suficiente supezposidón de fibras como para crear una · aumentan la tensión en el músculo. Por lo tanto, la contracción tensión óptima. Se trata de una propiedad importante para los órdel músculo liso está controlada fundamentalmente a través de ganos internos, como la vejiga, cuyo volumen vaña a medida que procesos reguladores ligados a la miosina más que por la regula· se llena y vaáa alternativamente. dón ligada a la actina del músculo esquelético. ,f;i

c;,R.~'MJSIÓN

~~~23. ¿A qué estructura son análogos los cuerpos densos 'Zi<:-

{b) la dísposición de !as fib!'as hace que !a célula se vuelva globosa cuando

(a) La actina y !a m!OSina están laXamente orgánlzadas alrededor de la peñfe1ia. de !a célula, mantefidaS en el Jugar por cuerpos densos

,.,_.

proteicos.

eomro¡¡i'" • "-'{;,' ,'o,

""""""" t

{e) la mloslna puede

deslizarse a !o !algo detaactlna por !atgas diStancias sil)

enco•eJextremo

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Estado de contracción

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Placadefijaclón

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dapro!eínas

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da un san:ómem.

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(d} La m!oslna del m!lsculo liso tiene cabeza$ con bisagras

en toda su longitud.

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grueso de mloslna

...ro • ........~~~~~........,__~ delgado de

mFIGURA 12·27 Anatomia de músculo liso

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que fijan la actina del músculo liso en un sarcómero? (Sugerenda: véase Fig. 12·5.)

La relajación en el músculo liso tiene varios pasos

La relajación en una fibra de músculo liso es un proceso de múltiples pasos (Fig. 12-29 !m). Como sucede en el músculo esque24. Mencione tres formas en que difiere !a miosina del lético, el eaz..libre es eliminado del cttosol"cuando la eaz..·ATPa· músculo liso de la miosína del músculo esquelético. sa lo bombea nuevamente hacia el retículo sarcoplásmico. Ade. más, algo del Ca2+ es bombeado fuera de la célula con ayuda del 25. Mencione una forma ien que difiere la actina y sus intercambiador contratransportador Ca2+-Na+ (~p. 139) y la proteínas asociadas en e! músculo esquelético y el músculo liso. Ca2+·ATPasa. Por la ley de acción de masas, una disminución en Respuestas en !a p. 434 el CaZ<- citoSÓlico libre hace que el CaZ+ se sepa:re de la Caimoduli• na En ausencia de Ca2+-calmodulina, la ctnasa de las cadenas J.i· La fosforiladón de las proteínas desempeña un vianas de miosina se inactiva. papel dave en la contracción del músculo liso El paso adicional en la relajación del músculo liso es la desfosLos eventos moleculares de contracción del músculo lisQ son · foriladón de la cadena liviana de miosina, que disminuye la actisimilares de muchas formas a los del músculo esquelético, pero vidad de la miosina ATPasa. La eliminación del grupo fosfato de existen algunas diferencias importantes. La diferencia principal es la miosina se logra con ayuda de la enzima miosinfosfatasa. Es interesante señalar que Ia desfosforilación de la miosina no el papel de la fosforilación en la regulación de la contracción. A continuación damos un resumen del conocimiento actual de produce automáticamente la relajación. Bajo condiciones que no los puntos clave de la contracción del músculo liso. En el múscuconocemos completamente:, la miosina desfosforilada puede loliso: mantenerse unida a la actina durante un período de tiempo en lo que se conoce como estado ''apestillado". Esta condición man1. Un aumento del eaz.. citosólíco inicta la contracción. El tiene la tensión en la fibra muscular sin consumir ATP. Es un fac· Ca2+ es liberado del retículo sarcoplásmico y también entra tor importante en la capacidad del músculo liso para mantener la desde el líquido extracelular. contracción sin fatigarse. Los músculos de bisagra de ciertos mo2. El eau se une a la calmodulina, una proteína fijadora haluscos bivalvos como las ostras pueden entrar en un estado de an· llada en el dtosol. (En el músculo esquelético, el CaZ+ se une claje similar que les permite mantenerse apretadamente cerrados a la troponina, de la que carece el músculo liso.) bajo condiciones anaerobias. 3. La unión del eau a la calmodulina es el primer paso en JSIÓN una cascada que termina en la contracción. (En el múscu. ¿Qué sucede ron la contracción si un músculo Hso es lo esquelético, la unión del eaz.. inicia inmediatamente la colocado en un baño de soludón salina del cual se ha contracción.) eliminado todo el caldo? 4. La fosforilación de las proteínas es un paso esencial en la Respuesta en !a p. 434 contracción.

1

426

Capítulo 12 Músculos Músculo liso

las concentracior.es lntracdularos de Ca2+ aullle!lt:m cuando el Ca2+ entra"en !a-célula y es liberado del retículo sarcoplásm¡co. ca~

@(~P,

427

@8ca2+es Ca2+ fíbre en el ;;:;-disminuye cuando el bombeado hacia el exterior de !a

é- -~C#+sil;~~-:;:~~~:a{CaM}.

célula o nuevamente al retfcu!o satcop!Asmico.

L_

®) B Ca2+ se separa de ~·~:oolina (GaM).

ca2t.f\Cj,~~ Clnasa de !as

la mios!na fosfatasa elimina el fosfato de !a mios!n'a, lo que disminuye la oo!Mdad de mioslna ATPasa.

cadenas fl'!ianas demlosina lnacrwa

Menos miosina ATPasa conoi!ce a una disminución de la tensión muscular.

1

Mloslna Inactiva

Mloslna ATPasa . activa

1

la actiVidad de la mlos!na ATPasa dismlnuye.

j@


El! FIGURA 12~29 Relajadón en el músculo liso

mFIGURA 12·28 Contracáón del músculo liso

El estiramiento muscular abre los canales de Cal+ La entrada de caldo es la señal para la contracdón del músculo liso En el músculo liso, el a~ento de la concentración dtosólica de eaz.. es la señal para iniciar la contracción. Como se vio en la figura 1Z.28, el eaz.. entra en la célula desde el liquido extracelu· lar y es liberado desde el retículo sarcoplásmico. Sin embargo, co· mo los depósitos de Ca2+ en el músculo liso son limitados, las contracciones sostenidas dependen de la entrada continua de eaz.. desde el líquido extracelular. La entrada de cantidades varia· bies de caz.. en la fibra muscular crea contracciones cuya fuerza es graduada según la fuerza de la señal de caz... Recuérdese, de la introducción de esta sección, que la co~trac· ción del músculo liso puede ser iniciada por neurotransmisores, hormonas o sustancias paracrinas. Aquí nuestro modelo se torna complejo. La- figura 12·30 1i! es un resumen generalizado de las múltiples vías que pueden iniciar o modular la contracción en el músculo liso. El eaz.. entra en una célula de músculo liso a través de los ca. nales de membrana abiertos por despolarización, estiramiento de la membrana o señales químicas. Una familia recientemente identifica_da- ha sido denominada canales de Ca2+ regulados por concentraCión porque estos canales se abren (por un mecanismo aún no identificado) en respuesta a la depleción de los depósitos

intracelulares de eaz... Los canales regulados por voltaje y activa· dos por el estiramientO se explican _con más detalle luego. La liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásmko está mediada fundamentalmente por un reteptor
¡;1~'_ée"l S 1ó N

\0(tP"' 28. Compare los canaleS de liberación de ca2+ en e! retículo · sar(oplásmico del músculo liso y e! músaJio esquelético. Respuesta en la p. 434

Las células de músculo liso contienen canales de eaz.. activa. dos por estiramiento que se abren cuando la presión u otra fuer. za distorsiona la membrana celular. Como la contracción en este caso se origina en una propiedad espectfica de la fibra muscular, . se conoce como contracción miogénica Las contracctones-miogénicas son frecuentes en los vasos sanguíneos que mantienen cierto grado de tono en todo momento. Algunos músculos lisos se adaptan si las células musculares son estiradas durante un período extenso. A medida que el estí. mulo del estiramiento continúa, los canales de eaz.. comienzan a cerrarse de una forma tiempo-dependiente. Luego, a m~da que el eaz.. es bombeado fuera de la célula, el músculo se relaja. Esta respuesta de adaptación explica por qué la vejiga desarrolla ten. sión a medida que se llena, luego se relaja cuando se adapta al au~ mento de volumen. (Sin embargo, existe un límite para el grado de estiramiento que puede soportar el músculo y una vez que se alcanza un volumen crítico, el reflejó mlccional vaóa la vejiga.)

Algunos múscUlos lisos tienen potenda/es · de membrana ínestable_s Una vía importante de entrada de eaz.. para el músculo liso es la entrada a través de los canales de eaz.. regulados por voltaje en la membrana celular. Sin embargo, el papel de los potenciales de mem~nma en la contracción del músculo liso eS mucho más

complejo que en el músculo esquelético, donde la contracción siempre comienza en respuesta a un potencial de acdóiL En el músculo liso, no es necesario un potencial de acción para abrir ~os canales de eaz.. regulados por voltaje. Los potenciales escalonados abren algunos canales de eau, lo que pennite que pequeñas can. tldades de eaz.. entren en la célul.a. La entrada de este Ión despolariza a la célula y puede abrir otros canales de eau. Además, muchos tipos de músculo liso muestran potenciales de membrana en reposo inestables que varían entre -4-0 y -80 mY. Se dice que las células que muestran despolarización y repo. Iartzación cícljca de su potendal de membrana tienen potenciales de onda lenta (Fig. I2·3la m). A vetes la célula simplemente realiza ciclos contráctiles por una serie de ondas lentas subumbra. les. Pero Si el pico de despolarización alcanza el umbral se dispa. ran los potenciales de acción y se produce la contracción del mús. culo.

Otros tipos de músculo liso con potenciales de membrana inestables tienen despolarizaciones regulares que siempre alcanzan el umbral y disparan un potencial de-acdón {Fig. 1:Z..31b). Estas despolarizaciones se denominan potenciales de marcapaSos porque crean ritmos regulares de contracción. Los potenciales de marcapasos se encuentran en algunos músculos cardíacos y en el músculo liso. Tanto los potenciales de onda lenta- como los de marcapasos se deben a los canales iónicos en la membrana ce!u. lar que se abren y cierran espontáneamente. Algunos músculos lisos tienen potenciales de acción que se

428

Músculo nso

Capítulo 12 Músculos (a} Los potenciales de onda lenta disParan potenciales de acción

Comparadón__ de _los ~s tipos muscula~es

cu;mdo alcanzan el umbral. ~

i[__ ______ ~~:::~:~:~:~~--

-----·Umbral

g

ESQUELÉTICO

uso

CARDIA<:o

Estriados

Uso

Estriado

Disposición de las fibras

SarOOmeros

Ha<.es oblicuos

Sarcómeros

Protefnas de las fibras

Actina, miosina; troponlna y

Actina, miosina, tropomíosina

Actina, mlosina; troponina y

o Involuntario

o Involuntario o Cal+ y troponlna o Fibras conectadas eléctricilmente través de uniones en hendidura

Aspecto bajo mkrosco-

ploóptfco

~

:¡; ------

~ l_--------~~==-=~----------Tiempo-

Conbol

•Voluntario o ca<+ y troponina o Fibras independientes unas de otras

{b) Los potenciales de marcapasos siempre despolarizan hasta el Umbral. -·

~

·-_:,,,n,._----:;;x_---~--

Uquido -Tiempo-

poténcial de membrana.

IPa-A "' receptor..-canal actiVado por lPs

* Los l!gandos Incluyen noradrenalina, ACh, otros neurotrnnsmisores, hormonas y paracrinos, ID FIGURA 12-30 Control de la contracdón del músculo liso

ven muy pareddos a los de las neuronas. Pero a nivel celular son diferentes porque en el músculo liso la fase de despolarizadón se debe a la entrada de caz.. más que al Na+. Sin embargo, la fase de repolarizadón es similar a la de las neuronas y el músculo esquelético, y se debe a la apertura de los.canales de K~. la función del músculo Uso no siempre depende del disparo de potenciales de acdón. En el acoplamiento fannacomecánico, la contracdón del músculo liso puede ocurrir sin un cambio importante en el potendal de meinbrana (Fig. 12-31c). las señales químicas también pueden relajar la tensión muscular sin un cambio en el potendal de membrana.

,,Re'ihslóN

~~if'i9. ¿Qué diferencia. hay entre los potenciales de marcapa''i\'' sos y los potenciales de onda lenta?

30. Cuando se aplica tetrodotoxina {un veneno que blo-

quea los canales de sodio), a ciertos tipos de músculo liso, no se altera la generación espontánea de potenciales de acción. A partir de esta observación, ¿qué conclusión puede extraer sobre los potenciales de acción de estos tipos de músculo liso? Respuestas en !a p. 434

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l. •

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-Tiempo ---l rel="nofollow">

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1~ e

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:AgrngM X a;m;"" X .

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oFibras conectadas eléctricamente a través de uniones en hendidura

Neurona motora somática

Neuronas autónomas

Neuronas autónomas

Influencia hormonal

Ninguna

Varias hormonas

Adrenalina

Localización

Fijado a los huesos; algunos esfínteres cierran órganos hue<:os

y los túbu!os; algunos esfínteres

a

Forma las paredes de los órganos huecos Músculo cardiaco

Morfo!ogra

Mu!tinudeado; fibras á!lndñcas y grandes Uninudeado;

Estrudura Interna

Túbulo r y retículo sarcoplásmico

fibras fusiformes pequeñas

Sin túbulos T; retículo sarcoplásmioo

Uninudeado; fibras ramificadas más cortas

Túbulo TYretículo saroop!ásmico

reducido o ausente

(e) El acoplamiento tannacomecániOO"OCllire cuando las sefi<~!es .. -c¡uf!1Jirias cambian la tensión mW3cular sin uil cambio en (;f

REFERENCIAS .

• (al+ y c.almodulina

Control rumñoso

Umbral

ln!racelular

1

tropomiosiria

tropomiosína

0,.

i

429

;. .

A

Agregar Y 8iminar Y

-Tiempo --J>o

lill FIGURA 12-31 Los potenciales de membrana varfan el

músculo Uso

La actividad del músculo liso está regulada por señales químicas · La contracción del músculo liso está controlada por distintas señales químicas que pueden ser exdtatorias o inhibitorias. En

general, un estímulo despolarizante hace que la célula tenga ma· yor probabilidad de contiaerse. La hiperpolarizadón de la célula disminuye la probabilidad de contracción. La contracción puede estar modulada por la acción de segundos mensajeros sobre la miosina o por la regulación por parte de la actina.

Más rápida

Más lenta

Fuerza de contracción

Todo o nada

&talonada

Iniciación de la contra«ión

Requiere la aferenda de neurona motora Puede ser autorrftmico

Velocidad de

Intermedia

contracdón

Neurotransmisores autónomos Muchos músculos lisos tienen doble inetvadón y están controlados tanto por neuronas simpá· ticas como parasimpátlcas. Sin embargo, otros músculos lisos, como los que se encuentran en los vasos sanguíneos, están controlados sólo por uno de los dos ramos autónomos. En este tipo de control t6niro, la-respuesta se gradúa aumentando o disminuyendo la cantidad de neurotransmisor liberado sobre el múseulo. Como hemos visto, un neurotransmisor puede tener diferentes efectos en diferentes tejidos, dependiendo de los receptores a· los que se une. Así, tanto el neurotransmisor como su receptor determinan la respuesta .de un músculo liso a la estimuladón ner~ viosa. Los receptores adrenérgicos y colinérgicos muscarinicos actúan a través de los sistemas de segundos mensajeros IP3 y cAMP. La respuesta exacta del músculo depende del subtipo de receptor adrenérgico o colinérgico que se active. Además de noradrenalina y acetilcolina, una variedad asombrosa de otros neurotransmisores tienen actividad sobre el músculo liso. En muchos casos sabemos cómo estas sustancias químicas afectan la contracción del músculo liso, pero no conocemos las vías reflejas que desencadenan su liberación.

R,E(VI s ló N

'¡~·í;{33t ¿Cómo puede una neurona alterar la cantidad de neu,.~:,.·· rotransmisor que libera? (Sugerencia: véase Fig. 8-13, §i! p. 263)

32. Explique de qué modo la hiperpo!arizadón disminuye

la probabilidad de contracción en el músculo liso. Respuestas en !a p. 434

Escalonado Autorrftmico

Hormonasysustandas paraainas Las hormonas y las sustandas paracrinas también controlan la contracción del músculo liso, al contrario del músculo esquelético, cuya contracción sólo es controlada por el sistema nervioso. Los mllsculos lisos de los sistemas y aparatos cardiovascular, digestivo, urinario, respiratorio y reproductor responden a las sustandas químicas llevadas por la sangre o libera· das localmente. Por ejemplo, el asma es un trastorno en el cual el músculo liso de las vías aéreas se contrae en respuesta a la liberación de histamina. Esta contracción puede ser revertida con la administración de adrenalina, una neurohonnona que relaja el músculo liso y dilata la vía aérea. Obsérvese a partir de este ejemplo que no todas las respuestas fisiológicas son adaptativas o favotables para el cuerpo: la contracdón de las vías aéreas desencadenada durante un ataque de asma, si no es tratada puede ser fatal. Otra sustancia paraaina importante que afecta la contracdón del músculo liso es el6:x.ido nftriro (m p. 187). Este gas es sintetizado por el revestimiento endotelial de los vasos sanguíneos y relaja el músculo liso adyacente que regula el diámetro de los vasos sanguíneos. Durante muchos afios, la identidad de este factor de relajaci6n derivado del endotelio, o EDRF, eludió a los .científicos aun cuando su presenda podía demostrarse experimentalmente. . Ahora sabemos que el ERDF es óxido nítrico, una sustanda pata· erina importante en muchos siStemas del cuerpo._ Aunque los músculos lisos no tienen ni de cerca casi la masa de los músculos esqueléticos, desempeiian un papel fundamental en la fundón de la mayoría de los sistemas orgánicos. Se aprenderá más sobre la fisiología del músculo liso en los próximos capítulos.

1

Resumen del capítulo 430

431 ·

Capítulo 12 Músculos

MÚSCULO CARDÍACO

Como en el músculo liso de unidad única, las fibras del músculo cardíaco están unidas eléctricamente entre sí. Las unio.

El músculo cardíaco, el músculo espedaliz1l.do del corazón, comparte características tanto con el músculo liso como con el músculo esquelético (cuadro 1Z..3 !§!). Al igual que las fibras del músculo esquelético, las fibras del músculo cardíaco son estriadas y tienen una estructura de sarcómero. Sin embargo, las fibras del músculo cardíaco son más cortas que las fibras del músculo es-.

nes en hendidura están contenidas en uniones celulares especializadas conocidas como discos intercalares. Algunos músculos cardíacos, al igual que algunos músculos lisos, muestran potenciales de marcapasos. Además, el músculo cardíaco se encuentra bajo control simpático y parasiropático y bajo control hormonal. En el capítulo 14 se aprenderá más sobre el músculo cardíaco y cómo

quelético, pueden ser ramificadas y tienen un único núcleo (al

fundona en el corazón.

contrario de las fibras del músculo esquelético multinudeadas).

1

-PREGiJÑTA

::.\f'~~df-·'-:-

1. -¿Qué_'e_fecto tie~e--_ia ~~fr~~at _ ·-;E!_'pOÍe~cial:_.~~- iiiéll)pran_a'.e_li rép~so-de-la. . continua_ de Na~_ sobre _ei po_te_rl~- .,.. ,éé!ul~ ~s--íl~,crttVo en _r'ét~ción cO!t ellfCÍuÍdo ciát dÚnemQT~nci de -~~s-_fib¡.~: · eXtraOOtUiár.,. · · - . · musá.Jtaies de' Pablo? _:

2. ¿Qué ión'eS' fflsPonsable-_de l
fase de repó!arizac_ión aet poO_- .- _

Ca~a coii~ra_cd?n mU_SaJfa_r-~ el iesuitado

de -~r-¡Wte_ñdai _
teilcial de 'aéd4n mUscu_tai, y _en _- · · éufar._ E~ la· fáSé: de re~ol
3. -¿_Por qué 1.1" canal de-Na+,9u_e-no se i_nactiva ~p~dt;ce _¡:i~ráÜsisJ ,

4. Explicju·e pOr qué la Qlticosa P?_r· boca podrfa ayudar á Pa~lo ·asa-Hr de s_u parálisis. .

Pura~t~ u~ .~t_áqu~. -¡¡;s_Canil!eS dé Na+ ·per· malíei:e_n_-abiértos. lrigreSa Na• COnti!lUa· inente-y la- fi~ra _niusCu!ar.se'mantieriedes-·:·Po!~riia~a. -

~~ÉG~ctÓN XANAUS!S: ~- en_triida· oe, ~~:~r!ÍúioSitNa 9es·pOtarliii e·¡ poteñ~!aL~_e_.~e~br_a~·a>·:- · ·• -

RESUMEN DEL CAPÍTULO Los músculos muestran muchas de las propiedades fisiológicas presenta· das en el capítulo 1. Proporcionan un siStema excelente para estudiar las relaciones estrnawa-fimd6n en todos lO$ niveles, desde actlna, mlosina y

filamentos deslizantes en la célula hasta lO$ músculos que tracdonan huesos y articulaciones. Las propiedades mecánicas de lO$ músculos que influyen en la contracción incluyen los componentes elásticos, romo la proteína titina y los elementos elásticos en serie del músculo Intacto. La com· pmtímenmlizad6n es esencial para la función musrui¡J.r, como lo demuestra la concentración de Ca2• en el retículo satcoplásmico y el papel clave de las señales de Ca2• para inidar la contracción. La ley de acd6n de masa funciona en la dinámica de la unión y sepaiadón eaz.--calmodulina y eaz.-.troponina. Los músrulos tambiffi muestran de qué modo el usa de la energía biol6gica transforma la eneigía almacenada en enlaces químicos del ATP para el movimiento de las proteínas motoras. Los músculos proporctonan muchos ejemplO$ de cormmL:ad6n y confrol en el cuerpo. La comunicación ocurre a una escala tan pequeña como las señales que se propagan entre las células de múscUlo liso a través de las uniones en hendidura, o tan grande romo las neuronas motoras somáticas que inervan múltiples fibras musculares. Los músculos esqueléticos están controlados sólo por neuronas motoras somáticas, pero el músculo liso y el músculo cardíaco tienen una regulación compleja que varia desde !os neurotransmisores hasta las neuronas y los paracrinos. l. Los músculos generan movimiento, fuerza y ca!.OL (p. 397) 2. Los tres tipos de músrulo son músculo esquelético, músculo cardfa. co y músculo liso. Los músculos esquelético y cardíaco son músculos estriados. (p. 397; Fig. 12--1) 3. Los músculos esqueléticos están controlados por neuronas motoras somáticas. Los músculos cardíaco y liso están controlados-por inervación autónoma, paracrinos y hormonas. Algunos músculos lisos y cardíacos son autorrítmicos y se contraen espontáneamente. (p. 397)

Duránte laS _éÓÓtracdOnes fepetidas_d_et_ ejercido;· .

·~¡' K~ cibaridOil~ lá frb'r~)ti_l&útai::f ~e -~dlifnit{;"_''

-eñ IOs'túbuloS tESté aumeritó de lB éoñcentfa'.; ·__ -dón-de ¡¿.. iOs'túbuiOif·afeda '¡oS· cá'natei-de"

·en

NiVY ~roo_P~.:~~:~.rta_que:'

sr· la _tl~-~- m!JScUia-~.es :L~c.ipk ~-e reP,ci_lart~ars~-~ _. ·. 'no__ e·u~d~ ~~~~r p_m.e~é¡at~s.d~ acd~-"--~~id~- . ·naleS. El P~l'fler_poie_t:~~ia\ de _a~ón _Produce:_una_. ~ontrilcéión; ¡¡'erO~~ mÚsCu!g)ueg:~ e_n'tra ·~n Ú_~· _

. ---~dod~_Pa~á!isiS-~ácd#~:{nP_,C¡:mtra_fda);~:,: ·

. ; tkS fibr'aS inti~Uiar~:mmz~n Q-lucosa para · La prOvisióii'de Q!Ucó5~- á lii~_CáilaS'Pu~~-e.:au; · n;ent~r, la_ ~ntid,ad de_ N~ di_spO~_Íble páT~ente K+ YNa~-a:través_ de _ia meinbrana ~IU!ar•.· . na que aument~ la_ca~Ci6f1 d'e g!uco_s.i-én'JaS ' células, también ayUda á"-auv_iai ¡a:- paráliSiS:

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·.

Músculo esquelético Fisiología muscular 4. Los músculos esqueléticos suelen estar unidos a los huesos por tendones. El origen es el extremo del músculo unido más próximo al tronco o al hueso :más estadonarto. la inserción es la unión más distal o móvil. (p. 398) 5. En una articulación flexible, la contracción muscular mueve el esqueleto. Los flexores llevan los huesos más próximos entres~ los exten·. sores alejan los huesos entre sí. Los pares flexor-extensor son ejemplos de grupos musculares antagonistas. (p. 398; Fig. 12--2) 6. Un músculo esquelético es un conjunto de fibras musculares, células grandes con muchos núcleos. (p. 398; Flg. 12-3; cuadro 12:-1) 7. Los túbulos T permiten que los potenciales de acctón se muevan rá· pidamente en el interior de la fibra y liberen caldo del re-tirulo sarroplásmlco. (p. 398; Fig. 12-4) 8. Las mlofibrillas son haces intracelulares de proteínas contráctiles y elásticas. Los filamentos grttesos están compuestos por ñllosina. Los filamentos delgados están formados pr!nd.palmente por actina. La titina y la nebulina mantienen en posición a los filamentos gruesos y delgados. (pp. 399, 402; Figs. 12--3, 12--6) 9. la miosina se une a la actloa, y crea puentes cruzados entre los fila. mentas gruesos y delgados. (p. 399, Fig. 12--3) 10. Un sarcómero está compuesto por dos discos Z y los filamentos en· tre ellos. Un sarcómero está dividido en·bandas I (filamentos delgados solamente), una banda A que corre en toda la longitud de un fi. lamentO gruesO y una zona H central ocupada sólo por filamentos gruesos. la línea My los discos Zrepresentan los sitios de fijación pa.· ra la miOSina y la actina, respectivamente. {p. 399; Fig. 12-S) 11. La fuerza creada por un músculo que se coñtrae se denomina tensión muscular.la c_a¡ga es un peso o fuerza que se opone a la contricción de un músculo. (p. 403)

12. La teoría de la contracción por deslizamiento de los filamentos establece que, durante !a contracCión, los filamentos gruesos y delgados que se superponen se deslizan uno sobre otro en forma dependiente de energía como resultado del movimiento de Jos puentes cruzados de actina·miosina. (p. 403; Flg. 12-8) 13. La miosina convierte la energía del ATP en movimiento. La mioslna ·A1Pasa hidroliza ATP a ADP y Pr (p. 404; Fig. 12--9) . 14. Cuando la miosina libera P1, la molécula de miosina se muev~ en el golpe de fuena o tirón. Al final del golpe de fuerza, !a miosina libera ADP. El ddo termina en el estado de contracción rígida, con la mloslna firmemente unida a la actioa. (pp. 404-405; Flg. 12·9) 15. La tropomiosina bloquea el sitio de unión de la miosfua sobre la actina. Cuando comienza la contracción, la troponina se une a eaz•. Es· to desbloquea los sitiOs de unión de la miosina y permite que la miOsilla complete su golpe de fuerza. (p. 406; Fig. 12--10) 16. Durante la relajación, el retículo sarcoplásmico utiliza una Cal>·ATPasa para bombear Ca2+ nuevamente hada su luz. {p. 408) 17. En el acoplamiento excitación-contracción, una neurona motora somática libera ACh, el cual inida un potencial de acCión de músculo esquelético que conduce a la contracción. (p. 407; Fig. 12--lla) 18. Los receptores DHP sensibles al voltaje en los túbulos T abren canales de libetadón de caz. en el retículo san:oplásmico. {p. 408; Fig. 1Z.11a) 19. Un único ddo de contracdón-re!ajadón se conoce como una contracción. El período de latencia entre el final del potencial de acción muscular y el comienzo del desarrollo de la tensión muscular representa el tiempo necesario para la liberación de eau y la unión a la ttOponina. (p. 409¡ Fig. 12--12) 20. Las fibras musculares almacenan energía para la contracción en fosfocreatina. El metabolismo anaerobio de la glucosa es una fuente rápi· da de ATP pero no es eficiente. El metabolismo aerobio es muy eficiente pero requiere un aporte suficiente de oxígen.o a los músculos. (p. 410; Fig. 12--13) 21. El cansancio muscular es un trastorno en el cual un músculo ya no puede generar ni sostener la producción esperada de potenda. La fa. ti.ga tiene múltiples causas. (p. 411; Fig. 12--14) 22. Las fibras musculares esqueléticas pueden ser clasificadas según su ve· !oddad de contracción y reslstenda al cansando en fibras glncolíti· cas de contracción rápida, fibras glucolitico-oxidativas de <;on· tracción rápida y fibras de contiacdón lenta (oxidaúvas). Las fi. bras oxidativas wn las más resiStentes al cansando. (pp. 412-413; Fig. 12-15; cuadro 12--2) 23. la mioglobioa es un pigmento de fijación al oxigeno que ttansfiere oxígeno al interior de 1a fibra muscular. (p. 412) 24. la tensión de la contJ'Icción de un músculo esquelético está determi· nada por la longitud de los sarcómeros antes de que comience la contracción. (p. 413; Fig.lZ--16) 25. El aumento de la frecuencia del estímulo produce la sumadón de las rontracdoiles con un aumento de la tensión. El estado de contrae· dón máxima se conoce como tétanos. (p. 415; Flg. 12--17) 26. la unidad motora está compuesta por un grupo de fibras musculares y la neurona somática que las controla. La cantidad de fibras muscu· lares en una unidad motora varia, p¡:ro todas las fibras en una única unidad motora son del _mismo tipo de fibra. (p. 415; Fig. 12--18) 27. La fuetta de contracción en un músculo esquelético puede ser aumen· tada por el reclutamiento de unidades motoras adicionales. {p. 416)

Mecánica del movimiento corporal 28. Una contracción isotónica crea fuetta y mueve la carga. Una J;On· tracción isométrica crea fuerza sin mover la carga. Las acciones ton· céntricas son contracciones de acortamiento. Las acciones excéntri· cas son contracciones de alargamiento. (p. 417; Fig. 12--19) 29. Las contracciones isomHricas ocurren porque los elementos elásticos en serie permiten que las fibras mantengan una longitud constante

1

4J2

Preguntas

Capítulo 12 Músculos

aun cuando los sarcómeros estén acortándose y creando tensión. {p. 417; Fig. 12-20) 30. El cuerpo utiliza sus huesos y articulaciones com9 palancas y puntos de apoyo. La mayoría de tos sistemas de palanca-punto de apoyo en el cuerpo aumentan al máximo la distancia y la velocidad pero taro· bien requieren que los músOllos trabajen más. (p. 4!8¡ Figs. 12-21, 12-22) 31. La velocidad de la contracción es una fundón del tipo de fibra mus· cular y de la carga. La contracción es más lápida cuando la carga sobre el músculo es de cero. (p. 419¡ Fig. 12-23).

Músculo liso 32. El músculo liso es más lento que el músrulo esquelético pero puede sostener las contracctones dmante más tiempo sin cansarse. (p. 421;

Fig. 12-24)

33. El músculo Uso de unidad única se contrae como una unidad única cuando las depolarlzadones pasan de una célula a otra a través de las uniones en hendidura. En el músculo liso de unidad múltiple, las fi.

bras musculares individuales son estimuladas en forma independien· te. {pp. 422423¡ Hg. 12-25} 34. La actina y la miosina están dispuestas a lo largo de la periferia de una célula de músculo liso. La actina del músculo liso carece de troponi· na. {p. 423; Flg. 12-27) · 35. El músculo liso tiene relativamente poco retículo sarooplásmioo y el canal de liberadón primaria de Ca:!< es un IP3-receptor-canal. (p. 423)

36. En la contracc!ón del músculo liso, el eau se une a la calmodulina y activa la ctnasa de la cadena Uviana de Iñioslna. (pp. 425426; Hg.

37. La ctnasa de la cadena !ivÍana de miosina fosforila las cadenas livianas de mlosina, lo que activa la miosina ATPasa. Esto permite los gol· pes de fuerza de los puentes cruzados. (p. 426;.Fig. 12-28) 38. Durante la relajación, el Ca2• es bombeado fuera del citosol, y las ca. denas livianas de la miosina son desfosforiladas por la miosinfosfa. tasa. (p. 426; Fig. 12-29) 39. El cal• para la contracc!ón entra en la célula a través de canales de Ca2~ en la membrana celular. Se libera ea<• adicional desde el retiCU· Jo sarcoplásmico. {p. 426; Flg. 12-30) 40. En !a contracción miogénica, el estiramiento abre !os canales de_ca1~ de membrana. (p. 427) 41. Los potenciales de membrana inestables en el músculo liSo adoptan la forma de potenciales de onda lenta o potenciales de marcapasos (pp. 427-428; Hg. 12-31a, b) 42. La fase aeciente de los potenciales de acdón de músculo liso se debe a la entrada de Ca:!< más que a la entrada de Na~. (p. 428) 43. En el acoplamiento farmacomecánlco, la entrada de Ca1• produce !a contracc!ón del músculo liso Sin un cambio importante en el potencial de membrana. (p. 428; Fig. 12-3Ic) 44. Fl músculo liso está controladO por neuronas simpáticas y parasimpá· tlcas y distintas señales químicas. {p. 428).

Músculo cardiaco 45. Las fibras del músculo cardíaco son estriadas, tienen un núdeo único y están unidas eléctricamente a través de uniones en hendidma. El músculo cardfaco comparte caracterlsticas tanto con el músculo esquelético como con el músculo liSo. (p. 429; cuadro 12-3)

12-28)

--··-·

==--=-==

-···

=·~-=-

.,.-..=·.,

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Los tres tipos de múscul.o.hallados en el cuerpo humano son---, y : ¿Qué tipo está unido a tos huesos y le permite controlar el movimiento corporal? 2. ¿Qué dos tipos musculares son estriados? 3. ¿Qué tipo de tejido muscular está controlado sólo por neuronas motoras somáticas? 4. ¿CUál de la/s sigUiente!s afumadón!es es derta con: respecto a los músculos esqueléticos? a) Constituyen alrededor del 60% del peso corporal total.de una persona. b) Posicionan y mueven el esqueleto. e) La insetdón del músOI;lo. es más distal o móvil que el origen. d) A menudo están apareados en grupos- musculares antagonistas denominados flexores Y. extensores. 5. Organice los siguientes componentes del músculo esquelético en or· den, del más externo basta el mM interno: sarcolema, vaina de tejido conectivo, filamentos gruesos y delgados, rniofibriUas. 6. El retículo endoplásmlco modificado de músculo esquelético se denomina Su papel es secuestrar Iones----7. Los túbulos T permiten que los se muevan hada el interior de la fibra muscular. 8. Mencione seis proteínas que componen las miofibrillas ¿Qué proteí· na crea el golpe de fuerza para la-contraCCión? 9. Mencione las letras utilizadas para rotular los elementos de un sarcómero ¿Qué banda tiene un disco Z en el centro? ¿Cuál es la banda más 'oscura? ¿Por que? ¿Qué elemento forma los límites de un sarcómero? Mencione la línea que divide la banda Apor la mitad. ¿Cuál es la función de esta linea? 10. Explique brevemente las funciones de titlna y nebulina.

11. Durante la contracción, la banda mantiene una longitud constante. Esta banda está compuesta fundamentalmente

por mol~as ¿Qué componentes se aproxi· · roan entre ellos durante la contraCCión? 12. Explique la teoría del deslizamlento de los filamentos. 13. Relacione las siguientes características con el/los tipots apropiado/s de músculo. a) tiene el diámetro más grande t. fibras glucolíticas de contracción rápida b) utiliza metabolismo anaerobio, 2. fibras glucolítiar y por lo-tanto se cansa oxidativas de contiacdón lápidamente rápida e) tiene la mayoría de los vasos 3. fibras oxidatiVas de · sanguíneos contracción lenta d) tiene algo de rniogtobina e) es utilizado para los movimientos finos y lápidos f) también se denomina músculo rojo g) utiliza una combinación de metaboliSmo oxidativo y gtucolltico h) tiene la mayoría de las mitocondriaS 14. Explique los papeles de troponina, tropomiosina y ca:>.+ en la contrae· ción del músculo esquelético. 15. ¿Qué neurotransmisor es liberado por las neuronas motoras somá.tl·

"''

16. ¿Qué_ es la placa terminal motora, y qué tipos de receptores se encuen· tran allí? Explique cómo la unión del"neurotransmiSOt a estos receptores crea un potendal de acción. 17. Un único ciclo de contracdón·relajación en una fibra de músculo esquelético se conoce como 18. Mencione los pasos de la contracdón del músculo esquelético que requieren ATP. 19. La unidad básica de la contracc!ón en un músculo esquelético Intac· to es la . La fuerza de contracción dentro de un músculo esquelético es aumentada por el - - - - - - - - - d • e unidades motoras adicionales.

zo. Los dos tipos funcionales de músculos~ s o n - - - - - --Y

433 ·

30. Explique los diferentes factores que influyen en la enb:ru,Ia y la liberación de caz~ en !as fibras de músculo liso.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

21. Realice un mapa de la estructura de la fibra muscular utilizando !Os si·

31. Una forma en que los científicos estudian los músculos es colocarlos en un estado de contraCCión rígida ellminando ATP. En este estado, la actina y !a miosina se encuentran firmemente unidas pero son Incapaces de moveiSe. Sobre la base de lo que usted conoce sobre la contracción muscular, prediga qué sucedería con estos músculos en estado de con· tracción rígida si usted a) agregara AlP pero no iones caldo libre; b) agregara AlP con una concentración sustancial de iones caldo. . 32. Cuando se coloca curare, un veneno para las flechas de los indios sudamericanos, en un preparado de nervio-músculo, el músculo no se contrae cuando el nervio es estimulado, aun cuando se sigue liberan· do neurotransmisor del nervio. Mencione todas las explicaciones posibles para la acción del curare en las que pueda pensar. 33. Sobre la base de Jo que usted ha aprendido acerca de los tipos de fi. bras musculares y de metabolismo, prediga qué variaciones- en la estructura encontrarla entre estos atletas: a) un jugador de básquetbol de 2,20 m de alto y 110 kg de peso. b) un lazador de novillos de 1,75 m de altura y 81 kg de p
guientes términos. Agregue términos adicionales silo desea. actina miosina Cal• núdeo célula proteína reguladora membrana celular sarcolema proteína contráctil sarcoplasma puentes cruzados retículo sarcoplftsmico citoplasma titina proteína elástica tropomioslna glucógeno troponina mltocondrias túbulo T · fibra muscular 22. Disponga los siguientes ténninos para crear un mapa de la excitación, contracción y relajación del músculo esquelético. Los términos pue-den ser utilizados más de una vez.. Agregue cualquier término adiclo· nal silO desea. a~tllcollna placa motora terminal receptor de ACh m.losina

·-

potencial de acción ADP ATP tennlnadón axónica

Na'

unión neuromuscular

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS

P,

34. Observe el grá.flco siguiente, creado a partir de datos publicados en ~Effect of amblent temperature on human skeletal muscte metaboUsm during fatiguing submaximal exerc!Sen, JGUT1U1l of Applied Physiology 86{3):902--908, 1999. ¿Qué hipótesis podría desarrollar acerca de la/s causa/s de la fatiga muscular sobre la base de estos datos?

golpe de fuerza relajación ea~ estado de contracción rígida Ca2+*ATPasa retículo san:oplásmlco cmales de liberación de caldo neurona motora somática contracción tropomiosina puente cruzado troponlna reteptor DHP túbulosT potencial de placa terminal canales de Ca:!< regulados por voltaje exocttOSis 23. ¿De qué modo un potencial de acción en una fibra muscular dispara una seilal de ca:!< en el interior de la fibra? Z4. Las fibraS musculares dependen de un aporte continuo de ATP. ¿De qué modo las fibras de los diferentes tipos de músculos generan ATP? ¿Qué se utiliza como fuente de energía de reserva? 25. Defina cansando muscular. Resuma los factores que podrían desem· peñar un papel en su aparidón.¿De qué modo las fibras musculares· pueden adaptarse para resistir el cansando? 26. Explique de qué modo usted varia la fuerza y el esfuerzo que realizan sus müsculos para recoger un lápiz versus recoger uri recipiente de 4 litros lleno de leche. 27. Compare y contraste la anatomía celular y el control neural y quúni· co de !a contraCCión en el músculo esquelético y el músculo liso. 28. ¿Cuál es el papel del retículo sarcoplásmico en la contracción muscular? ¿Cómo puede el músculo liso contraerse cuando tiene tan poco retículo sarcoplásmlco? 29. Compare y contraste: a) las fibras musculares gluoolítico-oxidativas de contracción lápida, glucolíticis de contracción lápida y de contracción lenta · b) una contracción y el tétanos e)· los potenciales de acción de las neuronas motoras y los potencia· les de acción de los músculos esqueléticos · d) la suma temporal en las neuronas· motoras y la suma en los músculos esqueléticos e) la contracc!ón isotónica, la contracción Jsométr:lca, !a acc!ón con· céntrica y la acción excén-trica f) los potenciales de onda lenta y de marcapasos g) el origen y el papel de eau en la contracción del músculo esque-lético y del músculo liso ·

~

l

~

i E

ATP

Laotrto

""

"'

Metabolitos musculares en el músculo en reposo y después del ejercic!o cfc!fco hasta la fatiga

35. Utilice el brazo de la figura I2-2Ib para responder las siguientes pre-

gunw.

. a) ¿Qué grado de fuerza debería ejerw el músculo bf~ps insertado a 4 cm del punto de apoyo para mantener el brazo estacionario en un ángulo de 90"? ¿Cómo es esta fuerza en comparadón con !a fuerza necesaria cuando el punto de inserción está a 5 cm del punto de apoyo? b) Si se colocan 7 kg de peso alrededor de la muñeca a 20 cm del punto de apoyo, ¿cuánta fuerza debe ejercer el bíceps insertado a 5 cm del punto de apoyo para mantener el brazo estacionario en un ángulo de 90"? ¿Cómo es esta fuerza en comparación con la ne:esaria para mantener el brazo horizontal en la situación que se muestra en la figura 12.21c, con el mismo peso en la mano (a 25 on del punto de apoyo)? ·

1

434

Capítulo 12 Músculos

RESPUESTAS Página 420 21. Si el punto de inserción del músculo está más alejado de la articulación, el efecto de palanca es mejor y la contracción crea más ft¡erza

r/ Respuestas a las preguntas de revisión Página 398 l.

Algunos ejemplos son bíceps/tríceps en el brazo; isquiotibial~ (flexO+ res)jcuádriceps {extensores) en el muslo; tibia! anterior (fiexor)/gas· trocnemio (extensor) para movÍmiento del pie en el tobillo.

Página 402 2. Los extremos de las bandas A son los más oscuros porque donde se superponen los ffiamentos gruesos y delgados.

~el

lugar

3. Los túbulos T permiten que los potencial~ de acdón viajen desde la superficie de la fibra muscular hasta su interior. 4. El patrón en bandas de los filamentos organizados en el sartómero forma estriaciones en el músculo. Página 403 5. Una unión neuromuscular consiste en las terminaciones axónicas de una neurona motora somática, la hendidura sináptica y la placa terminal motora sobre la fibra muscular. 6. La señal química en una unión neuromuscular es la acetilcolina. Página406 7. Cada-molécula de miosina tiene sitios de unión para ATP y actina. 8. l.a actina Fes un filamento polímero de actina formada por moléculas de actina-G globulares. Página407 9. l.a litina es una fibra elástica en el sartómero. 10. No todos los puentes cruzados se desligan a la vez, de modo que mientras algunas cabezas de miosina están libres y girando, ot~ aún siguen fmnemente unidas. Página 409 11. La liberación de las cabezas de miosina de la actina requiere la unión del ATP. La energía del ATP es necesaria para el golpe de fuerza. La relajación no requiere directamente ATP, pero no ocurrirá a menos que el eaz~ sea bombeado nuevamente al retículo sartoplásmico utilizan. do (;al+.ATPasa. 12. Los eventos del periodo de latencia incluyen creación del potencial de acción muscular, liberación de caz.. desde el retículo sarcoplásmico y difusión de hada los filamentos contráctiles. Página 411 13. Creatina es la sustancia, y dnasa nos dice que esta enzima fosforita el sustrato. 14. Como la creatinctnasa cataliza la reacción en ambas direcciones, las concentraciones relativas de tos reactivos y los productos determinan la dirección de la reacción. La reacción obedece a la ley de acdón de masa y se dirige hada el equilibrio. Página412 15. El aumento de K• extracelular hace que la célula se despolarice y se vuelva menos negativa. Página415 16. Tensión. 17. Intensidad del potencial escalonado. Página416 18. Un maratonlsta probablemente tenga más fibras musculares de con· tracción lenta, mientras que un velocista probablement: tenga más fi. bras musculares de contracción rápida. Página 417 19. El aumento de la frecuencia de descarga de la neurona motora produce suma en una fibra muscular, lo que aumenta la fuerza de contracción. 20. El sistema nervioso aumenta la fuerza de contracción al reclutar unidades motoras adicionales.

caz..

rotacionaL Página 423 22. El músculo liso de unidades múltiples aumenta la fuerza al reclutar

otras fibras musculares; e! músculo liso de unidad única aumenta la fuerza al aumentar la entrada de eaz•. Página 425 :23. Los cuerpos densos son análogos a los discos Z. 24. La miosina del músculo llso es más larga, tiene cabezas en toda la longitud del filamento y tiene una actividad de ATPasa más lenta. 2S. La actina del músculo liso es más larga que la actina del músculo ES·

Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal

que!ético y carece de troponina. Página425

26. Punto 1: en los músculos esqueléticos, todo el Cal> proviene del retículo sarcoplásmico@ en Fig. 12-11). Punto 3: el Ga2+ se une directamente a la troponina en el músculo esquelético. Punto 4: la fosforiladón no regula la miosina del músculo esquelético. Punto 5: el punto de control primario en el músculo esquelético es la unión del Ca2+ a la troponina. Página42S 27. Sin ea<+ en el liquido extracelulat, la contracción disminuye o se detiene del tcdo, porque hay poco Ca2• o nada como para iniciar el pro-

""'·

Página 426

28. Los canales de liberación de Ca2• del músculo esquelético están ligados a receptores DHP y se abren con la despolarización. Los canales de liberación de Ca2• en el músculo liso son activados por IPl" Página 428 29. Los potenciales de marcapasos siempre alcanzan el umbral y crean rit-

mos regulares de contracdón. Los potenciales de onda lenta tienen una magnitud variable y es posible que no alcancen el umbral cada

,,.

Reflejos neurales 436

Las vías reflejas neurales pueden ser clasificadas de diferentes formas

Reflejos autónomos Reflejos musculares esqueléticos 439 442 443 443

los husos musculares responden al estiramiento muscular Los órganos tendinosos de Go!gi responden a la tensión muscular Los reflejos miotáticos y la inhibición reciproca controlan el movimiento alrededor de una articulación los reflejos de flexión alejan las extremidades de los estímulos dolorosos

El control integrado del movimiento corporal 446 448 450

Los movimientos pueden clasificarse como reflejos, voluntarios o rítmicos El SNC integra el movimiento Los síntomas de la enfermedad de Parkinson reflejan las funciones de los ganglios basales

Control del movimiento en los músculos viscerales

30. La fase de despolarización de los potenciales de acción puede no deberse a la entrada de Na.. Página428

31. Más potenciales de acción en la neurona aumentan la llberadón de neurotransmisor. 32. Muchos canales de Ca 2• se abren con la despolarización; por lo tanto, la hiperpo!arizactón disminuye la probabilidad de que estos canales se abran. La presencia de Ca 2• es necesaria para la contracdóil.

Respuestas a las preguntas de figuras y gráficos Página409 Fig. 12-12: (a) El Vm del músculo es -90 mVyel Vm de la neurona es -70 mV. Esto demuestra el hedlo de que el Vm no es el mismo en todas las células. (b) El potencial de acción muscular se debe a la entrada de Na~ en la fibra durante la despolarización y a la salida de K~ durante la repolarizadón. Página 420 Flg, lZ.21: fuerza de bíceps x 5 cm= 7 kg x 25 an"" 35 kg (fuerza adicional). Página 421

Fig. 1Z.22: la mano se mueve hacia arriba a una velocidad de 5 cm/s. Página 421 Fig. 12-23: la contracdón es isométrica en Bporque en este punto el músculo no se acorta. La velocidad máXima está en A, donde la carga sobre el

músculo es cero.

INFORMACIÓN BÁSICA

refl~j~s:

.-·-.si~e~~:.'ne~iOs.o.~~~~ú~i;: ~~9~;_.:_::Suma d~· lo~ ·pot~nC_ialés:de

Vías --_195;
436

Capítulo 13 Flsiologfa integrada 1: control del movimiento corporal

Reflejos autónomos

Las vías reflejas neurafes pueden sei' tlasificadas de diferentes formas ·

437

(a) El reflejo monoslnápiiCÓ tiene úna si~ únlca entre !as neuronas aferente y r:ifurente.

Las vías reflejas en el sistema nervioso Consisten en cadenas o redes de neuronas que relacionan los receptores sensitivos con los músculos o las glándulas. Los reflejos neurales puedeÍl clasificarse de diferentes formas (cuadro 13·1 m):

Estimulo · ____. '-,.

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Receptor-: '---·_._- :._;

1

' Neurona ·

; sensitiva ;

l. Par la división e{e!ente del sistema nervioso que controla la res.

puesta. Los reflejos que induyen neuronas motoras sonÍáticas y músculos esqueléticos se conocen como reflejos somáticos. Los reflejos cuyas respuestas están controladas por neu.

Piense nuevamente en el lanzador _d~ béisbol del capítulo anterlO!. Cuando está parado sobre el montículo, obserVando al primer bateador, recibe infQrmación sensitiva de múltiples fuentes: el sonido de la multitud, la visión del bateador y del atrapador, la sensación de la· pelota en su mano, la alineación de su cuerpo a medida que comienza su lanzamiento. Los receptores sensitivos codifican esta información y la envían al sistema nervioso central (SNC), donde es integrada. · El lanzador actúa conscientemente sobre algo de la información: decide arrojar una pelota .rápida. Pero él procesa otra informacióq a nivel inconscierite y actúa sin pensamiento consciente. Por ejemplo, a medida que piensa en el inicio de su movimiento, desplaza su peso para compensar el movimiento inminente de su brazo. La integración de 4l información sensitiva en una respuesta involuntaria es la característica principal del reflejo(~ p. 195).

REFLEJOS NEURALES

í 1 1 1

Todos los reflejos neurales comienzan con un estímulo que activa un receptor sensitivo. El receptor envía información en forma de potenciales de acción, a través de neuronas sensitivas al SNC (m p. 328). El SNC es.el centro integrador que evalúa toda la información entrante y selecciona una respuesta apropiada. Luego inicia potenciales de acción en las neuronas eferentes para dirigir la respuesta de músculos y glándulas, los e{ectares. Una característica clave de muchas vías reflejas es la retroalimentadán negativa, concepto presentado en el capítulo 6 ( ii p. 199}. Las señales de retroalimentación provenientes del músculo y los receptores articulares mantienen al SNC continuamente informado de la posición corporal cambiante. Algunos refleJos tienen un componente de prealimentacián que permite al cuerpo anticipar un estimulo y comenzar la respuesta (mi! p. 200). Ponerse rígido al anticipar una colisión es un ejemplo de respuesta de prealim.entación.

ronas autónomas se denominan reflejos autónomos. 2. Por el sitio en el SNC donde se integra el reflejo. Los reflejos espinales se integran en la médula espinal. Estos reflejos pueden ser modulados por aferencias superiores desde el encéfalo, pero pueden productrse sin esas aferendas. Los reflejos integrados- en el encéfalo se denominan reflejos craneales. 3. Por el hecho de que el reflejo sea inrmto o aprendido. Muchos ·reflejos son innatos; es decir, nacemos con ellos, y están determinados genéticamente. Un ejemplo es el reflejo rott,illano, en el cual la pierna se extiende cuando se golpea el tendón rotuliano en el borde inferior de la rótula. Otros reflejos se adquieren a través de experiencia ( ii p. 317). El ejemplo de los perros de Pavlov que salivan al.oíruna campana es un ejémplo de un reflejo aprendido, también llamado reflejo condicionado. 4. Por la cantidad de neuronas en la vfa refleja. El reflejo más simple es el reflejo monosináptico, denominado así por· que hay una sola sínapsis entre las dos neuronas en la vía: una neurona sensitiva aferente y una neurona motora so-·

{b) tos refleJos pollslnáptlc'os tienen dos o :rnáiú;¡~· ·: ·

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Estimulo ) ____.

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~"C"'":C"\ :~.·-~·.·pro.-f.:'.;-:1 -~-

1

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mFIGURA 13·1 Reflejos motores somáticos monosinápticos y polisinápticos los reflejos neura!es pueden clasificarse p-or. 1. La división eferente que controla el efector a. Las neuronas motoras somMlcas éontrolan músculos esqueléticos. -b. Las neuronas autónomas controlan el músculo liso y el móswlo ··cardfaco, las glándulas y el teMo adiposO:

2. La reglón trrtegradora dentro del" sistema nervioso central · a. los reflejos espinales no requieren aferencias del cerebro. b, los reflejos craneales se Integran dentro del cerebro. 3. El tiempo en el ~al se desarrolla el reflejo a. los reflejos innatos están determinados genéticamente. b.Los reflejos aprendidos (condicionados) se adquierén a tffivés de !a experiencia. 4. La cantidad de neuronas en el bude del reflejo ·a. los "reflejOs monosinápticos tien_en.sólo dOs neuronas: una aferente {sensitiva} y una eferente. Sólo fos reflejos motores somáti· cos ptieden ser monosinápticos. . . b. Los reflejos Polisinájmcos incluyen una o más irrterneurorias én. -tre las neuronaS áferentes y "eferentes~ \ocioS ios reflejos-autóno.. mOS_ son. Pci!isináPticos porque tienéli tieS neurOnaS: "i.ma 'aferen·:-~te y dos eferentes. ,

Todas las sinapsis para los reflejos motores somáticos se localizan en el sistema nervioso <entra!. como se muestra.

mátlca eferente. Estas dos neuronas hacen sinapsis .en la médula espinal, lo que permite que la seftal iniciada en el receptor se dirija directamente desde la neurona sensitiva hasta la neurona motora (Fig. 13-1 m}. (No se tiene en cuenta la sinapsis entre la neurona motora somática y su punto diana muscular.) La mayoría de los reflejos tiene tres o más neuronas en la vía (y al menos dos sinapsis), lo que conduce a su designación como reflejos polisinápticos (Fig. 13-1b). Los reflejos polisinápticos pueden ser muy complejos, con una amplia ramificación en el SNC, fonnando-redes que incluyen múltiples inten¡.euronas. La áivaxenda de las vías permite que un único estimulo afecte múltiples puntos diana (mp. 278). La convergencia int~gra las aferendas de múltiples fuentes para modular una respuesta. Recuérdese del capítulo 8 que la modulación en las vías polisinápticas puede in· . cluir excitación o inhibición ( il!1l p. 279).

REFLEJOS AUTÓNOMOS Los reflejós autónomos también se conocen como reflejos viscerales porque a menudo involucran a los órganos internos del cuerpo. Algunos reflejos viscerales, como la micción y la defecadón, son reflejos espinales que pueden tener lugar sin aferendas del cerebro. Sin ~bargo, los reflejos espinales a menudo están

modulados por. seiíales excitatorias o inhibitorias del encéfalo, transportadas por las vías descendentes desde los centros encefá· licos superiores. Por ejemplo, la micción puede ser inidada voluntariamente por el pensamiento consciente, o puede ser inhibida por la emoción o una sítuadón tensíonante, como la presencia de otras personas (síndrome conocido como "vejiga tímida''). A menudo, el control superior de un reflejo espinal es una respuesta apiendida. El entrenamiento para el control de esfínteres que dominamos cuando somos pequeños es un ejemplo de un reflejo aprendido que utiliza el SNC para modular el reflejo espinal simple de la micción.

438

Capítulo 13 Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal

ReflejOs musculares esqueléticos

Un tipo interesante de reflejo autónomo es la conversión de los estímulos emocionales en respuestas viscerales. El SiStema limbico (~p. 308) -el sitio de los impulsos primitivos como sexo, miedo, ira, agresión y hambre- ha sido llamado el ''cerebro visceral" debi· do a su papel en estos reflejos que tienen un componente emocionaL Hablamos de "sentimientos viscerales" y da "mariposaHn el estómago'', todas transfonnadones de la emoción en sensaciones somáticas y viscerales. Otros reflejos autónomos relacionados con la emoción son la micción, la defecación, el sonrojarse, el ponerse lívido y la pilaerecdiín, en la cual los pequeños músculos de los folículos pilosos hacen que se erice la vaina del pelo ("¡Tenía tanto miedo que se me pusieron los pelos de punta!"). Los reflejos autónomos son todos polisinápticos, con al menos una sinapsis en el SNC entre la neurona sensitiva y la neurona au. tónoma preganglionar y una sinapsis adidonal en el ganglio entre las neuronas preganglionar y posganglionar (Fig. 13-Zllil). Muchos reflejos autónomos se caracterizan por actividad tóni· ca, una corriente continua de potenciales de acción que crea una actividad continua en el efectoL Por ejemplo, el control tónico de los vasos sanguíneus explicado en el, capítulo 6 es un ejemplo de un reflejo autónomo continuamente activo (~p. 190). Se en· centrarán muchos reflejos autónomos al continuar en el estudio de los sistemas del cuerpo. ·

Otros reflejos autónomos se inte~ en el encéfalo, funda. mentalmente en el hipotálamo, el tálamo y el tronco encefálico. - Estas regiones contienen centros que coordinan las funciones corporales necesarias para mantener la homeostasis, como fre. cuencia catdíaCa, presión arterial, respiración, alimentación, equilibrio hídrico y mantenimiento de la temperatura corporal ( ~fig. 11·3). El tronco encefálico también contiene los centros integradores para los reflejos autónomos como salivación, vómi· tos, estornudos, tos, deglución y náuseas.

Aunque no siempre estamos conscientes de ellos, los reflejos musculares esqueléticos participan en casi tOdo lo q.ue hacemos. Los receptores que detectan los cambios en los movimientos arti· rulares, la tensión muscular y la longitud del músculo transmiten esa infonnación al SNC, el cual responde de una de dos formas. Si la contracción muscular es la respuesta apropiada, el SNC activa las neuronas motoras somáticas hacia las fibras musculares. Si se debe relajar un músculo para lograr la respuesta, las afetencias sensitivas activan intemeuronas inhibitorias en cl SNC, y.estas in· temeuronas inhiben la actividad en las ne~onas motoras somáticas que controlan el músculo. Recuérdese que las neuronas motoras somáticas siempre producen contracción en el músculo esquelético (~p.· 391). No existe ninguna neurona inhibitoria en sinapsis con músculos es-queléticos que haga que se relajen. La relajación es el resultado de la ausenda de aferendas exdtatorias for la neuraTUl motora somática. La inhibición y la excitación de las neuronas motoras somáticas y los músculos esqueléticos asedados deben ocurrir en sinapsis dentro del SNC. Los reflejos musculares esqueléticos tienen los siguientes componentes:

R~\ÍISIÓN

l. Los receptares sensitivos, conocidos como propioceptores,

se localizan en los músculos esqueléticos, las cápsulas articulares y los ligamentos. Controlan 1a posicióh de nuestras extremidades en el espado, nuestros movimientos y el es-fuerzo que ejercemos para levantar los objetos. 2. Las neuronas sensitivas transportan la sefial aferente desde los propioceptOres hasta el SNC. 3. El sistema nervioso central integra la seftal aferente utilizan. do redes y vías de intemeuronas excitatorias e inhibitorias. En un reflejo, la irifonnadón sensitiva es integrada y ejecu. tada inconscientemente. Sin embargo, cierta información sensitiva puede integrarse a la corteza cerebral y se conviet· te en percepción, y algunos reflejos pueden ser modulados por aferendas conscientes. 4. Las neuronas motaras somáticas transportan la seííal eferen· te. Las neuronas motoras somáticas que inervan las fibras contráctiles del músculo esquelético se denominan neuronas motoras c.x. 5. Los efectores son fibras musculares esqueléticas contráctiles, también conocidas como fibras musculares extrafusa. les. Los potenciales de acción en las neuronas inotoras a. producen la contracción en las fibras extrafusales.

Todos los reflejos autónomos son pol!slnáptioos, y tienen al menos una sinapsis en el SNC y otra en el gangf10 autónomo

Ganglio autónomo

mi FIGURA 13-2 Reflejos autónomos

REFLEJOS MUSCULARES ESQUELÉTICOS

·/.~. '1. Mencione los pasos generales de una vi a refleja, e in· duya las estructuras anatómicas en el sistema nervio-

so que corresponden a cada paso. 2. Si una célula se hiperpo!ariza, ¿e! potencial de mem· brana se toma más positivo o más negativo? ¿El potendal se encuentra más próximo o más alejado de! umbral? Respuestas en la p. 455

439

En el cuerpo hay tres tipos de propioceptores: husos musculares, órganos tendinosos de Golgi y receptores articular?S. Los re· ceptores articulares se encuentran en ·Jas cápsulas y los ligamentos que rodean a las articulaciones en el cuerpo. Son estimulados por la distorsión mecánica que acompaña a los cambios en la posi· ción relativa de los huesos conectados por articulaciones flexi· bies. La información sensitiva proveniente de los receptores arti· culares es integrada fundamentalmente en el cerebelo. En las dos secciones siguientes se examina la función de los husq_:;. musculares y los órganos tendinosos de Golgi, dos recepto-

res interesantes y singulares. Estos receptores se ubican en el in· terior de los músculos esqueléticos y sensanlos cambios en la longitud y la tensión del músculo. Sus eferendas sensitivas activan reflejos musculares.

Los husos musculares responden al estiramiento muscular Los husos musculares son receptores de estiramiento que en· vían infonnadón a la médula espinal y el encéfalo sobre la longi· tud del músculo y sus cambios. Son estructuras pequeñas y alaria· das, dispuestas paralelamente respecto de las fibras musculares extrafusales contráctiles (Fig. 13-3a ffi). Con excepción de un múscu. lo en la mandibula, todos los músculos esqueléticos del cuerpo tienen muchos husos musculares. Por ejemplo, el músculo de la pata posterior de un gato tiene 50 husos musculares o más. Cada huso muscular consiste en una cápsula de tejido conectivo que end.erra un grupo de pequeñas fibras musculares conocidas como fibras intrafusales (intra·, dentro; fúsus, huso). Las fi. bras musculares intrafusales están modificadas de modo que los extremos son contráctiles pero la región central carece de miofi. brillas (Fig. 13·3b). Los extremos contráctiles de las fibras intrafu· sales tienen su propia inervación por neuronas motoras y. La región central no contráctil de cada fibra intrafusal está envuelta por terminaciones nerviosas sensitivas que son estimuladas por el estiramiento. Las neuronas sensitivas proyectan hada la médula espinal y hacen sinapsis directamente sobre las neuronas motoras a. que inervan el músculo en el cual se ubican los husos. Cuando un músculo se encuentra en su longitud de reposo, la región central de cada huso muscular está estirada lo suficiente como para activar las fibras sensitivas (Fig, 13-4a m). Por lo tanto, · las neuronas sensitivas desde los husos son tónicamente activas,

1

440

1

Capítulo 13 Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal (3}loo_l:mSos muscula'res se encuentran eritie laS -:. flbraiextráfusales dél mllscuki. -· '--<:

--

Reflejos musculares esqueléticos {bJ 8 huso· muscular enVfa Información sobra

{a) Los husos están dispatando incluso cuándo el mtí~ulo está relajado.

441

::::;::~fusales

~

el estiramiento muscular hacia el SNp. y

la longitud en reposo

---~~~~

.-~~~·

sensitivas

-,

.---

,,~

la neurona sensitiva está

tónicamente activa.

Las neuronas motoras a haciit las fibras extrafusa!es reciben aferencias de !os husos musculares.

-----

las fibras intrafusales se el músculo y el tendón.

encuentran en los husos musculares.

---~

{b} La fue!ta muscular dispara un reflejo miotático. Fibra éxtrafusat

1

{e) 8 6rgai1o tel1'dlnoSO de Golgl consiste en _·tetmlnaclohes nervfosas sensitiVaS entrale!ldas

entre fibras d9 co!ágeilo.-

1~

11)

mFIGURA 13·3 Los husos musculares y óiganos tendinosos de Golgi son receptores sensitivos en el músculo lo que envía una corriente constante de potendales de acdón ha· da el SNC. Debido a esta actividad tónica, aun un músculo en reposo mantiene derto nivel de tensión,- conocido como tono muscular. Los husos musculares están· fijados en paralelo a las fibras musculares extrafusales. Cualquier movimiento que aumente la longitud muscular también estirará los husos musculares y hará que las fibras _sensitivas ·disparen más rápidamente (Fig. 134b). Esto crea uria contracción refleja del músculo, que impide el da· ño por sobreest:iramiento. La vía refleja en la cual el estiramiento muscular inicia una respuesta de contracción se conoce como reflejo miotático. 'JSIÓN Utilizando los pasos estándar de una vfa refleja (estimulo. ·re<eptor; etc.), dibuje un mapa de! reflejo miotático. Respuesta en la p. 455-

loogitud

m""""' Si el estiramiento activa los husos musculares, ¿qué sucede con la actividad de los husos cuando un músculo en reposo se contrae y acorta? Se podria pensar que la liberación de la presión sobre el centro de las fibras intrafusales hacen ·que las neuronas aferentes disminuyan la frecuencia de descarga o dejen de disparar en c.on· junto (Fig. 13·5a lil). Pero en un músculo normal esto no sucede debido a un proceso conocido como coactivaclón a--y. El papel de las neuronas motoras '1 es ajtl$tar la sensibilidad al estiramiento de los husos musculares de mOOo que los husos es· tén activos no importa ruál sea la loilgitud del músculo. Cuando las neuronas motoras Y. que inervan los extremos contráctiles de las fibras intrafusales se descargan, los extremos de las fibras se contraen y acortan (Fig. 13-5b). Esta contracción de los extremos del huso alarga la región central y mantiene el estiramiento sobre las terminaciones nerviosas sensitiVas. En la coactivación CJ.-"f, cuando las neuronas motoras a. de las fibras extrafusales se disparan, las neuronas motoras r de los hu-

Potenciales da acción en la neurona sensitiva del huso

8 mósculo

8 músculo retoma

está estirado.

a fa longitud lnicfal.

V

V

.

1 1 \IIIIUIII\11111111111111 1 1 1 a' 11)

!

121 ---TI""po

mFIGURA 13-4 Los husos muswlares controlan la. longitud muscular e impiden el sobreestiramiento sos de ese músculO también se activan. Las fibras extrafusales se contraen y el músculo se acorta, lo que libera la tensión sobre la cápsula del huso muscular. Sin embargo, la coactivación '1 de las fibras intrafusales estira Ios centros de las fibras del huso y contrarresta la disminución de la tensión sobre la cápsula. Así, el huso se,JJlantiene activo aun durante la contracción p:lllScular.

Un ejemplo de cómo fundonan los husos musculares duran-

te un reflejo miotático se muestra en la figura 13o6a< m. Usted puede confirmarlo con un amigo desprevenido. ijaga que su ami-

go permanezca de pie con los ojos cenados, un b!liZO extendido con el codo a 90" y la palma hada am"ba. Coloque un libro pequeño u otro peso plano en la. mano estirada y observe los

442

l

capítulo 13 Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal {a) Si se cortan los axones motores y, el huso pierde actividad cuando el múSCUlo se contrae.

...

Reflejos-musculares esqueléticos

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REFLEJOS YTONO MlJSCUI.AR

El músculo se acorta w

estl~=S
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Potencial de acción

Potenciales las fibras intrafusales d""''" da 1 ~=~a

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11111 1 1 1 1 1

"" S. ""'""'al "".""'.
1 el centro d:~~ -~~~ 1ntrafusales.

--·--

del huso

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8 músculo se acOrta

('@ La frecuencia da descarga de la

f

neurona:~dalhusodisminuya

---Tiempo---J>

{b) la coactivaci~n a-y mantiene la función del huso cuando el músculo se contrae.

¡----······

Longitud muscular

la neurona motora-a se dispara y la neurona. motora y también.

t::

V 8 músculo se acorta

los médicos uiiliz~il.Jos refl.~jos para investi9ar ~! estadO deÍ-~i~~­ tema nervioso y__!o_s_rilÚscu!_q~.__ P~I'a_ .~u e Un reflejo _sea norrila,i,: deben ser normales la cond'úCciófÍ'a través de todás !as'neur~·:.­ nas'de la vf~, ra trarn~i~·iÓri SiNápÍÍ~-~ eh. launl~n~néui-OffiU_sh{~· lar y_~~- contracción muscu!_ar.- UÍ'(_réflejo 'a!Jse~te, an~rf'l_ai~e~te leóto o .ri_iayor, de Jo-nonn.~l_{hipe_~~Wp>. sug_ie~e. la~-~~~,n~~a,/~ de una e~f~rmedad:_Es Interesil,nJ.!·~~fialar 9ue:~-o,to_~?.~'I,Ós'ff< flejos anóÍlnáJe~ su~ieT~n. ~amOs ~e-uromusc_~l~r~~ t~-.:~é-~~j_a: ción lenta del retleío ~-e flexión de! t~bi!lo, __Po~ e~em~IO, -:~Ugi~· -. re hip~ir_oi~isme--.(No se_coríoce .elrn~nismo-¡;~l~la!. ~ue_r_eJa_~· _.:. dona la conééntración_ baja dehormoná tiroid~·á_ éo~ !ÓÚéflejoS_., leritos.) AdemáS de_! e~¡j¡en~de _,os réfleJo~ 1()5 ~éd-icó~_exa~i­ nan el tonó_ mu~!~r. _Au_n,Óiando estén. ~~Úija_d~-~-Y ~nÍ~P~; !os músculos tienen cierta résisienda al estii-anlientO reiutta~te' _.,de¡¡¡¿ eféreiiCias-~OntinUas {tónicas) -P_or r~S-_ri.e~rónas:m~Q~,~-.::-: o:. La ausencia de to1_1o muscuiar o una-resistencia del músculo~· ser estirildo pasivamente por (!l_exilmimidór (aumeiltO del.tOiío) -~· indican un pr()blema._eil iaúfaS qUe:co_ñtr91aTi la contrácti~n;- \:/ muscular. - " -· · , ··

--~-~-~---

se contrae.

Las fibras lntrafusales no se aHojan, da modo que Potenciales la frecuencia de descarga se mantiene constante.

~-·::::;

,r:=-~ento sobre los centros

.:,::::. lllllllllllllllllllllllll

~ ~~~bras intrafusales no se modifica. 1 la frecuencia de disparo de la neurona se mantiene constante.

sensitiva del huso

8 músculo se acorta.

---Tiempo-

~--=~~----

mFIGURA 13--5 Coactivadón a-r Las neuronas motoras y inervan fibras musculares en los extremos de los husos musculare$. La coactivadón a-y mantiene los husos estirados cuando e! músculo se contrae.

En el ejemplo de los libros colocados sobre la mano estirada,

si sostener el peso agregado requiere más fuerza de la que el músculo puede desarrollar, el órgano tendinoso de Golgi responderá ·cuando la tensión muscular esté cerca de su máximo. El órgano tendinoso de Golgi dispara la inhíbid6n refleja de las neuronas motoras del bíceps, lo que hará que el bíceps se relaje y el brazo caiga. Así, la persona dejará caer el peso agregado antes de que las fibras musculares puedan dañarse (Hg. 13-6d, e). Las aferencias de los órganos tendinosos de Golgi constituyen una fuente impar· tante de inhibidón de las neuronas motoras a. REVISIÓN ~'-4.

músculos del brazo contraerse para compensar el peso agregado. Luego deje caer súbitamente una-carga pesada com_o otro libro, en la mano del individuo. El peso agregado enviará la mano hada abajo, estirando el músculo bíceps y act:n:ando sus husos musculares. La aferenda sensitiva hada la médula espinal "activa entonces las neuronas motarás a del músculo bíceps. El bíceps se contrae y lleva el brazo-hada atrás hasta su posición original.

Los órganos tendinosos de Golgi responden a la tensión muscular Un segundo tipo de propioceptor muscular es el órgano tendinoso de Golgi. Estos receptores se enOlentran en la unión de los tendones y las fibras musculares, en serie con las fibras musculares. Los órganos tendinosos de Golgi responden principalmente ·a la tensión que desarrolla el músculo durante una contracción isométrica y producen el reflejo de relajación. Éste es el opuesto del de los husos musculares, que producen contracdón

refleja. Al contrario del huso muscular, el órgano tendinoso de Go!gi es relativamente poco sensible al esfuamlento muscular. Los órganos tendinosos de Golgi están compuestos por tenni· naciones nerviosas lib~ que se entremezclan con las fibras de colágeno en el interior de una cápsula de tejido conectivo (Fig. 133c). Cuando un múscúlo se contrae, Sus tendones actúan como un componente elástico durante la fase isométrica de la contracción ( ~p. 419). La contracción tracdona de las fibras de colágeno dentro del tendón y comprime las terrnii;Iadones sensitivas de las new:onas aferentes que se disparan. La informadón aferente proveniente de la actiVadón de los órganos tendinosos de Golgi excita interneuronas inhibitorias de la médula espinal. !.as interneuronas inhiben a las neuronas motoras a que inervan el músculo, y la contracción muscular disminuye o cesa. En la mayoría de las drcunstandas, este reflejo hace más lenta la contracción muscular a medida que aumenta la fuerza de contracción. En otros casos, los órganos te!ldinosos de Golgi impiden la contracción exc~va que podría lesionar el músculo.

Utilizando los pasos estandarizados de una vfa refleja, cree un mapa que muestre la coactivadón Cf.-1Y e! reflejo tendinoso de Go!gi. Comience con e! estímulo ~La neurona motora a dispara". Respuerta en !a p. 455

Los reflejps miotáticos y la inhibición reciproca controlan el movimiento alrededor de una articulación El movimiento en la mayoría de las articulaciones flexibles en el Olerpo está controlado por grupos de músculos sinergistas y antagonistas que actúan de una forma coordinada. las neuronas sensitivas de los receptores musculares y las neuronas motoras eferent~ que controlan el músculo están unidas entre ellas por vías diver&-entes y convergentes de intemeuronas dentro de la médula espinaL El conjunto de vfas que controlan una única articulación se conoce como una unidad miotática (myo-, músculo; tasis, estiramiento). ·

443

El reflejo más simple en una unidad miotática es el reflejo miotático monosináptico, que incluye sólo dos neuronas: la neurona sensitiva del huso muscular y la neurona motora somática que va hada el músculo. El reflejo rotuliano es un ejemplo de un refl~jo miotático monosináptico (Fi.g. 13-70). Para demostrar el reflejo rotuliano, el individuo se sienta sobre el borde de una mesa de modo que la parte inferior de la pierria cuelgue relajada. Cuando se golpea el tendón rotuliano por debajo de la rótula con un pequeño martillo de goma, el golpe estira el músculo Oládriceps en la parte anterior del muslo. Este estiramiento activa los husos musCUlares y envía potendales de acción a través de fibras sensitivas a la médula espinal. Las neuronas sensitivas.hacen sinapsis directamente en las neuronas motoras que controlan la contracción d_el músculo cuádriceps (reflejo monosináptico). Los potendales de acción en las neuronas motoras hacen que las unidades motoras del cuádriceps se contraigan y la pierna se extiende. Para que la contracción muscular extienda la pierna, los músculos flexores antagonistas deben relajarse (inhibición recí· proca). F.n la pierna, esto requiere la relajación de los músculOs isqulotibiales en la parte posterior del muslo. El estímulo aislado del golpe en el tendón logra tanto la contracción del músculo cuádriceps como la inhibición reópxoca de los isquiotibiales. Las fibras sensitivas se ramifican al entrar en la médula espinal. Algunas de las ramas activan neuronas motoras que inervan el cuádriceps mientras que otras hacen sinapsis sobre interheuronas inhibitorias. Las intemeuronas inhibitorias suprimen la actividad en lll$ neuronas motoras que controlan a los isqulotibiales (reflejo polisináptico). El resultado es la relajación de los ísquiotibiales, que permite que la contraq:ión del cuádriceps prosiga sin oposición. ·

Los reflejos de flexión alejan las extremidades de los estímulos dolorosos Los reflejos de flexión son vías reflejas polísinápticas que ha· cen que un btazo o tma pierna se alejen de tm estímulo doloroso,

1

444

B control integrado del movimiento corporal

Capítulo 13 Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal

445

8 reflejo patelar o rotuliano DtJStra un reflejo

Reflejo del huso muscular: el agregado de una carga estira el músculo y los husos, creando una contracción refleja.

miolático monosináptico e inhibición recíproca del músculo antagonista.

Net~rona sensitiva

.·w~~r~-rrt~·~¡:;;:;~~ ____- de acción viaja a través .---de !a neurona sensitiva

;;~~;;; Estimulo: el golpe del tendón ·< estira el músculo.,

·---· '"""""

··.......... _~-----/

t {e} la contracclón refleja iniciada por el huso muscular restablece la posición

{b) Músculo y estiramiento del huso muscular a medida que el brazo

{a) Agregar carga al músculo.

del bmzo.

""·

8 refleJo tendinoso de _Go!gi protege al músculo de las cargas excesivamente pesadas al hacer que el mú$!:UIO se relaje y deje caer

lacarga.

.

lnterneurona

1

¡---~·--

- la neurona del órgano tendinoso de Golgi se dispara

'

t (d)_ la contracc16n muscular estira el órgano tendinoso de Go!gL

·-··-·

-··

Lá neuron:,:~tora ~inhibida

1

,.am~~~:~aja (e} Si se coloca una carga excesiva sobre el músculo, el reflejo tendinoso de Go!gi producs relajación, protegiendo así al músculo.

t:::~:~ga

mFIGURA 13--6 Reflejos musculares

como un pinchazo o un horno caliente. _Estos reflejos, al igual que el reflejo de inhibicióiúeciproca que acabamos de describir, dependen de vías divergentes ~ la médula espinal. La figura 13· 8 mutiliza el ejemplo de pisar una tachuela pa~a demostrar un reflejo de flexión. Cuando el pie hace _contacto' con la punta de la tachuela, los nodceptores (receptores para el dolor} en el pie envían información sensitiva hada la niédula espinaL Aquí la señal diverge, activando múltiples intemeuronas exdtatorias. Algunas de estas intemeuronas exdtan a neuronas motoras o:, lo que produce una contracción de los músculoS flexores de la extremidad estimulada. Otras intemeuronas activan simultáneamente intemeuronas inhil:litorias que producen la relajación de los grupos musculares antagOnistas. Debido a esta inhibición recíproca, la extremidad se flexiona, retirándose del estímulo doloroso. Este tiPo de reflejos requiere más tiempo que un reflejo miotático (como el reflejÓ ro-

tuliano) porque es un reflejo polisináptico en lugar de monosi·náptico.

~R E:~V'fl S 1ó N W;t~5. Dibuje un mapa del reflejo de flexión iniciado por un !~ estfmulo doloroso en la planta de un pie. {Deje espa~ do para agregar información adicional más tarde.) ·Re$Jluesta en la p. 455 Los reflejos en flexión, sobre todo en las piernas, suelen acompaftarse por el reflejo de extensión cruzado, un reflejo postura! que ayuda a mantener el equilibrio cuando se levanta un pie del suelo. En este reflejo, que también se muestra en la figura 13·8, la retirada rápida del pie derecho de un estímulo doloroso (una tachuela) es compensada por la extensión de la pierna izquierda, de modo que pueda sostener el súbito desplazamiento en el peso. Los extensores se contraen en la pierna izquierda de sostén y se

mFIGURA 13·7 El reflejo patelar rotuliano relajan en la pierna derecha que se tetira, mientras ocune lo opuesto en los músculos flexores. Obsérvese en la figura 13-8 de qué modo la única neurona sensitiva hace sinapsis sobre múltiples intemeuronas. La divergencia de la señ.al sensitiva penni.te que un único estímulo controle dos conjuntos de grupos musculares antagonistas y envía in· formación sensitiva al cerebro. Este tipo de reflejo complejo con múltiples interacciones neuronales es más típico de nuestros reflejos que ei reflejo m.iotático rotuliano monoslnáptico simple. Las vías reflejas espinales más complicadas están controladas por redes de neuronas en el SNC denominadas generadores cen· trales de patrones. Una vez activad9S, los generadores centrales de patrones crean movimiento repetitivo espontáneo. En los seres humanos, los movimientos rítmicos controlados por generadores centrales de· patrones incluyen la locomodón y la ritmiddad inconsciente de la respiración tranquila. En la siguiente sección se verá cómo el SNC controla los movimientos que van desde reflejos involuntarios hasta patrones de movimientos voluntarios complejos como bailar, arrojar una pelota Q _tocar un instrumento musical.

¡{\!RJ~ISIÓN

. . \f;i-;;tli?'6. Agregue el refle¡o extensor cruzado en la p1ema de f{{i)?" sostén al mapa que creó en la Revisión 5.

7. A medida que recoge un peso impOrtante, ¿cuál de los siguientes están activos en su músculo bfceps: ·neurona motora a, neurona motora y, neuronas aferentes del huso muscular, neuronas aferentes del órgano ten di· noso de Go!gi! 8. ¿Qué distingue un reflejo de estiramiento de un refle-

jo extensor cruzado?

Respuestas: en la p. 455

EL CONTROL INTEGRADO DEL MOVIMIENTO CORPORAL La mayoría de nosotros nunca piensa de qué modo nuestro cuerpo traduce los pensamientos en acción. Aun el movimiento más simple requiere coordinadón para que los grupos musculares antagonistas y slnergistas se contraigan en la secuencia apropia~ da y en el grado apropiado. Además, el cuexpo debe adaptar con·

446

El control integrado del movimiento corporal

capítulo 13 FISiología integrada!: control del movimiento corporal Médula espinal

Vlas ascendentes

hasta e! encéfalo

s-"' "" l

Médula

Sustancia espinal blanca

~-

Una colateral activa las vías ascendentes para sensación {dolor) y ajuste postura! {desplazamiento en el centro da gravedad).

..---

~ ~..!,6~.~? de retim·d·a aleja el pie del t-::=o doloroso.

8 reflejo extensor cruzado sostiene el cuerpo a medida qua al peso se a!a}a del estfmulo doloroso.

'1 ""' fiAxnrAA están inhibidos

•

pacto son integrados en el tronco encefálico. Ellos requieren aterendas sensitivas continuas de los sistemas sensitivos visual y vestibular (oído interno) y de los propios músculos(~ p. 355). Los receptores musculares, tendinosos y articulares proporcionan información acerca de la propiocepdón, las posiciones de las dis· tintas partes del cuezpo relacionadas unas con otras. Usted puede decir si su brazo se encuentra flexionando aun con los ojos cena-

447

dos porque estos receptores le proporcionan infonnadón sobre la pocisión del cuerpo al cerebro. La ínformactón que se recibe desde el aparato vestibular del oído y las referencias visuales nos ayudan a mantener nuestra po:sidón en el espado. Por ejemplo, utilizamos el horizonte para determinar nuestra orientación espacial en reladón con la Tierra. En ausencia de referencias visuales, confiamos en las aferendas táctiles. Las personas que intentan moverse en una habítadón os· cura _instintivamente buscan una pared o un mueble para poder orientarse. Sin referencias visuales ni táctiles nuestra capacidad de orientación puede fracasar. La falta de referendas es lo que haCe que pilotear aviones en las nubes o con niebla resulte imposible sin instrumentos. El efecto de la gravedad sobre el sistema vestibular es una aferenda tan débil cuando se compara con las referencias visuales o táctiles que los pilotos pueden hallarse volando invertidos sin darse cuenta. Los movimientos voluntarios son el tipo más complejo de movimiento. Requieren integractón en la corteza cerebral y pue• den ser inidados a voluntad sin estímulos externos. Los movimientos voluntarios aprendidos mejoran con la práctica y algunos incluso se vuelven involuntarios como reflejos. Piense en cuán dificil fue aprender a andar en bicicleta. Sin embargo, una vez que usted aprendió a pedalear suavemente y a mantener el equilibrio, los movimientos se volvieron automáticos. "Memoria muscular'' es el nombre que los bailarines y los atletas dan a la capacidad inconsciente del cerebro de reproducir movimientos y posidones aprendidos y voluntarios. Los movimientos rítmicos, como caminar o correr, son una combinación de movimientos reflejos y movimientos volunta· rios. Los movimientos rítmicos se inician y terminan por aferen. das de la corteza cerebral, pero una vez iniciados pueden mantenerse sin otras órdenes del cerebro. La actividad rítmica de los músculos esqueléticos en las extremidades se mantiene gradas a redes de intemeuronas espinales. Estas intemeuronas son genera-

mFIGURA 13-8 Reflejo de flexión y reflejo de extensión cruzado La flexión en una extremidad produce simultáneamente extensión en la extremidad opuesta. la coordinación de los reflejos con ajustes posturales es esencial para mantener el equilibrio. REFLEJO

tlnuamente su posidón para comperisar las diferencias entre el movimiento que se desea hacer y el real. Por ejemplo, un lanza. dor de blfu:bol pisa fuera del montículo para redbir una bola baja pero al hacerlo resbala en el césped húmedo. Su cerebro rápidamente compensa el cambio inesperado de posición mediante una actividad-muscular refleja, y así el fugador se mantiene erguido y puede int~ceptar la pelota. Los múscUlos esqueléticos no se pueden comunicar entre ellos directamente, y por eso envían mensajes al SNC, lo que permite que los centros integradores se hagan ca:rgo y dirijan el movimiento. La mayoría de los movimientos corporales son respuestas coordinadas y· extremadaril.ente integradas que requieren aferendas de múltiples regiones del cerebro. En esta sección ·examinamos algunos de los centros integradores del SNC que son responsables del control del moviiniento corporal.

Los movimientos pueden dasificarse como reflejos, voluntarios o rítmicos Los movimientos pueden clasificarsé. a grandes rasgos en tres categorías: movimiento reflejo, movimiento voluntario y movi· miento rítmico (cuadro 13·2 m). Los movimientos reflejos son los menos complejos y son integrados fundamentalmente en la médula espinal (p. ej., véase el reflejo rotuliano en la Fig. 13-7). Sin embargo, al igual que otros reflejos espinales, los movimien· tos_ reflejos pueden ser modulados por las aferencias de los centros encefálicos superiores. Además, las aferendas sensitivas que inidan los movimientos reflejos, como las aferenctas de los husos musculares y los órganos tendinosos de Golgi, se dirigen hada el cerebro y partidpan en lá coordinación de los movimientos voluntarios y los reflejos posturales. Los reflejos posturales que n<.>s ayudan a mantener la posi· dón del cuerpo cuando estamos de pie o nos movemos en el es-

Estrmulo que lnlda el Primariamente externo a travás de movimiento reteptores sensitivos; mfnimamen~e voluntario

VOLUNTARIOS

RíTMICOS

Estimulas externos o a voluntad

lnl~iación y terminación voluntaria

Ejemplo

Reflejos rotuliano, tusfgeno, post~­ ra!es

T001r el piano

Deambu!ación, carrera

Complejidad

Menos complejos;" integrados allli-_ Vel de la médula ·espina! o de! tronco encefálico con la modulación de centros ~uperiores

Más complejo; integrados en la corteza cerebral

Complejidad intermedia; se integran en la médula espinal y requieren aterendas de centros superiores

Comentarios

Inherentes, rápidos

Moviriiientos aprendidos que mejoran cOn la práctica; una vez aprendidos, pueden volverse inconscientes {'me-moña muscular')

los circuitos espinales actúan como generadores de patrones; la activa· ción de estas vías requiere aferencias del trorico encefálicO

448

Capítulo 13 Fisiología integrada 1: control del movimiento corporal

El control integrado del movimiento corporal

continúa su salto repetitivo hasta que alguien lo apaga (o hasta que la batería se agota). Las diferencias entre los movimientos reflejos, voluntarios y rítmicos no siempre son claras. La precisión de los movimientos voluntarios mejora con la práctica, pero también. lo hace la de los movimientos reflejos. Los movimientos voluntarios, una vez aprendidos, pueden volvase reflejos. Además, la mayoría de los movimientos voluntarios requieren aferencias continuas de los reflejos posturales. Los reflejos por prealimentadón perlniten que el cuerpo se prepare para un movimiento voluntaño, y los mecanismos de retroalimentación se utilizan para crear un movi· miento continuo y suave. La coordinación del movimiento re. quiere la cooperación de muchas partes del cerebro.

El SNC integra el movimiento

dores centrales de patrones que producen la contracdón y relaja· ctón alternadas de los músculos en forma repetitiva y rltmica has. ta que se los instruye para detenerse mediante señales del cerebro. Como analogía, piense en un conejito que fundona a bateñaS. Cuando se enciende, el conejito comienza a saltar. El conejito

Tres niveles del sistema nervioso conttoiar.t el movimiento: 1) la médula espinal, que integra los reflejos espinales y contiene generadores centrales de patl:ones; 2) el tronco encefálico y el cerebelo, que controlan los reflejos posturaies y los movimientos de manos y ojos y 3) la corteza cerebral y los ganglios basales (ªp. 308), que son responsables de los movimientos voluntarios. El tá· lamo retransmite y modifica las señales que son enviadas desde la médula espinal, los ganglios basales y el cerebelo hada la corteza. cerebral (cuadro 13·3 0). Los movimientos reflejos no requieren aferenctas de la corte· za cerebral. Los propioceptores como husos musculares, órganos tendinosos de Golgi y receptores de la cápsula articular propor· clonan infonnadón a la médula espinal, el tronco encefálico y el cerebelo (Fig. 13·91]). El tronco encefálico está a cargo de lós reflejos posturales y los movimientos de manos y ojos. También re· dbe órdenes del cerebelo, la parte del encéfalo responsable de la

REOBE AFERENCI.AS DESDE:

ENVfA EfERENOAS INTEGRA~ORAS A:

Reflejos espinales; generadores de pa· trones locomotores

keceptores sensitivt~s

Tronco. encefálico, cerebelo, tálamo/cor· teza cerebral

Tronco encefálico

Postura, movimientos de manos y ojos

Cerebelo, receptores sensitivos visuales y vestibulares

Médula espinal

Áreas motoras de la cor· teza cerebral

p"Janificatión y coordinación del mov¡. miento complejo

Tálamo

Tronco encefálico, médula espinal (trae· to cortic(!espinal), cerebelo, ganglios basales

Cerebelo

Controla las señales eferenteS desde las áreas "motoras y ajusta !_os movimientos

Médula espinal (sensitivo), corteza cerebral {órdenes)

Tronco encefálico¡ corteza cerebral. (Observa~ón: todas las .eferendas son inhibitorlas.)

LOCAUZAOÓN

Médula espinal

Tálamo

Núcleos basales

. PAPEL

corltiene núcleos de relevo que modu· Jan y pasan los mensajes hacia la corteza cerebral

Ganglios basales, cerebelo, inédula espinal

Planificación motora

·Corteza cerebral

~ Las aferenclas sensitivas (--+- )

da los ~tores sa dirigen a la médula espina!, la corteza cerebral y el cerebelo. Las señales de aparato vestibular se dirigen d!rectamente hacia el cerebelo.

@los rellejos z~ y

espmales no requ1eran integración en !a corteza. Las saJares eferentes {~ J !n!clan el movimiento sin aferencias superiores.

mFIGURA 13~91ntegraá6n de los reflejos musculares "regulación fina" del movimiento. El resultado es el movimiento reflejo. Sin embargo, se envía cierta información sensitiva a tia· vés de vías ascendentes hasta áreas sensitivas de la corteza, don· de puede ser utilizada para planificar movimientos voluntarios. Los movimientos voluntarios requieien coordínadón entte

PLANIFICACIÓN

INICIACIÓN

EJECUCióN·

OS.: MOVIMIENTO

OB.

DEl MOVIMIENTO

449

corteza cerebral, cerebelo y ganglios basales. El control del movi· miento voluntario puede divicfuse en tres pasos: 1) toma de ded· siones y planificación, 2) iniciación del mOvimiento y 3) ejecución del mOVimiento (Fig. 13·10 @).La corteza cerebral desempeña.un papel clave en los dos primeros pasos. Comportamientos como el movimiento requieren reconocer de la posictón del cuerpo en el6-pacio (¿dónde estoy?), decidir qué movimiento se debe ejecutar (¿qué haré?), un plan para ejecutar el movimiento (¿cómo lo haré?) y la capacidad para mantener el plan en la memoria el tiempo SU· fidente como para llevarlo a cabo (¿qué estaba haciendo?). Como sucede con los movimientos reflejos, se utiliza la rettoalimentaclón sensitiva para refinar continuamente el proceso. Volvamos a nuestro lanzador de béisbol y-sigamos el proceso a medida que decide si debe arrojar una pelota rápida o una cur. va lenta Parado sobre el montículo, el lanzador está consdente de lo que lo rodea: los ottos jugadores en el campo, el bateador en el cuadro y la tierra bajo sus pies. Por las aferendas visuales y somatosensitivas a las áreas sensitivas de la corteza está consden. te de su posición en el espado a medida que se afirma para arro.. jarla pelota {Fig. 13--11 §).Decidir qué tipo de lanzamiento debe hacer y anticipar las consecuencias ocupan muchas vías en su corteza prefrontal y las áreas de asociadón. Estas vías envían in· fonnadón por los ganglios basales y el tálamo para su modula. dón y la reciclan nuevamente hada la corteza. Una vez que el lanzador toma la decisión de arrojar una pelo. ta rápida, la corteza motora se hace cargo de organizar la ejecu· dónde este movimiento complejo. Para inldar el movimiento, la ínfonnactón descendente viaja desde las áreas de asociación motoras y la corteza motora hada el tronco encefálico, la médula es· pinal y el cerebelo. El cerebelo ayuda a realizar las adaptactones posturales integrando la retioalimentadón de los receptores sen· sitivos periféricos. Los ganglios basales, que ayudaron a las áreas motoras corticales a planificar ellanzaniiento, también propor· donan información sobre postura, equilibrio y marcha al tioneo encefálico.

MOVIMIENTO

Corteza cerebral ~~~~~~~>

Corteza cerebral, tronco encefálico

1

Vlasde retroalimentación

mFIGURA 13·10 Control por el SNC del movi· miento voluntario · los movimientos voluntarios pueden dividirse en tres fases: planificación, iniciación y ejecución. la retroalimentación sensitiva permite que el cereo bro corrija cualquier desviación entre el movi· miento planificado y el movimiento real.

1

450

Capítulo 13 Rsio!ogía integrada 1: control del movimiento corporal

Control del movimiento en !os músculos viscerales

' M~e~~~:::~~~

mientos experimentales incluyen el trasplante de neuronas dopaminérgicas. Los que proponen la investigación en células troncales o células Ii:J.adre creen que la enfermedad de Parkinson puede ser uno de los trastornos que se benefictaría con el trasplante. de células troncales en los cerebros afect.idos.

~~;;~.·~;·~~made ~~enes

·

~:~n.··~·~de

CONTROL DEl. MOViMIENTO EN lOS MÚSCULOS VISCERALES

~nes

El movimiento creado por la cont:racd.ón de músculos liso ycar· díaco es muy diferente del de los músculos esqueléticos, en gran parte porque el músculo liso y el músculo cardíaco no _están inser· tados en hueso. En los órganos internos o vísceras, la contracción muscular habitualmente cambia la fonna del órgano, estrechando la luz de m1órgano hueco o acortando la longitud de un tubo. En muchos órganos internos, la contracdón muscular empuja el material a través de la luz del órgano: el corazón bombea sangre, el tubo digestivo mueve el alimento, el útero expulsa un niño. La contracción del músculo visceral a menudo está controlada

~--··~·

Ejecución: tracto cortlcoespinal

a los músculos esqueléticos

Ejecución: influencia

extraplramidal sobre postura. equ!llbrio y marcha ~-

'

Retroa!ime_n~~.n continua

de forma refleja por el sistema nervi.os o autónomo., pero no siempre es así. Algunos tipos de músculo liso y el músculo cardíaco son capaces de generar sus propios potenciales de acctón, independientes de una señal externa, Tanto el corazón como el tubo digestivo tienen fibras muscul
m1 FIGURA 13~11 Control de los movimientos voluntarios

' 1

i

i! 1

La decisión del lanzador de an:ojar una pelota rápida ahora se traduce en potenciales de acctón que viajan hada abajo a través del tracto corticoespinal, un grupo de intemeuronas que corren desde la corteza motora hasta la médula espinal (Fig. 13-12 W), donde hacen sinapsis directamente en neuronas motoras somáticas. Como señalamos en .el capítulo 9, la mayoña de estas vías descendentes cruzan hada el lado opuesto del cuerpo en una región del bulbo raquídeo conocida como pirámides. Por eso, esta vía a veces se conoce como tracto piramidal. Las vías motoras des.. cen.dentes con múltipl~ sinapsis ep. el SNC forman lo que a ve. ces se llama tracto extrapiramidal o sistema extrapirnmidal. Sin em. bargo, hoy sabemos que las vías piramidal y extrapiramidal inte- · ractúan y no son tan distintas en su fundón como antes-se pensaba. Amedida que el lanzador comienza su lanzamiento, los refleíos posturales por prealimentad6n adaptan la posición corporal y desplazan ligeramente el peso ~tes de que ocurran los cambios (Fig. 13-13li!1). Através de vías divergentes apropiadas, los potendates de acdón llegan a conjuntos de nemonas motoras somáticas que controlan los músculos utilizados para el lanzamiento: algunas son excitadas, otÍas son inhibidas. Los circuitos neurales permiten ei control preciSo de grupos musculares antagonistas a medida que el lanzador flexiona y lleva hada atrás su brazo dere. cho. Su peso se desplaza hada su pie derecho a medida que su brazo derecho se mueve badil atrás. Cada uno de estos movimientos activa receptores sensitivos que llevan información nuevamente hada la médula espinal, el troncoimcefálico y el cerebelo, activando reflejos postutales. Estos reflejos adaptan la posición corporal de modo que el lanzador no pierda el equilibrio y se caiga hada atrás. Por último, ellariza-

451

dor suelta la pelota, manteniendo el equiliQrio durante el remate, otro ejemplo de reflejos posturales mediados por retroalim~nta­ ción sensitiva. Su cabeza se mantiene erguida y sus ojos siguen la pelota hasta que llega al bateador. ¡BATAZO!... home run. Mientras los o¡os del lanzador siguen la pelota y eValúa el resultado de su lanzamiento, su cerebro se prepara para el siguiente bateador, esperando utilizar lo que ha aprendido de estos lanzamientos para mejorar los que siguen.

B FIGURA 13-12 El trado cortfcoespinal Estas int~rneuronas van directamente de la corteza motora has-

Los síntomas de la enfermedad de Parkinsón reflejan las funciones de los ganglios basales

ta sus sinapsis con neuronas motoras somáticas. La mayoría de las neuronas corticoespina/es cruzan la linea media en las pirá~ mides.

Nuestro conocimiento del papel de los ganglios basales en el cont!ol del movimiento se ha desarrollado lentamente porque, durante muchos años, los experimentos en animales arrojaron poca información. La destrucción al azar de porciones de los ganglios basales no parecía afectar a los animales de experimentación. Pero la investigación concentrada en la enfermedad de Parldnson (parltinsonismo) en seres humanos ha sido más fructífera. A partir del estudio de pacientes con enfermedad de Parkinson hemos aprendido que los ganglios basales desempeñan un papel en la función cognitiva y la memoria así como en la coor· dinadón del movimiento. · La enfermedad de Parldnson es un trastorno nemológico pro· gresivo caracterizado por movimientos anormales, dificultades en la articulación de la palabra y cambios cognitivos. Estos signos y síntomas se asocian con pérdida de neuronas en los ganglios basales que liberan el neurotransmisor dopamina. Un signo anormal que presenta la mayoría de los pacientes con enfermedad de Parkinson es el temblor de manos, brazos y piernas, sobre todo en reposo. Además, tienen dificultad para iniciar el movimiento y

caminan lentamente con postura inclinada y arrastrando los-píes. Pierden la expresión factal, no parpadean (mirada de reptil) y puede aparecer depresión, trastornos del sueño y cambios en la personalidad. I.a causa de la enfermedad de Parkinson no es del tOdo conocida; parece ser una combinación de factores ambientales y susceptibilidad genética. Hace unos años se diagnosticó parkinsonismo a algunos jóvenes adictos a drogas. Su trastorno se atribuyó al uso de heroína de fabricadón casera que contenfa un contaminante tóxico que destruía las neuronas dopaminérgicas (que secre. tan dopamtna). Este contaminante ha sido aislado y les permite a los investigadores indudr la enfermedad de Parkínson en animales de experimentación, de modo que se dispone de un modelo animal en el cual evaluar nuevos tratamlentos. El tratamiento actual primarto para la enfermedad de Parkinson es la administración deL-dopa, un preCUISOI de la dopamina que puede atravesar la barrera hematoencefálica. Algunos trata·

1

452

Resumen de! capítulo

capitulo 13 Fisiología integrada l: control del movimiento wrpora!

1' t

Retroalimentación para altemclones posturales no antlsipadas

¡¡¡FIGURA 13·13 Reflejos de prea!imentadón y retroalimentadón durante e! mo-

453

El control reflejo del músculo liso vis<eral es distinto del control reflejo del músculo esquelético. Los músculos esqueléticos están controlados sólo por el sistema nervioso, perO en muchos tipos de músculo visceral, las hormonas son importantes para regular la contracción. Además, algunas células de músculo visceral están conectadas entre sí por uniones en hendidura que permiten que las señales eléctricas pasen directamente de una célula a la otra. Como el músculo liso y el músculo cardíaco tienen gran variedad de m&.anismos de control, se explicará este control al cubrir el sistema o aparato apropiado para cada tipo de músculo. En el siguiente capítulo, se examinarán el músculo cardíaco y su fundón en el corazón.

vimiento.

RESUMEN DEL CAPÍTUlO ¿Cuántas veces ha oído usted a la gente decir ~lo hi~ sin pensar"? En efecto, estaban dicténdonos que su acción fue una respuesta reflefa..Exlsten muchas formas de controlar las funciones de los músculos y las glándulas del CUfiPO, pero un reflejo nemal es la más simple y la más rápida. Este capitulo Integra el material aprendido en los capltulos 8-12 y muestra cómo el sistema de control nervioso controla el movimiento del cuer-

po.

Reflejos neura/es l. Un reflejo neural está constituido por los siguientes elementos: estí· mulo, teceptor, neuronas sensitivas, neuronas eferentes, efectores (mtisculo y glándulas) y respuesta. {p. 436) 2. Los reflejos neurales pueden clasificarse de varias formas. Los reflejos somáticos comprenden las neuronas mototaS somáticas y los múscu-

los esqueléticos. Los reflejos autónomos (o viscerales) están controlados por neuronas autónomas. {p. 436, cuadro 13-1) 3. Los reflejos espinales son Integrados en la médula espinal. Los reflejos craneales son Integrados en el cerebro. (p. 436) 4. Muchos reflejos son innatos. Otros se adquieren a través de la experiencia. (p. 436) 5. La vía más simple es un reflejo monosináptico que sólo tiene dos neuronas. Los reflejos polisinápticos tienen tres o más neuronas en. la vía. (p. 437; Fig. 13-1)

Reflejos autónomos 6. Algunos reflejos autónomos son reflejos espinales que están modula-

dos por aferencias del encéfalo. Otros reflejos necesarios para mante· ner la homeostasls son Integrados en el ooebro, fundamentalmente en el_hlpotá!amo, el tálamo y el tronco encefálico. (p. 438) 7. Todos Jos reflejos autónomos son po!isinápticos y muchos se caracterizan por actividad tónica (p. 438; Fig. 13·2) 'i

Reflejos musculares esquelétiCos

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1

8. La relajación del músculo esquelético debe estar controlada por el SNC porque las- neuronas moto.ras somáticas siempre producen la contracción en un músculo esquelético. {p. 439) 9. Las fib.ras contráctiles normales de un músculo se denominan fibras musculares extrafusales. Su contracción está controlada por neuronas motoras alfa {p. 439; Fig. 13·3) 10. Los husos musculares envían Información acerca de la longitud del II\úsrulO al SNC. Estos receptores consisten en fibras lntrafusales con

neuronas sensitivas envueltas alrededor del. centro no contráctil. Las neuronas motoras 11nervan los extremos contráctiles de las fibras In· ttafusales. (p. 439; Fig. 13·3) 11. Los husos musculares son receptores de est!Iamiento tónicamente acti· vos. Su eferenda crea contracción tónica de fibras musculares exttafusa. les. Debido a esta actividad tónica, un músculo en reposo mantlene cierto nivel de tensión, conocido como tono muscular. {p. 440; Fig. 13-4a) 12. Si un músculo se estira, las fib.ras Intrafusales del huso se estiran e ini· dan conttacctón refleja del músculo. La conttacclón Impide el daño por sobreestirainiento. Esta vía refleja se conoce como reflejo miotá· tico. (p. 440; Fig. 13-4b) 13. Cuando un músculo se contrae, la coactivadón «...Y asegura que el huso muscular se mantenga activo. La activadón de las neuronas moto.ras y produce la conttacdón de los extremos de las fibras lntiafusa· les. Esta conttacctón aiaiga la región central de la fibra intrafusal y mantiene el estiramiento sobre las terminaciones nerviosas sensitivas. {p. 440; Flg. 13-5) 14. Los órganos tendinosos de Golgl. se encuenttan en la unión de los tendones y las fibras musculares. Consisten en terminaciones nervio-

sas libres que se entremezclan con las fibras de colágeno. Los órganos tendinosos de Golgl :responden al estiramiento y a la oontracdón del músculo produciendo una relajación refleja. (p. 442; Figs. 13-3, 13-6) 15. Los músculos sinerg!Stas y antagonistas que controlan una única articulación se conocen como unidad miotátlca. Cuando un conjunto de músculos en una unidad mtotática se contrae, los músculos anta· genistas deben relajarse a través de un reflejo conocido como inhibición reciproca. (p. 443; Fig. 13-7) 16. Los reflejos- de flexión son reflejos polisinápticos que hacen que un brazo o una pierna se aleje de un estimulo doloroso. Los"reflejos de flexión que ocurren en las piernas suelen acompañatse por el reflejo de extensión cruzado, un reflejo postural que ayuda a mantener el equilibrio cuando se levanta un pie del piSO. {p. 444; Fig. 13-8) 17. Los generadores centrales de patrones son redes de neuronas en el SNC que funcionan espontáneamente pata controlar ciertos movi· mientes musculares rítmicos. (p. 445)

El control integrado del movimiento corporal 18. Los movimientos pueden clasificarse a grandes rasgos en tres categorías: movimiento reflejo, movimiento voluntario y movimiento rítmico. (p. 446; cuadro 13·2) 19. Los movimientos reflejos están Integrados fundamentalmente en la mMula espinal. Los reflejos posturnles están integrados en el tronco del encéfalo. (p. 446; Flg. 13-9, cuadro 13-3)

1

454

Capítulo 13 Fisiología integrada l: control del movimiento corporal

20. Los movimientos voluntarios están integrados en la corteza cerebral y pueden ser iniciados a voluntad. Los mqvimlentos volunta:rtos aprendidos mejoran con la práctica e Incluso p:ueden ser !nvolunta· nos, romo reflejos. (p. 447; Flg. 13·11) 21. Los movimientos rítmicos, como la deambulaCión, son una combi· nación de reflejos y movimientos voluntarios. Los mOV!mlentos rlt·

micos pueden ser mantenidos por generadores centrales de patrones.

"n

(p. 22. Las órdenes motoras viajan desde la corteza hasta la médula espinal a tiavés del tracto corticoespinal y desde los ganglios basales a través de las vías extrapiramidales. (p. 448; Fig. 13·12)

Respuestas 23. Los reflejos por prealimentaclón permiten que el cué!po se prepare

para un mov!mlento voluntario; Jos mecanismos de retroalimenta. dón se utilizan para crear un movimiento suáve y continuo. (p. 448; Fig. 13·13)

Control del movimiento en los músculos viscerales

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Los 105 refiej05 neurales comienzan con un - - - - - - -

que activa un receptor. 2. Los reflejos somáttros Involucran a los músculos - - - - - - ; los reflejos (o vtscerales) están controlados por nervios autónomos. · 3. El patrón de vía que lleva la lnfonnadón de muchas neuronas a una cantidad menor de neuronas se conoce cOmo------4. Cuando la terminación axónlca de una neurona moduladora (c€J.ula M) termina cerca de.la terminadón axón!ca de una c€J.ula preslná:pti· ca (c€J.ula P) y disminuye la cantidad de neurotransmisor liberado por

"

la céluia P, el tipo de modulación resultante se denoniina - - --.(Sugerencia: véase p. 279.) 5. Los reflejos autónomos se denominan también reflejos ...................... ¿Porqué? 6. Algunos reflejos autónomos son reflejos espinales; otros están integra· dos en el encéfalo. Mencione ejemplos de~da uno de el.kls. 7. ¿Qué parte del cerebro transforma las:~odones en sensaciones somáticas y acciones viscerales? Mencione tres reflejos autónomos que estén ligados a emociones. 8. ¿Cuántas sinapsis se presentan en los reflejos autónomos más sim·

ples? ¿Dónde se presentán las Sinapsis? 9. Mencione los tres tipos de receptores sensitivos que transmiten Información para los reflejO$ musculares. 10. Acausa de la actividad tónica en !as neuronas, un músculo en reposo mantiene un bajo nivel de tensión conocido como----11. El estiramtento de un mús_culo esquelético hace que las neuronas sen· sUivas (aumenten/disminuyan) su frecuerida de descarga, lo que ha· ce que el músOllo se contraiga, ~Vianda así el estiramiento. ¿Por qué es útil este reflejo? 12. Relacione la estructura con todos las afinnactones conectas para ella: a) huso muscular l. es estrictamente un receptor b) órgano tendinoso de Golgi sensitivo c) mern¡.orre:eptor de la 2. tiene neuronas eferentes que cápsula articular llevan lnfonnadón al SNC 3. se asocia ron dos ttpos de neuronas eferentes 4. transmite Información sobre la posición telativa de los huesos 5. está Inervado por neuronas motoras'( 6. modula la actividad en las neuronas motoras a 13. El órgano tendinoso de Golgi. responde tanto a ---romo ., aunque

'

455

renda: véase Fig. 10-U.) Dado que el sistema nervioso autónomo está mediando esta respuesta tefleja, ¿qué tipo de tej!do espera encontrar unido.a los folicul05 pilosos? 22. Utilizando lo que ha aprendido sobre las tOXinas tetánica y botulinica, haga un cuadro que compare las <jos. ¿En qué son slml1ares latoxina tetánica y la toxina botulinica? ¿En qué se difereocian?

24. La contracción en los 1!111Sculos liso y cardíaro puede ocunir espontá. neamente o puede estar controlada por hormonas o por la división

autónoma del sistema nervioso (p. 451)

---···- ·---·===·=-'

RESPUESTAS

e/Respuestas a las preguntas de revisión

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

lo alcanza. y le toma el brazo. Usted grita. Su frecuenda cardiaca se acelera y siente que vellos de su brazo se eiizan. a) ¿Qué acaba de sucederle? b) ¿En qué parte·del encéfalo se procesa el mleclo? ¿Cuáles son las fundones de esta parte del encéfalo? ¿Qué rama (somática o autónoma) de las eferencias motoras lo controlan? ¿Cuáles son los ótgan05 diana para esta respuesta? e) ¿Cómo es posible que su vello se erice cuando está formado por proteínas que no se contraen? (Suge.

- - - - produce la respuesta más Intensa. La actiVación (aumenta/disminuye) la contracción muscular a través de la neurona14. ¿Un m.inimo de cuántas neuronas requiere el re.flejo más simple? ¿Cuántas slnapsls? Dé tm ejemplo. 15. Mencione y diferencie las tres categorías de movimiento. Dé un ejem.

plo de cada una de ellas.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 16. ¿CUál._es el propósito de la coactivactón a-y? 17. La neurona Mmoduladora hace sinapsis sobre la tenntnadón axóni~ ca de la neurona P, Inmediatamente antes de que P haga slnapsls ron el órgano efector. Si M es una neurona lnhibltoria, ¿qué sucede con la liberación del neurottansmisor por P? ¿Qué efecto tiene el neurotransmisor de M sobre el potendal de membrana postsináptico de P? (Sugerencia: dibuje esta vía) 18. En su últl.nl.o examen físico, su médica controló su reflejo patelar gol. peando Inmediatamente debajo de su rodflla mientras usted estaba sentado tranquilamente sobre el borde de la camilla. a) ¿Qué estaba controlando cuando realizó esta prueba? b) ¿Qué hubiera sucedido st ustea estuviera preocupado CQn caerse de la camilla y estuviera muy tenso? ¿Dónde se originan estas aferendas ad!donales hada lass neuronas motoras cieWttes? ¿Estas neuronas moduladoras producen pp. SE o PPSI en las neuronas motoras espinales? e) Su médica nota que usted está tenso y le pide que cuente hacia atrás de a 3 en 3 comenzando con 100 mientras ella repite el examen. ¿Por qué llevar a cabo esta tarea aumenta el reflejo?

NIVEL 3: RESOLUOÓN DE PROBLEMAS 19. Existen varias tootías sobre el modo en que fundona la lnhibidón preslnáptica a nivel celular. Utilice lo que usted ha aprendido sobre el potendal de membrana y la transmlslón ·sJ.nápttca para exp1lcar cómo cada uno de los Siguientes mecanismos conducirlan a una lnhibidón preslnáptiea: a) Los canales de eaz.. regulados por voltaje en la tennlnadón axónica están Inhibidos. b) Los canales de a- en la terminación axómca se abren. e) Los canales de K+ en la termlnad6n axóÍlica se abren. 20. Andrés está trabajando para mejorar su swing de golf. Debe observar la pelota, mover hada atrás el palo de golf y luego hada adelante, girar las caderas, enderezar el brazo Izqui.erdo y terminar el movimiento, que es cuando el palo desctibe un arco por delante de él. ¿Qué partes del encéfalo están inVolucradas en ajustar la fuerza ron que golpea la pelota, manener todas las partes de su cuerpo m.oviffidose rorrectarnente, observar la pelota y repetir estos movimientos una vez que ha vertficado que el swing fue satlsfactorlo? 21. Es Halloween y usted está caminando por la temible casa encantada. Cuando dobla en una esquina y entra en la mazmorra, un esqueleto

Página438 l. Sensor (receptor sensitiVo), vía aferente (neurona seositiva), centro Integrador (sistema nervioso central), vía eferente (neurona autónoma o neurona motora somática), efector (músculos, glándulas, algu. nos tejidos adiposos). 2. Con la hiperpolariz.adón, el potencial de membrana se vuelve más negativo y se aleja más del umbrnl. Página440 3. Su mapa de un reflejo miotátlco debe equipararse a los componentes que se muestran en la figura 13-4b.

Página443 4. Su mapa de la coactivadón (J.-.Jy debe equipararse a los pasos de la fi. gura 13-Sb. El estímulo de la contracción muscular es el miSmo para el reflejo tendinoso de Golgi, pero su mapa debe ramificarse luego para mostrar los pasos de la figura 13-6d y e.

Página444

S. Su mapa del reflejo de flexión debe equipararse a los pasos que se muestran para el reflejo rotuliano en la figura 13-7, con la contracción agregada de los músculos flexores de la cadera además del cuádriceps. Página445 6. Los pasos !nidales del reflejo extensor cruzado son los mismos que Ios deheflejo de flexl:6n hasta el SNC. Allí el reflejo extensor cruzado sigue el diagrama que se muestra en la figura 13-8, paso 3c. 7. Cuando usted levanta un peso, las neuronas « y r. los aferentes del huso y los aferentes de los órganos tendinosos de Golgi están activos. 8. Un reflejo mlotático se Inicia con el estiramiento y produce una rontracción refleta. Un reflejo extensor cruzado es un reflejo postura! inidado por el alejamiento de un estímulo doloroso; los músculos extensores se contraen, pero los flexores cone!pOndientes están inhili·

'"

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Aspectos generales del aparato cardiovascular

fi~iiOI©gia cardi@va~c!Jiiar Aspectos generales del aparato cardiovascular 458 458

E! aparato cardiovascular transporta materiales a todo el cuerpo El aparato cardiovascular está formado por el corazón, los vasos sanguíneos y la sangre

Presión, volumen, flujo y resistencia 461

La presión de un líquido en movimiento disminuye ¡;;on la distancia

461 462

cambi_os de presión en los líquidos sin cambio en el volumen la sangre fluye desde un área de mayor presión a otra de menor presión La resistencia se opone al flujo la velocidad del fluj~ _depende del caudal y del área de la sección transversal

462

464

Músculo cardíaco y corazón El corazón tiene cuatro cámaras 468 · Las válvulas cardíacas aseguran el flujo unidireccional en el corazón 465 !-'

¡;

470 471 472 472 472 475

Las células del músculo cardíaco se contraen sin estimulación nerviosa El acoplamiento excitación
El corazón como bomba 477 479 480 484 486 487 489 489 490 491 493

La conducción eléctrica en el corazón coordina la contracción

Los marcapasos regulan la frecuencia cardiaca El electrocardiogÍ'ama refleja la-actividad eléctrica del corazón El Corazón se contrae y se relaja una vez durante un ciclo cardíaco Las curvas presión·volumen representan un ciclo cardiaco El volumen sistólico es el volumen de sangre bombeado por un ventriculo en una contracción El volumen minuto es una medida del rendimiento cardíaco La frecuencia cardiaca t;!stá modulada por neuronas autónomas y catecolamínas Múltiples factores influyen en el volumen sistólico La contractilidad está controlada por los sistemas nervioso y endocrino El volumen de fin de diástole y la presión arterial determinan la poscarga .

de !a mañana, el coágulo de sangre que se había forma::,:,· do silenciosamente en la arteria coionaria izquierda de Walter .Parker reveló su siniestra préSencia. El ejecutivo de publiCÍdad ae 53 años había llegado al Convention Center de Dalias sintiéndose bien, pero de repente un dolor sordo comenzó_en el centrq de su pecho y sintió náuseas. Al principio no le hizo caso; consideránda:--· lo consecuencia del banquete de la convenci9n la noche anterior. Pero cuando el dolor persistió, se dirigió al puesto de socorro._•No me siento bien~,/e diío al médico. "Creo que puede ser una indigestión~. El médico, al escuchar los slntomas de Walter y vér su cara pálida y sudorosa, pensó inmediatamente en tin infarto., "Vamos a derivarlo al hospital para coptrolarlo."

~-·~ En la película ya clásica Indiana JotreS and the Teníple o{Doom (El Templo Maldito España, el Templo de la Perdición en Latinoamérica), el malvado sacerdote abre el tórax de una víctima sacrificial y le saca el corazón aún latente. Esto no es un invento alocado de un guionista de Hollywood: fue sacado de antiguos rituales mayas, que documentaron esta práctica horrorosa en sus esculturas y pinturas. · Fl corazón ha sido objeto de fasdnadón durante siglos, pero ¿OO. mo puede este empeñoso músculo, que bombea 7 200 litros de san· gre al dia, seguir latiendo fuera del cuerpo? Antes de que podamos responder a esta pregunta debemos considerar primero el papel de los corazones en los aparatos cardiovasculares. Amedida que la vida evolucionó los microorganismos unicelulares simples comenzaron a unllse, primero en colonias cooperativas y luego en organismos multicelulares. En la mayoría de los animales multicelulares, sólo la capa superficial de células está en · contacto directo con el medioambiente. Este modelo corporal presenta un problema, porque la difusión se hace más lenta a me-· dida que aumenta la distancia con el medio. Por ejemplo, el consumo de oxígeno en las células internas de los animales más grandes excede la velocidad a la cual puede difundir el oxígeno desde la superficie del cuerpo. Una solución para superar la lenta difusión fue el desa!rol!o evo. lutivo de sistemas circulatorios que mueven líquidos entre la super· fide del cuerpo y las áreas más proftmdas. En los animales simples, la actividad muscular crea un flujo de líquido cuando el animal se mueve. Los animales más complejos tienen bombas musculares na. madas corazones para hacer circular el líquido interno. En los aparatos circulatorios más efiCientes, el corazón bombea sangre a través de un sistema cerrado de vasos. Este Circuito unidire<:cional lleva Ia sangre por un camino especifico y asegura la distribución sistemática de gases, nutrientes, moléculas seftal y desechos. Un aparato circulatorio que incluye un corazón, vasos sanguíneos y sangre se conoce como aparato cardiovascular (kardia, corazón; vasculum, vaso pequeño).

457

Aunque la idea de un aparato cardiovascular cerrado que ha· ga circular la sangre por un circuito sin fin parece simple actualmente, no siempre fue así. Los capilares, los vasos microscópicos en los cuales la sangre intercambia material con el líquido inters· ticial, no fueron descubiertos hasta que Marcello Malpighi, un anatomista italiano, los observó a través de un microscopio a mediados del siglo xvn. En ese momento, la medicina aún estaba muy influida por la antigua creencia de que el aparato cardiovascu!ar distribuía tanto sangre como aire. Se pensaba que la sangre se formaba en el hígado y era dlstri· buida por todo el cuerpo a través de las venas. El aire iba de los pulmones al corazón, donde era digerido y se captaban los "espíritus vitales". Desde el corazón, el aire era distribuido .a los tejidos por vasos llamados arterias. Las discrepancias -como el hecho de que el corte de una arteria hiciera brotar sangre en lugar de airese explicaban ffigeniosamente por conexiones no visibles entre arterias y venas que se abrían con la lesión. Según este modelo de aparato circulatorio, los tejidos consumían toda la sangre que se les entregaba, y el hígado debía sintetizar continuamente sangre nueva. Pero Ios cálculos de William Harvey (1578-1657), médico de la corte del Rey Carlos I de Inglaterra, demostraron que el peso de la sangre bombeada por el corazón en una sola hora excedía el de todo el cuerpo. Una vez que fue obvio que el hígado no podía formar sangre con tanta la rapidez que requería el corazón para impulsarla, Harvey buscó una ruta anatómica <jue ie permitiera ala sangre recircular en lugar de ser consumida en los tejidos. Demostró que las válvulas del corazón y de las venas creaban un flujo unidireccional de sangre, y que las venas llevaban la sangre nuevamente hada el corazón, no hacia las extremidades. También demostró que la sangre que en-~ traba en el lado derecho del corazón debía dirigirse hada los pul· mones antes de poder llegar aliado izquierdo. Los resultados de estos estudios exaltaron la cólera de los contemporáneos de Harvey, y él respondió irritado que nadie menor J de 40 años podía comprender sus conclusiones. Finalmente,. el trabajo de Harvey se convirtió en la base de la fisiología cardiovascular módema. En la actualidad conocemos la estructura del aparato cardiovascular hasta los niveles microscópico y molecular, que Harvey nunca soñó que existieran. No obstante, algunas cosas no han cambiado. Aun hoy, con nuestra refinada tecnolo. gía, seguimos buscando "espíritus" en la sangre, aunque ahora les damos nombres como harmana y dtodna.

ASPECTOS GENERALES DEL APARATO CARDIOVASCULAR En términos simples, el aparato cardiovascular es una serie de tubos (los vasos sanguíneos) llenos de líquido (sangre) y conectados a una bomba (el corazón). La presión generada en el corazón impulsa continuamente la sangre a trav:és del sistema. La sangre recoge oxígeno en los pulmones y nutrientés en el intestino y luego entrega estas sustancias a las células del cuerpo mientras simultáneamente recoge los desechos celulares para su excreción. Además, el aparato cardiovascular desempeña un papel impor. tante en la comunicación entre las células y en la defensa del

cuerpo contra invasores externos. Este capítulo está dedicado a

1 458

Aspectos generales del aparato cardiovascular

Capítulo 14 Fisiología cardtovascu1ar

los aspectos generales del aparato cardiovascular y el corazón co. mo bomba. Las propiedades de los vasos sanguíneos y los controles homeostáticos que regulan el flujo sangutp.eo y la presión ar~ terial se examinarán en el capítulo 15.

El aparato cardiovascular transporta materiales a todo el cuerpo La función primaria del aparato cardiovascular es transportar materiales hacia y desde todas las partes del cuerpo. Las sustan. das transportadas por el aparato cardiovascular pueden dividirse en: 1) nutrientes, agua y gases que ingresan al cuerpo desde el medio externo, 2) materiales que pasan de una célula a otra dentro del cuexpo y 3) desechos que las células eliminan (cuadro 14-11Y). El oxígeno entra en el cuerpo a través de la superficie de inter. cambio de los pulmones. Los nutrientes y el agua son absorbidos a través del epitelio intestinal. Una vez. en la sangre, todos estos materiales son distribuidos por la drculactón. Es particularmente importante el aporte continuo de oxígeno a las células porque Si se las priva de oxígeno sufren daños irreparables en muy poco tiempo. Por ejemplo, aproximadamente S a 10 segundos después de que se detiene el flujo sanguíneo al cerebro, la persona pierde la conciencia. Si el aporte de oxígeno se detiene durante 5 a 10 minutos, ocurre daño cerebral permanente. Las neuronas dcl encéfalo tienen una tasa muy alta de consumo de oxígeno y son in· capaces de cubrir su necesidad metabólica de ATP utilizando vías anaerobias, que tienen bajos rendimientos de ATP/glucosa ( ~p. 106). Debido a la sensibilidad del encéfalo a la hipóxia (hip(J., bajo; -oxia, oxígeno), los controles homeostáticos hacen todo lo po-sible por mantener el flujo sanguíneo cerebral, aun cuando esto signifique privar de oxígeno a otras células.

SUSTANOA TRANSPORTADA

La comunicadón intercelular es una fundón clave del aparato cardiovascular. Por ejemplo, las hormonas secretadas por las glándulas endocrinas son transportadas poda sangre h
"""""'

El aparato cardiovascular está formado por el corazón, los vasos sanguíneos y 1~ sangre El <;parato cardiovascular está compuesto por el corazón, los vasos sanguíneos (también conocidos como la vascuTatura) y las células y el plasma de la sangre. Los vasos sanguíneos que sacan la sangre del corazón se denomínan arterias. Los vasos sanguí~ neos que retoman la sangre hada el corazón se denominan venas. Amedida que la sangre viaja por el aparato cardiovascular, un sistema de válvulas en el corazón y en las venas asegura que la sangre fluya sólo en una dirección. Al igual que los torniquetes o molinetes en un parque de diversiones, las válvulas impiden que la sangre invierta su dirección de flujo. La figura 14-1 !'Jl es un diagrama esquemático que muestra estos componentes y el camino_

Vena cava inferior--! '::fii Ventriculo derechÓ

1

HAOA

DESDE

Entran En el ~erpo: ·

4S9

Pelvis y piernas

';e;·.

1!!1 FIGURA 14-1 Aspectos generales de la

Oxigeno

PulmOnes

Todas las células

Nutrientes y agua

Tubo digestivo

Todas las células

Desechos

Algunas células

Hfgado para el procesamiento

Células inmunitarias, anticuerpos, protefnas de la coagu!adón

Presentes en la sangr~ continuamente_

Disponible para cuá!quier célula qUe las necesite

Hormonas

Células endocrinas

Células diana

Nutrientes almacenados

Hfgado y tejido adiposo

Todas las células

se mueve[! de Una <éiÚia á ~tra

::'

Ab
Desechos metabólicos

Todas !as células

RiñoneS

Calor·---.._

Todas las células

Piel_

Dióxido de carbono

Todas las células

Pulmones

anatomía del aparato cardiovascular

que sigue la sangre a través del cuexpo. Obsérvese en esta ilustra~ ctón, -así como en la mayoña de los otros diagramas del corazón, que el lado derecho del corazón está sobre el lado izquierdo de la página¡ es decir que el corazón está rotulado como si usted estuviera viendo el de una persona parada enfrente suyo. El corazón está dividido por una pared central o tabique (septum), en las mitades izquierda y d~. Cada mitad funciona como una bomba independiente fonnada por una auricula (atrium, habitación central) y un ventrículo (ventriculus, vientre). La aurícula recibe la sangre que regresa al corazón deSde los vasos sanguíneos; el ventñculo bombea sangre hada los vasos sanguí. neos. El lado' derecho del corazón recibe sangre desde los tejidos y la envía hada los pulmones para su oxigenación. El lado iz. quierdo del corazón recibe sangre recién oxigenada desde los pul· monF y la bombea hada los tejidos de todo el cuexpo.

Comenzando en la aurícula derecha de la figura 14-1, siga el camino que toma la sangre cuando fluye a través del aparato cardiovascular. Observe que la sangre del lado derecho del corazón tiene color azúl. Ésta es una convenciÓn utilizada para mostrar la sangre de la cual los tejidos han extraído oxígeno. Aunque esta sangre se describe a menudo como desoxigenada, no está completamente desprovista de oxígeno. Simplemente tiene menos oxígeno que la sangre que va desde los pulmones hada los tejidos. En las personas vivas la sangre bien oXigenada es rojo brillante y la sangre con bajo contenido de oxígeno es rojo más oscuro. Pero, bajo dertas condiciones la sangre hipooxigenada puede darle un color azulado a dertas áreas de la piel, como alrededor de la boca y debajo de las uñas. Este estado, conocido como cianosis (kya· nos, azul oscuro), es la razón de por qué se utiliza el azul en los dibujos para indicar la sangre con menor contenido de oxígeno.

460

Capítulo 14 Fisiología cardiovascular Presión, Volumen, flujo y resistenda

Desde la aurícula-tlerecha la sangre fluye hada el ventriculo ~ derecho del corazón. Desde alli es bombeada a través de las arte. • cr •• rías pulmonares hada los pulmones, donde se 'Oxigena. Observe • ~ ~e •e •e . <• el cambio de color de azul a rojo en la figura 14-1, que indica el o ~ <• o• ~ ~ ~ < < < mayor contenido de oxígeno de la sangre después que abandona los pulmones. Desde los pulmones, la sangre viaja hasta el lado ~ izquierdo del corazón a través de las venas pulmonares. Los va· .g sos sanguíneos que se dirigen desde el ventrículo derecho hacia ~~ los pulmones y retoman hada la aurícula izquierda se conocen •e en conjunto como circulación pulmonar. ~S La sangre proveniente de los pulmones entra en el corazón ~~ por la aurícula izquierda y pasa al ventriculo izquierdo. La sangre cE bombeada desde el ventriculo izquierdo entra en la gran arteria o conodda como aorta. La aorta se ramifica en una serie de arterias cada vei más pequeñas que finalmente conducen a redes de capi· lares. Observe en la parte superior de la figura 14-1 el cambio de ffi FIGURA 14--2 Gradiente de presión en Jos vasos sangu(neos color de rojo a azul a xnedida que la sangre atraviesa los capilares, la presión arterial media.dé la circulación sistémica varia desde lo que indica que el oxigeno ha dejado la sangre y ha difundido un máximo de 93 mm Hg (milfmetros de mercurio) en la aorta en los tejidos. hasta un mlnimo de pocos mm Hg en las venas cavas.. Después de pasar por los capilaies la sangre fluye en el lado venoso de la dtculación, y pasa de las venas pequeñas a venas cada vez más grandes. Las venas provenientes de la parte superior del cuerpo se unen para formar la vena cava superior. Las de la Par· ."RE,íi'l S 1 ó N . te inferior del cue¡po forman la vena cava"ixúerlor. Las dos venas ~_t\p¿};·1. ¿Cuáles son los tres componentes principales del <~par
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461 ·

.

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~

la presión h!drostática es la presión que e! liquido que está dentro de! recipiente ejerce sobre las paredes. La

presión hidrostática es proporcional a la altura de la

columna de agua

Una vez que e! l[quldo comienza a fluir a través del sistema. la presión cae eo función de la distancia,. a med!da que se pierde energía debido a la fricción. Ésta es el caso ~n el aparato cardiovascular.

mFIGURA 14-3 Diferendas de presión en liquidas estáticos y liquidas que fluyen En esta secctón, se revisan las leyes de física que explican la in· teracctón de presión, volumen, flujo y resistencia en el aparato cardiovascular. Muchos de estos pñnctpios se aplican ampliamente al flujo de todos los tipos de líquidos y gases, incluido el flujo de aire en el aparato respiratorio. Sin embargo, este capítulo se centra en el flujo de sangre y su importancia para la función del corazón.

La presión de un liquido en movimiento disminuye con la distancia La presión en un liquido es la fuerza ejerdda por el líquido sobre el recipiente que lo contiene. Si el líquido no está en ,mQVi.. miento, la presión que ejerce se denomina presión hidrostática (Fig. 14-3a fli) y su intensidad es igual en todas las direcciones. Por ejemplo, una columna de líquido en un tubo ejerce presión hi" drostática sobre el piso y las paredes del tubo. En el corazó,D y los grandes vasos, la presión se mide comúnmente en milímetros de mercurio (mm Hg).* Un milímetro de mercurio equivale aJa presión hidrostática ejercida por una columna de mercurio de 1 mm de altt.ua sobre un área de 1 cm2• En un sistema en el cual el líquido está fluyendo, la presión cae en función de la distancia a medida que se pierde ·energía debido a la fricción {Fig. 14-3b). Además, la presión ejerdda por el liquido en mOVimiento tiene dos componentes: uno dinámico, el componente que fluye que representa la energía cinética del sístema, y uno lateral que representa la presión hidrostática (energía potencial) ejerdda sobre las paredes del sistema. En general la presión dentro de nuestro aparato cardiovascular se denomina presfón hidrostática aun cuando es un sistema en el, cual el líquido está en movimiento. Algunos libros hoy reemplazan el térmf. no presión hidrostática por presi6n hidráulica. La hidráulica es el estudio del ~quldo en movimiento. "Pam de literatura fu:IQ!6glo;-a expresa la presión en torr (1 tQn:"' 1 mm Hg) Q en centr;netros de agua: 1 cntf40 =0,74 mm Hg.

1 Cambios de presión en los líquidos sin cambio en el volumen Si las paredes de un recipiente lleno de liquido se contraen, aumenta la presión del liquido en el recipiente. Usted puede de-

462

Presión, ·volumen, flujo y resistenda

Capftu!o 14 Fisiología cardiovascular

mostrar este prindpio llenando un globo <:on agua y apretando el globo con agua en su mano. El agua es mínimamente <:ompresi· ble, por lo tanto la presión que aplique en el g!Gbo se transmite a todo el líquido. A medida que usted aprieta, la mayor presión en el líquido hace que partes del globo sobresalgan. Si la presión se toma lo sufidentemente alta, la tensión sobre la pared del globo hace que reviente. El volumen de agua en el interior del globo no cambió, pero la presión en el líquido aumentó. En el corazón humano, la contracáón de los ventrículos He. nos de sangre es similar a comprimir un balón lleno de agua: la presión creada por el músculo que se contrae es transferida a la sangre. Esta sangre en alta presión fluye entonces fuera del ventriculo y dentro de los vasos sanguíneos, desplazando la sangre <:on menor presión que ya está en los vasos. La presión creada en los ventrículos se denomina presión motriz porque es la fuerza que mueve la sangre a través de los vasos sanguíneos. Cuando las paredes de un recipiente que contiene líquido se expanden la presión del líquido disminuye. Por lo tanto, cuando el corazón se relaja y se expande, la presión en las cámaras llenas de líquido cae. Los cambios de presión también pueden produd.Ise en los vasos sanguíneos. Si los vasos sanguíneos se dilatan, la presión arte. rial en su interior cae. Si los vasos sanguíneos se <:ontraen, la presión arterial aumenta. Los cambios de- volumen de .los vasos sanguíneos y en el corazón son los factores más importantes que influyen en la presión arterial del aparato rndiovascular.

La sangre fluye desde un área de mayor presión a otra de menor presión Como se menáonó antes, el .fluir de la sangre por el aparato cardiovascular requiere un gradiente de presión. Este gradiente de presión es análogo a la diferenáa de presión-entre dos extremos de un tul;lo a través del cual fluye un líquido (Fig. 14-4a §).El flu· jo a través del tubo es directamente proporáonal al(""-) gradiente de presión (AP): Flujo ""L\P

(!)

donde L\P = P1 - P2. Esta relación nos informa que, atanto mayor es el gradiente de presión, mayor es.el.flujo de líquido. Un gradiente de presión no es lo mismo que la presión abso-luta en el sistema. Por ejemplo, el tubo en la figura 14-4b tiene una presión absoluta de 100 rrup. Hg en cada extremo. Sip embargo, como no existe. ningún giadiente de presión entre !Os dos extremos del tubo,. no hay flujo a través del tubo. Por otra parte, dos tubos idénticos ¡)ueden tener presiones ab· solutas muy diferentes perO el mismo flujo. El tubo superior de la figura 144: tierí.e una presión hidrostáti<:a de 100 mm Hg en un extremo y 75 mm Hg en el otro extremo, lo que significa que el gradiente de presión entre los eXtremos del tubo iguala los 25 mm Hg. El tubo inferior idéntico tiene una presión hidrostática de 40 mm Hg en un extremo y de 15 ni-m Hg en el otro extremo. Este tubo tiene menor presión absoluta en t~.su longitud pero el mismo gradiente de presión que el tubo superior: 25 mm Hg. Como la diferencial de la presión en los dos tubos es idéntica, el flujo de líquido a través de los tubos es el mismo.

463

(aJ Ellrquldo fluya sólo si existe un gradiente de presión po_sitlvo.

Pmás alta - - A u j o - Pmás b$

Radio

,1,.

~oY.,, ·~ -- r~istencia

hay gradiente de presión, de modo que nohayf!ujo

(bJ No

100mmHg

Tubo A

TuboB

Rujo o:+

Aujoo:t

FlujO o: 1

Rujo o: 16

100mmHg

t;;.;;;,;,,¡,¡¡,¡,¡¡;;~;;;w;;;¡¡j AP =O, de modo que no hay flujo

=

Volumen de A= 1

R•1

Volumen de B 16

{e} El flujo depende de~. no de la P absoluta

100mmHg

75mmHg

Aujo--4l;i48.;qulir~i&-;;;;0~~;g;:!iíi~~ llP=100-75=25mmHg

·

B FI~URA 14-5 Papel del radio en la determinadón de la resistenda al flujo

\

elflujo

.

eslgual

l"'JJa~~ ., . . 'iii;':;¡¡J 41~Z~

miento) del líquido (r¡, la letra griega eta). La siguiente eataáón, diseñada por el médico francés Jean Leonard Marie Poiseuille y <:ono-cida como ley de Poiseuille, muestra la relaáón de esos factores:

Aujo

llP=40·15=25mm Hg R=8L~/m'

g¡ FIGURA 144 Flujo de liquidos a través de un tubo

(3)

Como el valor de 8/rt es una constante, puede no tomarse en cuenta, y la relación reescnbirse como: R • L~/<'

(4)

La resistenda se opone al flujo En un sistema ideal, una sustanáa en movimiento se manten·

dría en"movimiento, pero ningún sistema es ideal porque todo movimiento crea fric::áOn. Al igual--que una pelota que rueda por el suelo pierde energía por la fricción, la sangre que flujoe a través de los vasos sanguíneos encuen_tra fricdón en las pared~ de los vasos y en las propias células sangu{neas que frotan unas .rontra otras a medida que fluyen. La tendencia del aparato cardiovascular a oponerse al flujo sanguíneo se denomina resistenda. Resistenáa {R) es un término que la mayoría de las personas comprende de la vida cotídia~ na. Se habla de personas que son resis«:Qtes al cambio o de Ir por el camino de menor resiStenáa. Este concepto se traslada bien al aparato cardiovascular, dado que el flujo sanguíneo también toma el camino de menor resistencia. El aumento en la reststenáa de un vaso sanguíneo conduce a la disminuáón en el flujo a través de ese vaso. Tal relaáón se puede expresar como: Flujo oc 1/R

(2)

Esta expresión nos dice que el flujo es inversamente proporcional a la resistenáa: si·la resistenáa aumenta, el flujo disminuye; si la resistenáa disminuye, el flujo aumenta. ¿Qué parámetros deteilllinan la resistenáa? Para el liquido que fluye a través de un tubo, la resistencia depende de tres factores: el radio del tubo (r), la longitud del tubo (L) y la viscosidad (espesa·

Esta expresión nos dice que 1) la resistenáa al flujo dellíqui.

do ofrecida por un tubo aumenta a medida que aumenta ~a Ion· gitud del tubo, 2) la resistenda aumenta a medida que la viscosi~ dad del líquido aumenta, pero 3) la resistenáa disminuye a medida que el radio del tubo aumenta. Para recordar estas relaáones, piense en beber a: través de una pajilla. Usted no tiene que sucáonar tan fuerte con una pajilla <:arta romo con una larga (la resistencia ofrecida por la paji)la au· menta con la longitud). Beber agua a través de una pajita es más fáál que beber un batido espeso (la resistencia aumenta con la viscosidad). Y beber el batido a través de una pajilla gruesa es mu· dlo más fáál que a través de una pajilla delgada para c6ctei (la resistencia aumenta cuando el radio disminuye). ¿Qué importancia tiene la longitud del tubo, la viscosidad del liquido y el radio del tubo para elflujo sai:l:guíneo en un indivi· duo normal? La longitud de la ciiculaáón sistémica está determinada por la anatomía del aparato y es esenáalmente constante. La viscosidad sanguínea está determinada por la relación entre los eritrocitos y el plasma y por la cantidad de prote~ que hay en el plasma. Nonrui.lmente, la viscosidad es oonstante, y pequeños cambios en la longitud o la viscosidad tienen poco efecto sobre la resistenáa. Esto significa que los cambios en el radio de los vasos -sangumeos son la variable principal que afecta la resisten da en la circulación sistémica.

Retomemos al ejemplo de la pajilla y el batido para demostrar de qué modo los cambios en el radio afectan la resistenáa. Si !J.<:eptamos que la longitud de la pajilla y la viscosidad del batido no cambian, este sistema es similar al aparato cardiovascular, es decir; el radio del tubo tiene el máximo efecto sobre la resistenda. Si consideramos sólo resistenáa {R) y radio (r) de la expresión 4, la relación entre resistenáa y radio puede expresme como: R • 1/<'

(5)

Si la pajilla delgada tiene un radio de 1, su resistenáa es pro. poráonal a 1/14, o l. Si la pajilla gruesa tiene un radio de 2, la resistenáa que Ofre<:e es 1/24, o 1/16, de la que ofrece la pajilla delgada (Fig.14-S m). Como el flujo es inversamente propordo-nal a la resistencia, el .flujo aumenta 16 veces cuando el radio se duplica. Como se puede ver a partir de este ejemplo, un cambio pequeño en el radio del tubo tiene un efecto grande sobre el flujo de un líquido a través de ese ~ubo. Por lo tanto, un cambio pequeño en el radio de un vaso sanguíneo tendrá un efecto grande sobre la re. sistenda al flujo sanguíneo que ofrece ese vaso. la disminución en el diámetio del Vaso sanguíneo se conoce como vasoconstric· dón (vas, vaso o conducto). La vasoconstricdón disminuye el flujo sanguíneo a través del vaso; la vasodilatación aumenta el flujo sanguíneo a través del vaso. En resumen, combinando las relaciones 1 y 2, se obtiene la siguiente (6) Flujo oc AP/R que, traducida en palabras, nos dice que el .flujo de sangre en el aparato cardiovascular es directamente proporáonal al gradiente de presión en el aparato e inversamente proporáonal a la resis· tenda del aparato al .flujo. Si el gradiente de presión se mantiene constante, entonces el flujo variará inversamente con la resistenda.

1 l

%4

Músculo cardíaco y corazón

Capítulo 14 Fisiología cardiovascular

S IÓN ¿Qué es más importante para determin<\r el flujo a través de un tubo: la presión absoluta o el gradiente de presión?

4. Los siguientes dos tubos idénticos tienen las presiones que se muestran en cada extremo. ¿Qué tubo tiene el flujo mayor? Explique su respuesta.

5. Los siguientes cuatro tubos tienen la misma presión motriz. ¿Qué tubo tiene el flujo máximo? ¿Cuál tiene e! flujo minimo? Explique sus respuestas.

"

1

o.~.w' L

TX. illf}----> Respuestas en la p. 498

La velocidad de flujo depende del caudal y del área

de la secdón· transversal La palabra fluio a veces se utiliza de manera imprecisa en fisiolo. gía cardíovascular, lo que conduce a cOnfusiones.. Flujo habitual· mente significa caudal, o sea el volumen de sangre que pasa por un pwtto dado en el sistema por ~dad de tiempo: En la ciiculación, el flujo se expresa en litros por miní.tto (L/min) o en mililitros por minuto (mUmin). Por ejemplo, el flujo sanguíneo a través de la aor· ta de un hombre de 70 kg en reposo es de unos S IJmin. Caudal no debe confuridirse con velocidad de flujo, la dis· tanda que recórre un volumen fijo de sangre en un período dado de tiempo. La velocidad de flujo es una medida de la rapidez con que fluye la sangre por un punto determinado. El caudal mide la amtidad {volumen) de sangre qúe fluye por un punto en un período dado de tiempO. Por ejemplo, mire el corredor a través de la puerta de etitrada de su aula. La cantidad de pezsonas que us.. ted ve pasar en un minuto es el caudal de personas del corredoL La rapidez con la cual esas personas pasan frente a la puerta es la velocidad de flujo del corredor.

La relación entre velocidad de flujo (v), caudal (Q) y área de la sección transversal del tubo {A) se expresa por la ecuación

v=QJA

caudal {Q}"' 12cm3/min 12cm3

Velocidad M"'

(7)

Caudal (Q) Área de corta transversal {A)

En el punto X

que muestra que la velocidad a través de un tubo es igual ·al caudal dividido por el área transversal del tubo. En Wl tubo de diámetro fijo (por lo tanto de área transversal fija), la velocidad de flujo está directamente relacionada con el caudaL En un tubo de diámetro variable, si el caudal es constante, la velocidad de flujo varia inversamente con el diámetro. En otras palabras, la velocidad es mayor en las secciones estrechas, y menor en las secctones más anchas. La figura 14-61ill muestra cómo varía la velocidad de flujo a medida que cambia el área transversal del tubo. El vaso de la fi. gura tiene dos anchos: estrecho, con un área transVersal de 1 cmz, y ancho, con un área transversal de 12 cm 2• El caudal es idéntico en ambas partes del vaso: 12 cm3 por minuto.' Este caudal indica que, en un minuto, 12 cm3 de liquido pasan el punto en la sec· ción estrecha y 12 cm3 de líquido pasan el punto Yen la sección ancha. ¿Pero con qué velocidad debe fluir el liquido para tener ese caudal? Según la ecuación 7, la velocidad de flujo en ~punto X es de 12 cm/min, pero en el punto Y es de 1 cm/min. Por lo tanto, el líquido fluye más rápidamente a través de las secciones estrechas de un tubo que a través de las secctones anchas. Para ilustrar este principio, observe una hoja que flota corrien· te abajo en un arroyo. Donde el arroyo es angosto, la hoja se mueve rápidamente, arrastrada- por la alta velocidad del agua. En las secciones donde el arroyo se ensancha en un remanso, la velod· dad del agua disminuye y la hoja se mueve más lentamente. En este capítulo y en el siguiente, se aplicará la física del flujo de líquidos al aparato cardiovascular. El corazón genera presión cuando se contrae y bomb~ sangre hada el lado arterial de la cir· culadón. Las arterias actúan como un reservarlo de presión durante la fase de relajación del corazón, manteniendo la preSión arterial media (PAM) que es la fuerza motriZ primaria del flujo sanguíneo. La presión arterial media está influida por dos paráme. tres: el volumen minuto (el volumen de sangre que bombea el e~ razón por minuto) y la resisttnda-peri(érica oa resistencia de los vasos sanguíneos al flujo sanguíneo que los atraviesa): Presión arterial media <><- volumen minuto x resitencia periférica El capítulo 15 explica la resistencia periférica y el flujo sanguíneo. El resto de este capitulo.exami.na la functón cardíaca y los parámetros que influyen en el volumen minuto.

¿,1

~W 6. ·~

Flujo.......:¡.~-->

Dos canales en Amsterdam tienen medidas idénticas, pero el agua fluye más rápido a través de uno que del otro. ¿Qué cana! tiene el caudal mayor? Respuesta en !a p. 498

'1 onl "' 1 centímetro cúbito {ce) ,_ 1 mL

____

,. 12cm3/min

~

X A:1cm2'-~~~~Lc___c__c_~

y A=12cm2 Cuanto más estreCho es a! vaso, más rápida es !a velocidad de flujo.

1om' v= 12cmlmin

en el punto y

____

,. 12cms/min 12cm~

v=1 cmlmin

mFIGURA 14--6 Caudal Ve/lus velocidad de flujo

MÚSCULO CARDÍACO Y CORAZÓN. En las dvllizadones antiguas el corazón era más que una bom-

ba: era el asiento de la mente. Cuando los antiguos egipcios momi· ficaban a sus muertos, extraían la mayoría de las vísceras pero de-. jaban el corazón en el lugar para que los dioses pudieran pesarlo. como indicador del valor del propietario. Aristóteles caracteiízó el corazón como el órgano más importante del cuerpo y asientn de la inteligencia. Se pueden hallar evidencias de estas antiguas ideas en expresiones modernas como "corazonada" o "descorazonar". Aún hoy se explota el nexo entre corazón y mente. El corazón es la bestia de carga del cuerpo, un músc;ulo que se contrae continuamente y descansa sólo en la pausa de milisegundos entre latido y latido. Según una estimación, en un minuto el corazón realiza el trabajo equivalente a levantar 30 cm un Peso de 2,5 kg. Las demandas de energía de este trabajo requieren el aporte continuo de nutrientes y oxígeno para el músculo cardíaco.

El corazón tiene cuatro cámaras El corazón es un órgano muscular, del tamaño aproximado de un puño, que se ubica en el centro de la cavidad tQrádca {véase Re-. sumen Anatómico, Fig. 14-7a, b, d li). El vértice o punta del e~ razón está orientado hada abajo y hada la izquierda del 01erpo, mientras que la base, .más ancha, yaCe inmediatamente detrás dei estemán. Como se suele asociar la palabra base con la parté infe. Iior, recuérdese que la base de un cono es el extremo ancho y que el vértice es la punta; El corazón puede ser considerado como un cono invertido, con el vértice hacia abajo y la base hada arriba. Dentro de la cavidad torádca, el corazón se ubica sobre el lado ventral, entre los dos" pulmones, Con su vértice apoyado en el dfa. fragma (Fig.l4-7b).

El corazón está rodeado por un saco membranoso resistente, el pericardio fperi, alrededor; kardia, corazón) {Fig. 14-7d, e). Una

~~~:VISIÓN

465

capa delgada de liquido pericárdicO claro en el interior del pericardio lubrica la superficie externa del corazón cuando late dentro del saco. La ·inflamación del pericardio (pericarditis) puede reducir esta lubricación hasta el punto en que el corazón frota contra el pericardio, lo que crea un sonido conoddo·como {rote pericárdico. El cornzón propiamente dicho está compuesto principalmente P?r músculo cardíaco o miocardio (myo, m6sgúo; kardia, e~

razón), cubierto por capas externa e interna de,Jgadas de epitelio y tejido conectivo. VJSto desde abajo, la masa del corazón está compúesta por las paredes musculares gruesas de los ventrículos, las dos cámaras inferiores {Fig. 14-7f). Las aurículas, de paredes delgadas, se ubican por encima de los ventrículos. Los vasos sanguíneos mayores emergen de la base del corazón. La aorta y el tronco de la arteria pulmonar (tronco pulmonar o arteria pulmonar principal} dirigen la sangre desde el corazón hacia los tejidos y los pulmones, respectivamente. Las venas cavas y las venas pulmonares retoman la sangre hada el corazón (cuadro 142m). Cuando el corazón se ve desde adelante (vista anterior), e~ mo en la figura 14-7f, las venas pulmonares quedan ocultas de· trá.s de los vasos sanguíneos mayores. La superficie de los ventrículos está atravesada por surcos poco profundos que contienen a las arterias coronarias y las venas coronarias, que irrigan el músculo cardiaco. La relación· entre aurículas y ventrículos puede ser observada en un corte transversal del corazón (F¡_g. 14-7g). Como señalamos antes, los lados izquierdo y derecho del corazón están separados por el tabique interventricular, de modo que la sangre que está en uno de los lados no se mezcla con la sangre del otro lado. Aunque el flujo sanguíneo en el corazón izquierdo está separado del flujo en el corazón derecho, los dos lados se contraen de forma coordinada. Primero se contraen juntas las aurículas, luego se contraen juntos los ventrículos. ):.a sangre fluye desde las venas hacia las aurículas ydesde alli a través de válvulas unidirecdonales a los ventrículos, las cámaras de bombeado. La sangre abandona el corazón a través del tronco pulmonar desde el ventrículo derecho y a través de la aorta desde el ventrículo izquierdo. Un segundo conjunto de válvulas bloquea la salida de los ventrículos de modo que la sangre no pueda fluir hada atrás en el corazón una vez que ha sido eyectada. Observe en la figura 14-7gque la sangre entra en cada ventrículo por la parte superior de la cámara pero también sale por la par· te superior. Esto se debe a que, durante el desanollo, el corazón embrionario tubular se retuerce sobre sí mismo (Fig. 14-Sb ffi). Es· ta torsión coloca a las arterias (a través de las cuales sale la sangre) cerca de la parte superior de los ventrículos. Desde el punto de vista funcional, esto significa que los ventrículos deben contraerse desde abajo hada arriba para que la sangre sea impulsada por la parte superior.

1

466

Capítulo 14 Fisiología cardiovascular

Músculo cardíaco y corazón

liMEN ANATÓMICO EL CORAZÓN

ESTRUCTURA DEL. CORAZÓN

ANATOMfA DE LA CAVIDAD TORÁCICA

467

(ij

{o}

(b}

El corazón está encanado en un saco memblanoso lleno de lfquk!o: el pericardio.

del corazón El corazón se encuentra del lado ventral de la cavidad torácica, enire los pulmones

{gJ

Vena cava

(d)- VIsta superior del plano transversal en (b)

1

Aorta (segmento extraído).

Vena pulmonar Aurfcula Izquierda Ventriculo izquierdo

(tricúspide)

Cavidad pericárdica

descendente

tos vasos G~e b'ansportan sangre bien ·oxigenada son rojos; aquellos qile tienen sangre no tan bien oxigenada son azules.

8 flujo unidireccional a través del corazón está asegurado por dos conjuntos Qe válvulas. -~-'~'"

!i FIGURA 14-7

liJ FIGURA 14-7 (contínuaá6n)

las células de músct1lo mlocárdlco están ramificadas, tienen un núcleo único y están unidas unas a otras por uniones espec!aiizadas conocidas como discos intercalaros.

468

Capitulo 14 Fisiología cardiovascular

MÚS(ulo cardíaco y corazón

469

{a} Edad: embrión, dfa 25. El corazón es un tiJbo únicO:.

Las letras en azul indican las estructuras que contieÓen san{~ re cOn menor contenido de oxígeno; las letras en rojo indican la sangre bien oxigenada.

Arteria

REOBESANGRÉ DE :_-- EN\ÍfA.SANGRE A

Aurícula derecha Ventriculo derecho

Venas cavas Aurícula derecha

Aurícula izquierda Ventrículo izquierdo

Venas púlníonares · VeÍltrkui(l i;ú¡ÚierdO·, Auri'cU!a izquierda- .El aieiPó ex_cePto los pu!m~nes

ventriculo' derecho PúlníOn'eS. ~ CON'tRACC!ÓN VENTRICULAR

Venas cavas venas-sistémicas Tronco pulmonar {arteria) Ventriculo derecho

Aurfcu!a deredia Pulmones

Vena pulmonar

Venas Cle _los p\!l¡i-10- Auríc_ula iZquie-rda

Aorta

"" Ventrfculo iiquietdo -. _Arterias-sistémic.as

(a} Corte transverSal

{b) Corte frontal

{b} Afas cuatro semanas· da desaio!lo; $e pueden dJs!in9uir las aurfcu!as y los verrtrlculos. 8 corazón comienza·a · tetorceree de modo que fas aurículas se muevan a la parte

superior de los venbfcu!os.

Válvula semilunar aórtica (abterta)

Cuatro anillos de tejido conectivo fibroso rodean las cuatro válvulas cardíacas (F¡g. 14-7a). Estos anillos son tanto el origen como

semilunar

la inserción del niúsculo cardíaco, lo que hace que el vértice y la base del corazón tiren juntos, ruando los ventrículos se <.:ontraen. Además, el tejido conectivo fibroso actúa como aislante eléctrico, bloqueando la mayor parte de la transmisión de las señales eléctri<.:as entre las aurículas y los ventrlculos. Esta disposición asegura que las sefiales eléctricas puedan dirigirse a través de Wl sistema de condu<.:dón especializado hacia el vértice del corazón para que la contracdón se efectúe desde la base hacia el vértice.

pulmonar {abierta)

(c)_Edad: un año (no se·muesftar¡-laS arteryas) h

•

' · · · ·'··•

'

~RÉí.AJAciÓN vENrn!cULAR

{e} Corte transversal

{d) Corte frontal

izquierda

Las válvulas cardíacas.asegur~n el flujo unidírecdonal en el corazón Como lo indican las flechas de la figura 14-7g, la sangre fluye a través del corazón en una dirección. Dos conjuntos de válvulas cardíacas aseguran el flujo unidireédonal: un conjunto (las vál~ vulas atrioventriculares o auriculoventriculares) entre las aurículas y los Ventrículos, y otro conjunto (las válvulas semilunares, denominadas asi por su .forma de medialuna) entre los ventrículos y las arterias. Aunque los dos conJuntos de válvulas tienen estructura muy diferente, desempeñan la misma función: impiden el flujo retrógrado de sangre. La abe~ entre cada aurícula y su ventrículo está protegida por una válvula auriculoventricular (AV} (Fig. 14-7g). La válvula AV está formada por finas membranas unidas en la base a un anillo de tejido conectivo. Las mf4J:lbranas o valvas están ligeramente engrosadas en el borde y se insertan sobre el lado ventrjcular a través de tendones colagenosos, las cuerdas tetidinosas (Fig. 149b, d !!ii). La mayoría de las cuerdas se fijan a los bordes de las valvas. Los extremos opuestos de las cuerdas se insertan en extensiones del músculo ventricular similares a montículos, conocidas cq-

liil FIGURA 14-8 Desa"olfo embrionario del co~azón

fluya hacia atrás en los ventrlculos durante la relajación ventricular.

molos músculos papilares (papilla, pezón). Estos músculos proporcionan estabilidad a las cuerdas, pero ni los músculos papilares ni las cuerdas abren o cierran activamente las valvas AV. Las valvas se mueven pasivamente cuando la sangre que fluye las empuja. CUando el ventrículo_ se contrae, la sangre empuja contra la cara inferior de su válvula AV y la fuerza hada arriba, a la posi-· dónde cierre (Fig. 14-9b). Las cuerdas tendinosas impiden que la válvula sea empujada hada attás dentro de la aurícula, al igual

mFIGURA 14-9 Válvulas cardíacas las vistas (a) y (e) muestran las válvulas AV como se ven desde las aurlculas y !as válvulas semilunares como se ven desde el interior de las arterias.

1

470

Capítulo 14 Fisiología cardiovascular

que las varillas del paraguas impiden que se doble hacia afuera con mucho viento. En ocasiones, las cuerdas fallan y la válvula es empujada hacia atrás dentro de la aurícula durarite la contracción ventricular,,una anomalía conocida como prolapso. Las dos válvulas AV son diferentes. La válvula que separa la aurícula derecha y el ventrículo derecho tiene tres valvas y sella. ma válvula tricúspide (cuspis, punta) (Fig. 14-9a). La válvula entre la aurícula izquierda y el ventriculo izquierdo tiene sólo dos valvas y se llama válvula bicúspide. La bicúspide también se denomina válvula mitra! debido a su semejanza con el gorro llamado mitta que usan los papas y los prelados. Las válvulas semilunares separan los ventrículos de las arterias principales. La válvula aórtica está entre el ventrículo izquierdo y la aorta, y la válvula pulmonar se ubica entre la ventrículo derecho y el tronco pulmonar. Ambos-conjuntos de válvulas semilunares tienen tres hojuelas o valvas cupuliformes que cuando se cierran porque la sangre intenta fluir hada atrás en los ventrículos hacen un ruido característico {Fig. 14-9c, d). Debido a su forma, las válvulas semilunares no ,necesitan tendones conectiVos como los de las válvulas AV.

Músculo cardíaco y corazón (a) La disposición espiralada del mUscu!o ventricular pennlte que la CO!ltracción ventricular compt,ma !a sangra desde el vértice del coraz6n hacia arriba.

(b} I..Ds discos Intercalares tienen desmosomas que transfieren fuerza de una célula a otra y un!ones en hendidura que penniten que las seí'iales eléctricas pasen rápidamente de una ce!ula a otra

Disl::o !nterca.lar {seccionadO) - -.•-

,c,R,E,~ 1 S 1 Ó N

·'.-;(·57 7. ¿Qué impide que las señales eléctricas atraviesen el te.'

ji do conectivo en el corazón? 8. Siga el camino de una gota de sangre desde la vena

cava superior hasta la aorta, y mencione todas las estructuras que encuentra la gota a lo largo de su camino. 9. ¿Cuál es la fundón de las válvulas AV? ¿Qué sucede con el flujo sangu!neo si una de estas válvulas falla? Respuestas en la p. 493

Durante los periodos de aumento de la actividad, el corazón utiliza casi todo el oxígeno que le llevan las arterias coronarias. Por lo tanto, !a única forma de entregar más oxígeno al músculo cardíaco en momentos de esfuerzo es aumentando el flujo sanguíneo. El flujo sanguíneo miocárdi.co reduddo por el estrechamiento de un vaso coronario debido a un coágulo o al depósito de grasa puede dañar o incluso matar a las células miocárdicas. Véase en el cuadro 12-3 una comparación resumida de los tres tipos musculares.

El acoplamiento excltadón~contracdón cardiaco combina características del músculo esquelético

CuandO Walter llegÓ a·la sala de'einerf¡endas del UniverSity ot' Texas SoUthwestem Medica! Center, una de las primeras tareas fue determinar si realmente habfa sufrido un infarto de miocardio. Se tomaron sus signos vitales {frecuencia cardiaca y respiratoria, presión arteria! y teril¡Jeratúra). Se le administró aspirina y hepariOa para disminuida coagul_adón sangufnea y nitroglicerina par_a dilatar Jos vasos sangúfileos coronarios. Un técnico eXtrajo sangre- para realizar deteiminadories enzimáticas y conocer el nivel de creatindrasa_card_íaCa en 1~ sa~gre_de Walter. Cuando las células del múscútO Cardfaco mueren, libéran distiritas enzimas que sirven como marcadOreS de: Un ·irlfarto de miocardio. Un segundo tUbo con sangre _sé ~iivió. ~ra un _enSayo de su concen. tradón de troponina 1. la tropoñina 1_eS un bue~, indicador_ de daño cardfaco luego de u.il- infarto de !ÚioCardio. Pregunta 3: Una foima de la i:ie'atiriclnasa se et.Cüe~·b:a en ef tiiúsculo es· quefético.· ¿C6tño se dimomlmin ias dife;fmtes formas de una enzima? (Sugerenda: ~p. 96)

Pre~u~·4:

: _::.:.:.>:-'_i_.>'.-:::<:-. ' -- , . _·_, ¿QÚe _es la trOPonln~ y pc;l_q~é_-,~-¿¡,~_Cj'n~d~né:sén . s~il~ elevadas-de troponina_iñ_dfcarla_n dáño cá!díaéo? cSu!lerenda: i'i!l p, 407)

·)>' .

Íl\)\\;il'cfij(4Ú

y el músculo liso

mfiGURA 14-10 Músculo cardíaco

Las céiulas del músculo cardíaco se contraen sin estimulación nerviosa

mente de una célula a otra, lo que pennite que todas las células del músculo cardíaco se contraigan casi simultáneamente. En este aspecto, el músculo cardíaco se asemeja al músculo liso de unidad única. 4. Los túbulos T de las células miocárdicas son más grandes que los del músculo esquelético y se ramifican en su interior. 5. El retículo sarcoplásmico miocáidico es más pequeño que el del músculo esquelético, lo que refleja el hecho de que el músculo cardíaco depende en parte del eaz.. extracelular -para iniciar la contracción. En este <~:Specto, el múscu. lo cardíaco se asemeja al músculo liso. 6. Las mitocondrias ocupan alrededor. de un tercio del volu. men celular de una fibra contráctil cardíaca, un reflejo de la alta demanda de energía de estas células. Se~ estimado que, el músculo cardíaco consume el 70.80% del oxígeno entregado por la sangre, más que el doble de la cantidad extraída por otras células en el cuerpo.

471

Para 1.1na microfotograffa electrónica de las uniones en he~di­ dura, véase figura 3-?k.

La mayor parte del corazón es_tá compuesta por células de Las células contráctiles son músculo estriado típico con fibras músculo cardíaco o miocardio. La mayor parte del músculo cardíaco es contráctil, pero alrededor del!% de las células miocárdi· . contráctiles organizadas en sal:cómeros (~p. 398). Ei músculo cardíaco tiene diferencias importantes .con el músculo squelético cas están especializadas en generar potenciales de acción_espon· y comparte algunas propiedades con el músculo liso: táneamente. Estas células son responsables de una propiedad úni· ca del corazón: su éapaddad pala contraerse sin ninguna seiial l. Las fibras del músculo cardíaco son mucho más pequeñas externa. Como se mendonó en la introdt¡cción de este capítulo, que las del músculo esquelético y suelen tener un núcleo los registros de los exploradqres españoles eri el Nuevo Mundo único por fibra. · que presenciaron sacrificios. hunianos consignan que los corazo.. 2. Las células del músculo cardíaco se ramifican y se unen con nes anancados del p~o de las víctimas vivas seguían latiendo células vecinas extremo con· extremo creando una red durante vartos minutos. El corazón puede contraerse sin una Cocompleja (Fig. 14-IOb mi).l.as uniones celulares, conocidas nexión con otras partes ·del cuerpo porque la señal para la concomo discos intercalares (inter-, entre; calare, proclamar), tracción es iniógena: se origina dentro del músculo cardiaco proson interdigitadones de las m~branas. Los discos interca· piamente dicho. lares tienen dos componentes: los demwsamas ( ii'l!p. 71) y La señal para la contracción miocárdica no proviene del sistelas uniones en hendidura (m! p. 175). Los desmosomas son ma nervioso sino de células miocárdicas especializadas conocidas conexiones fuertes que unen entre sí las células adyacencomo células autorritmicas, también denominadas marcapasos tes, que pennitel;l. que la fuerza creada en una célula se porque regulan el ritmo del latido cardiaco. Las células autorríttransfiera a la célula adyacente. micas Jniocárdicas son anatómicamente distintas de las células 3. Las uniones en hendidura en los discos intercaia!es conectan contráctiles: son más pequeñas y contienen pocas fibras contráceléctricamente las células del músculo cardíaco entre sí. Así tiles. Como no .tienen sarcómeros organizados, las células autose pueden propagar las ondas de despolarización rápidarrítmlcas no contribuyen a la fuerza contráctil del corazón,

En los capítulos 11 y 12 se estudió cómo la acetilcolina de la neurona motora somática produce el potencial de acción del músculo esquelético para comenzar el acoplamiento excttadón· contracción ( g\1'! p. 403). En el músculo cardfaco, el potencial.de acción también inicia el acoplamiento exdtación-contracción, pero el potendal de acción se Origina espontáneamente en las célu-_ las marcapasos del cotazón y se propaga por las células contráctt. les a través de uniones en hendidura. (Los neurotransmisores modulan la velocidad del marcapasos, como se verá más adelante.) El potendal de acctón que entra en la célula contráctil se mueve por el sarcolema y los túbulos T, donde abre los canales de eaz.. regulados por voltaje en la membrana celular. El CaZ+ entra en la célula y abre los canales-recepWres de rianodina (RrR) en el retículo sarcoplásmico (Flg. 14-11 fa). Estos receptores de rianodina se activan por la unión del eaz.., no por una acción mecánica «r roo los canales RyR en el músculo esquelético. Los receptores de rianodina son canales de eaz.. y su apertura produce ll.berad.ón de eaz.. inducida por calcio. El caz.. almace. nado fluye fuera del retículo sarcoplásmico y en el citosol, y crea una "chispa" de ea:t+ observable con métodos bioquímicos espedales {~p. 188}. Múltiples chispas de diferentes canales RyR se suman para crear una señal de eat.-. El caldo liberado del retículo sarcoplásmico proporciona aire. dedor del 90% del eaz.. necesarto para la conttacción muscular. El calcio difunde a través del citosol hasta los elementos contráCtiles qonde los iones se unen a la troponina e inician el ciclo de for-

madón y mOVimiento de los puentes cruzados. La contracción se produce gracias al miSmo tipo de movimiento de deslizamiento de los filamentos que el del músculo esquelético-( 1m -p. 403). En general, la relajación del músculo cardíaco es similar a la del músculo esquelético. A medida que disminuyen las concentractolles cttoplasmáticas d!! CaZ+, el eaz.. se separa de la troponina, la miosina libera actina y los filamentos contráctiles se deslizan hada atrás hasta su posi.dón de relajación. Como sucede en el músculo esquelético, el CaZ+ es transportado nuevamente al retículo sarcoplásmlco con ayuda de una eaz...ATPasa. Pero en el músculo cardíaco el Ca2+ también es eliminado de la célula en intercambio por Na+ a través de una protcina.contratransportadora bidirecctonal de Na+-ca+. Cada ión eaz.. se mueve hada afuera de la célula contra su gradiente electroquímico y es intercambiado por 3 Na+ que entran en !a célula a favor de su gradiente electroquímico. El sodio que entra en la célula dtuante esta tzansferencia es eliminado por una Na+-K+·ATPasa.

R E.VISIÓN Si una célula contráctil miocárdlca es colocada en lf· quido Intersticial y despolarizada, la célula se contrae. Si se elimina Ca 2+dellfquido qúe rodea a la célula miocárdlca y la célula es despolarizada, no se contraerá. Si se repite el experimento con una fibra de músculo esquelético, el músculo esquelético se contrae cuan· do es despolarizado, ya sea que se presente o no Ca 2+ en el !fquido drcundante. ¿Qué conclusión puede ex· traer a partir de los resultados de este experimento? Respue;ta en la p. 498

1

472

Capítulo 14 Fisio!ogfa cardiovascu!ar

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c:~~~~~cente.

los canales de Qa2+ regulado por voltaje se abren. El e#+ entra en !a célula.

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E! Ca2+ Induce !a liberación de Qa2+ a través de receptores -canales de rlanodlna {RyR}.

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Los iones Qa2+ se unen a la troponlna para iniciar la ~mtacción ..

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la_relajación tien;·¡~;~ cuando 1 &! Ca2+ se~~~ fa troponina Ef Ca2+ es bombeado nuevamente hacia e! retlcu!o sarcoplásm!co para su almacenamiento. --·--.....-..~,-

flJ FIGURA 14-11 Acoplamiento excitadónvcontracción y relajación en el músculo

cardíaco

Una propiedad dave de las células del músculo cardíaco es la

capacidad de cada fibra muscular para ejeOitar amtracdones esca· lanadas, en las cuales la fibra vaña la cantidad de fuerza que genera. (Recuérdese que, en el músculo esquelético, la contracción en una fibra es un fenómeno todo o nada a cualquier longitud dada de la fibra.) La fuerza generada por_el músculo cardíaco es proporcional a la cantidad de puentes cruzados que están activos. La cantidad de puentes cruzados activos está determinada por la cantidad de cau unido a la tropqnina. Si las concentraciones citosólicas de eau son bajas, algunos puentes cruzados no serán activados y la fuerza de la contracción será pequeña. Si entra Ca~ adidorial en la célula desde el liquido extracelular, ~e libera más eau desde el retículo sarcoplásrnico. Este Ca2+ adicional se une a la troponina y aumenta la capacidad de la miosina para formar puentes cruzados con actina, lo que crea una fuerza adicional.

Cuando el músculo cardíaco está estirado, se contrae_más enérgicamente Otro factor que afecta la fuerza de contracción en el músculo cardiaco es la longitud del sarcómero al comienzo de la contra(;.

dón. Tanto para el músculo cardíaco como para el esquelético, la tensión generada es directamente proporcional a la longitud inicial de la fibra muscular ( .ii1 p. 413). A medida que aumenta la longitud de la fibra muscular y la longitud del sarcómero, aumenta la tensión, hasta un máximo (Fig. 14-121i). En el corazón, el estiramiento de las fibras individuales es una función de la cantidad de sangre ·que entra eri- las cámaras del coratón. La relación entre fuerza y volumen ventricular es una propiedad importante de la función cardiaca y se explica con detalle más adelante. /1

~[IR 1;,11"·1 S 1Ó N

l'),:;';;:{,ji;-1, Un fármaco que bloquea todos los canales de Ca2+ en V;;~t~'

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50

la membrana de la célula miocárdica se coloca en la soludón que rodea a la célula. ¿Qué sucederá con la fuerza de contracción en esa célula?. Respue$ en la p. 498

Los potenciales de acdón en las células miocárdicas varían según el tipo celular El músculo cardiaco, al igual que el músculo esquelético y las neuronas, es un tejido excitable con capacidad para generar potendales de acción. Cada uno de los dos tipos de células del músculo cardiaco tiene un potencial de acción distinto. En aro-

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~,. . E 40 o "j -so ~~eNat. __

Jislol6gloos_

60 70 80 90 100 longitud del sarcómero: %-del máximo

WFIGURA 14-12 Reladones /ongitud~tensión en el músculo

esquelético y el músculo cardiaco ·

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Cardíaco

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--T!e!llpo (ms)----+

Fase !

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bos tipos, el eaz.. desempeña un papel importante en el potencial de acción, al contrario de los potenciales de acción del mt1sculo esquelético y las neuronas.

Fase 4: potencial de membrana en reposo. Las células contráctiles miocárdicas tienen un potencial en reposo esta-· blede unos-90mV. Fase 0: despolarización. Cuando una onda de despolariza~ dón se propaga a una célula contráctil a través de las uniones en hendidura, el potencial de membrana se toma más positi· vo. Los canales de Na+ regulados por voltaje se abren, lo que permite que el Na+ entre en la célula y la despolarice rápidamente. El potendal de membrana alcanza alrededór de +20 mV antes de que los canales de Na+ se cierren. Éstos son canales de Na+ con compuerta doble, similares a los canales de Na+ con compuerta de voltaje en el axón (~p. 260). Fase 1: repolarlza!=ión inicial. CUando los canales de Na+ se derran, la célula comienza a repolarizarse a medida que el K+ sale a través de los canales de K+ abiertos. Fase 2: meseta. La repcílañzación inicial es muy breve. El po. tendal de acción se aplana luego en una meseta como resultado de dos acontecimientos: la disminución de la pennea. .bilidad al K+ y el aumento de Ia penneabilldad al Ca2+. Los canales de Ca+ regulados por voltaje activados por l
·~-j--

;;::·r-@o

Estos datos representan la tensión desarrollada durante la con· tracción isométrica. El rango fisiológico es la longitud del sarc().. mero durante el funcionamiento normal de un músculo.

Células contráctiles miocárdicas Los potenciales de acción de las células contráctiles miocárdicas tienen varias similitudes con los de las neuronas y el músculo esquelético (S p. 257). La fase de despolarización rápida es resultado de la entrada de Na~, y la fase de repolartzadón se debe al K+ que abandona la célula. La princi. pal diferencia entre el potencial de acción de la célula contráctil miocárdica y el de una fibra de músculo esquelético o una neurona es que, en la célula miocárdica, se produce un.a prolongación del potencial de acdón como consecuencia de la entrada de cau. Demos una mirada a estos potendales de acción más prolongados (Fig. 14.13 ¡¡¡¡.

-i'-I:'K*-fi_!fca_. __

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1 Co"""oclóo 1

La contracción del múSculo cardiaco puede ser escalonada

¡;t;¡;,¡~~j/-.

100

ncial de acción entra

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Receptor..canal de rtanodina

Músculo cardíaco y corazón

@

Canales de memb!ana

Los canales de Na+ se abren Los canales de Na+ se cierran Los canales de Cal!+ se abren; los canales rápidos de K+ se cierran

los canales de Cal!+ se cferran; los canales

lentos de Kt se abren Potencia! d& reposo

El FIGURA 14-13 Potendal de acdón de

una célula contráctil

cardiaca Los números de las fases son una convención.

ses Oy 1. Cuando finalmente se abren, el Ca2+ entra en lil célula. Al mismo tiempo, algunos canales de K+ se cierran. La combinación de entrada de Ca2+y menor salida de K+ hace que el potencial de acción se aplane en una meseta. Fase 3: repolarizadón rápida La meseta termina cuando los canales de Ca:!.> se cierran y la permeabilidad al K+ aumenta una vez más. Los canales de K+ responsables de esta fase son similares a aquellos de la neurona: son activados por la despolarización, pero se abren lentamente. Cuando los canales de K+ tardíos se abren, el K+ sale rápidamente, lo que ret~ma la célula a su potencial en reposo (fase 4).

caz..

. La entrada de durante la fase 2 prolonga la duración total de un potencial de acción Iniocárdico. Un potencial de acción

típico en una nemona o una fibra de músculo esquelético dura entre 1 y 5 ms. En una célula miocárdica contráctil, el potencial de acción típicamente dura 200 ms o más. El potencial de acción Iniocárdico más prolongado ayuda a impedir la contracción sostenida denominada tétanos. La prevención del tétanos en el corazón es importante, porque los músculos cardíacos deben relajarse entre las contracciones para que los ventriculos puedan llenarse con sangre. Para comprender por qué un potencial de acción más prolon· gado impide el tétanos, compare la relación entre potenciales de acción y contracción en las células de músculo esquelético y músculo cardíaco (Fig. 14-14 B). Como se vio en el capítulo 12,

1

474

Músculo cardíaco y corazón

capítulo 14 Fisiología cardiovascular {b) Los músculos esqueléticos que son estimulados repetidas veces muestran suma y tétanos {no se muestran los potenciales de acción).

{a) Fibra de contracción répida del músculo esquelétloo: el periodo refractario (amarillo) es muy corto comparado con el tiempo necesario para el desarrollo de tenS1ón.

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+-los canales de ea2+ se cierran, !os canales de K+ se abren

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10

REFERENCIAS = Estimulo para el potencial da acción

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1

{e) Estados de dlstlntos canales iónicos

{b) Movimientos iónicos durante un potencial de marcapasos y un potencial da acción.

20

rruixima

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A

(a} El potencial de marcapasos se toma g;adua!mente menos negativo hasta que alcanza el umbral, momento en que dispara un potencial de acción.

--Trempo (ms)---+

--Tiempo (msJ---+

Algw¡os canales

Estímulo {d) El perfodo refractario prolongado en un músculo cardiaco !mplde el tétanos.

{e) Fibra de múseulo cardfaco: el período refractario dura casi tanto como la contracción muscular.

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Potencial

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--Ttempo (ms}----+

~u --Trempo {ms)---+

10

l!ll FIGURA 14-14 Períodos refractarios y suma en el músculo esquelético y el músculo cardiaco

el potencial de acción del músculo esquelético (ctitVa roja) está terminando cuando la contracción (curva azul) comienza. Por lo · tanto, un segundo potencial de acción disparado inmediatamen·

te después del periodo refractario prodUce una suma de las con· tracciones, Si sobreviene una serie de potenciales de acción en sucesión rápida, se produce la contracción sostenida llamada té. tanos (Fig. 14-14b). El tétanos uo_puede ocurrir en el músculo cardíaco porque el potencial de acción más prolongado hace que el periodo refractario y la contracción termine casi simultáneamente (Fig. 14-14c). Para el momento- en que sobreviene un segundo potencial d~ acción, la célula miocárdica casi se ha relajado por completo. En consecuencia, no se produce ninguna suma (Fig. 14-14d).

_;í,1lti?ISIÓN ~~17.12. ·v;:r

¿El movimiento de cuáles iones y en qué dirección produce !as fases de despolarización y repo!arización de un potencial de acción de la neurona?

13. Anivel molecular, ¿qué sucede durante el período refractario en !as neuronaS y las fibras musculares?

14. la lidocalna es una molécula que bloquea !a a«ión de !os canales de Na+ cardíacos regulados por voltaje. ¿Qué

sucederá con el potencia! de acción de una célula míocárdica contráctil si se aplica lidocalna en la célula? Respuestas: en la p. 498 Células autorritmicas miocárdicas ¿Qué confiere a las células autorótmicas roiocárdicas su capaddad singular paxa generar potenda· les de acción espontáneamente, en ausenda de afe!endas desde el sistema nervioso? Esta propiedad es el resultado de su potendal de membrana inestable, que comienza a -60 mV y se desplaza lenta· mente hada arriba en dirección al umbral (Fig, 14--15 a m). Como el potencial de membrana nunca "descansa" en un yalor constante, se denomina potencial de marcapasos en lugar de potencial de membrana en reposo. Siempre que el potencial de marcapasos se despolarice hasta el umbral, la célula autorritmica dispara un potendal de acción. ¿Qué hace que el potendal de membrana de estas células sea ·inestable? Actualmente se sabe que las células autorritmicas tienen canales diferentes de los canales de otros tejidos excitables. Cuando el potenctal de membrana de la célula es de -60 mV, los

de acción de man:apasos de la figura

canales Iv permeables tanto a K+ como a Na+, se abren (Fig. 1415c). Estos canales se denominan canales Jfporque penniten que la corriente (I) fluya y porque tienen propiedades inusuales. Los investigadores que describieron por primera vez la corriente iónica a través de estos canales al principio no comprendieron su comportamiento y la denominaron corriente divertida ("fUimy"), de ahí el subíndice f. Cuando en los potenciales de membrana negativos lqs cana•. les~ se"abren, la entrada de Na+ excede la salida de K+ (Fig. 14lSb). {Esto es similar a lo que sucede en la unión neuromuscul.u: ruando se abren canales catiónicos inespedficos [¡¡¡¡¡p. 390].) La entrada neta de una carga positiva despolariza lentamente iJa célula autorritmica. A medida que el potencial de membrana se vuelve más positivo, los canales ~se cierran gradualmente y algunos canales de eaz.. se abren. La entrada de Ca2+continúa la des-polarización, y el potencial de m~brana se eleva constantemen· te hada el umbraL · CUando el potencial de membrana alcanza el umbral, se abren canales de eaz. adicionales. El calcio entra rápidamente enlacélula, y crea la pendiente de la fase Q.e despolarización del potencial de acción. Obsérvese que este proceso es diferente de los de otras células excitables, en las cuales la fase de despolarización se debe a la apertura de canales de Na+ regulados por Voltaje. Cuando los canales de eaz. se derran en el pico del potencial de acción, se han abierto canaleS de K+ lentos. La fase de repolarización del potencial de acción autoiritmico se debe a la salida resultante de {(+. Esta fase es siroi!M a la repolarizadón en otros tipof de_!=élulas exdtables.

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de ea2+ se ab~ A.oo.canales! ---!os"ca;ra!es-, <1f:;seabren

..es canales

~ se abren

--Tiempo------+

PREGUNTA Relacione las fases apropiadas del potencial de acción de la célula contráctil mlocárd!ca (Fig. 14-13) con el potencial

:§

~e

•.

Entrada neta de Na+

de acción

}f o

475

se cfE!n'all

Los canales de K+ se cierran

--Tiempo~

mFIGURA 14-15 Potendales de acción en células autorritmicas cardíacas

Los neurotransmisores autónomos modulan la frecuenda cardíaca La velocidad con la cual se despolarizan las células de marcapasos determina la frecuencia con la cual se contrae el corazón {la frecuencia cardíaca). El intervalo entre los potenciales de acción puede ser modificado alterando la permeabilidad de las céltílas autorritmicaS. a diferentes iones. El aumento de la permeabilidad al Na+ y al eaz. durante la fase de potendal de marcapasos acelerala despolarización y la frecuenda cardíaca. La disminución de la permeabilidad al eaz. o el aumento de la permeabilidad al I<+ hace más lenta la despolarización y por lo tanto la frecuenda car-

diaca.

tf! .

t¡3fi;ÉiÍÍ 1S 1 ó N í;f~l'1s. ¿Qué efecto tendrá el áumento de !a permeabiHdad '""" al ~+en el potencial de membrana de la célula? Respuesta en la p. 4!19 La estimuladón simpática de las células de marcapasos acelerala frecuencia cardíaca. Las catecolaminas noradrenalina (de las neuronas simpáticas) y adrenalina (de la médula suprarrenal) aumentan el flujo de iones a través tanto de los canales 11 como de eaz... La entrada más rápiqa de cationes acelera la velocidad de despolarizadón de marcapasos, lo que hace que la célula alcance el umbral más rápido y aumenta la fre<,uencia de descarga de potenciales de acción (Fig. 14-16a !§). Cuando el marcapasos dispara potenciales de acción más rápidamente, la frecuencia cardíaca aunienta.

1

{b) la estlmulación paraslmpática hiperpo!aliza el potencial da membrana de la célula autorritmlca y hace más lenta !a despolarización, lo que disminuye la frecuencia can:!laca..

{a) la estímu!ación simpática y la adrenalina despolarizan a !a célula autorrítm!ca y aceleran !a velock!ad de despolarización, !o que aumenta !a frncuencia can:lfaca.

· El corazón como bomba

477

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s

1 ~

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0,8 1,6 ---Tiempo ( s ) -

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Oes~larización más lerrta

Despolllrización más rápida \

1;6 M ---Tiempo(s)-

2,4

1

2A

b'3 FIGURA 14-16. M9duladón de la frecuenda cardíaca por el sistema nervioso

Las catecolaminas ejen:en su ~o uniéndose a los receptores~~ adrenérgicos en las células autorrítmícas. Los ~creceptores utilizan un sistema de segundos mensajerOs de cAMP para alterar las propiedades de tranSpOrte de los canales iónkOS. En el caso de los canales ~p el propio cAMP es el mensajero. Cuando el cAMP se une a los canales Ir abiertos, éstos se mantienen abiertos más tiempo. Los· canales ~ pertenecen a una familia denomitlada canales HCN o canales ron Compuerta de nude&idos cfcficos activados por hipe1pclarizací6n. Otros miembros de la familia HCN se encuentran en las neuronas. El neurotransmisor parasimpático acetilcolina {ACh) disminuye la frecuencia cardíaca. La acetücolina activa los receptores colinérgi.cos muscañnicos que influyen en los canales de K• y de CaZ+ en la célula marcapasos. La pemleabilidad al potasio_aumen-

ta, Io que hiperpolariza la célula de modo que el potencial de marcapasos comienza en un valoi más negativo {Fig. 14-16b). Al niismO tiempo,la permeabilidad al eaz.. del marcapasos disminuye. La disminución de la permeabilidad al eau hace más lenta la frecuencia con la cual se despolariza el potencial de marcapasos. La combinadón de los dos efectos hace que la célula tarde más en alcanzar el umbral, lo que demora-el-inicio del potencial de ac· ción en el marcapasos y dlsmin~ la frecuencia car~,Ua.ca. El cuadro 14-3m compara los porenctales de acdón de los dos . tipOs de músculo miocárdico con los del músculo esquelético. A continuación se verá de qué modo los potenciales de acción de las células autorrltmicas se propagan a todo. el corazón para coor· dinar la contracdón.

las despolarizaciones d& !as células autorrítmlcas se propagan rápidamente a !as células contráctiles adyacentes a través de !as uniones en hendidum.

¡¡¡¡ RGURA 14-17 Conducdón eléctrica en las células miocárdicas ,:.§

t>RJg\VISIÓN f~"16. ¿Cree que los canales de ca2+ en las células autorrttmiW cas son los mismos que los canales de ca 2 ~ en las células contráctiles? Justifique su respuesta. 17. ¿Qué sucederá con el potencial de acción de una célu· la autorrltmica miocárdka si a ésta se le aplica tetro-

dotoxfna, que bloquea Jos canales de Na+ regulados por voltaje?

1a En un experimento, se seccionó el nervio vago

(~p. 381) que se dirige a! corazón. los investigadores observaron que la frecuenda cardíaca aumentaba. ¿Qué puede concluir usted sobre las neuronas vagales que inervan el corazón? · Respuestas en la p. 499

Potencial de membrana Éstab!e a -10 mV Eventos que producen

WI potencial umbral

Entraila neta de Na+ a través de los q¡na. les _openid_os por ACh

Estable a -90 mv

Potendal de marcapasos inestable; habitualmente oomienza en -60 mV la despolarización se propaga a través ·_Entra~ neta de Na~ a través de los de fas uniones en hendidura canales 1; reforzado por la entrada

""Ca" Fase de ttedmiento del Entrada de Na+ potendalde a«<ón fase de repolarización Rápida; causada por la salida de K+

Hiperpol~ción

Entrada de Na+

Meseta extensa causada por !a entrada Rápida{ causada por !a sa!lda de K+ de Ca~ fase rápida causada· por la salida de K+

Debida a la salida excesiva de K+ oon alta Ninguna; el potencial de reposo es de Perméabllidad al K+ ruando los canales de -90 mV, potencial de equilibrio para K+ K~ se cierran; la pérdida de K+ y de Na+ restablece el potenáal al estado de repOso

[)uradón del poÍendal Corta: 1-2 ms

Entrada de Cal..

Extendida: + de 200 mseg

Ninguna; cuando !a repolarización llega a~O m.V, los canales ~se abren nuevamente· Variable; generalmente+ de 150 mseg

d&a
Generalmente breve

Prolongado pOrque el retomo al.estado Ninguna inicial de las coffiputrtas de los canales de Na+ se d'rtiere haSta· el final del potenda! deacdón

EL CORAZÓN COMO IIOMI!A Ahora pasaremos de las células miocárdicas al corazóri. ¿Cómo puede una pequeña célula autorrítmica no contráctil hacer que todo el corazón lata? ¿Y por qué esos médicos de los programas de TV aplican choques eléctricos con paletas a los pacientes con cuando sus corazones se detienen? Usted está a punto de aprender las respuestas a estas preguntas.

La conducdón eléctrica en el corazón coordina la

contracción El corazón es como un grupo de personas alrededor de un au· tomóvil parado. Cada persona puede empujar el automóvil, pe¡:o no es probable que vayan muy lejos a menos que todos empujen juntos. De la misma fonn.a, las células miocárdicas individuales deben despo1arizarie y contraerse de forma coordinada para que el corazón cree la fuerza suficiente como para hacer circular la sangre. La comunicación eléctrica en el corazón comienza con ~ po-rendal de acción en una célula autorrítmica. La despolatizadón se propaga rápidamente hasta las células adyacentes a través de las ¡unones en hendidura en los discos intercalares (Fig. 14-17 m).

La onda de despolarización es seguída por una onda de contrae.

ción que atraviesa las aurículas y luego pasa a los ventrículos. La despolarización comienza en el nodo sinoatrial o sinoauricular (nodo SA), las células autonítmicas de la aurícula derecha que son elman:apasos principal del corazón (Fig. 14-18 El). La onda de despolarización se propaga entonces :rápidamente a través de un sistema conductor especializado de fibras autorritmicas no contráct1les. Una vía intemodal ramificada conecta el nodo SA con el nodo atrioventricular o auriculoventricular (nodo AV), un grupo de células autorrítmlcas en el suelo de la aurícula derecha. Desde el nodo AV, la despolarización· Se propaga por las fi. bras de Purkinje en el haz atrioventricular o auriculoventricular (haz AVf en el tabique entre los ventrículos. (Las fibras de Purkinje son células conductoras especializadas que transmiten señales eléctricas con mucha velocidad.) Un poco más abajo en el tabique, las fibras del haz AV se dividen en las mmas fasciculares izquierda y derecha. las fibras de las ramas fasciculares del haz continúan hacta abajo hasta el vértice del corazón, donde se divi· den en fibras de Purkin¡e-más pequefias que se ramifican hada los lados entre las células contráctiles. La señal eléctrica para la contracción comienza cuando el nodo sinoatrial dispara un potencial de acdón y la despolarización se propaga hasta las células adyacentes a través de las uniones en hendidura (Fig. 14-18, @). La conduCción eléctrica es rápida a través de las vías de conducdón internodal ®pero más lenta a través de las células contráctiles de las aurículas®. A medida que los potenciales de acdón se propagan a través de las auriculas, encuentran el esqueleto fibroso del corazón en la unión de las aurículas y los ventrículos. Esta barrera impide la transferenda de sefiales eléctricas desde las auriculas hada los ventrículos. En consecuencia, el nodo AV es la única vía a través de la cual los potenctales de acdón pueden alcanzar las fibras contráctiles de los ventrículos. La señal eléctrica pasa del nodo AV a través del haz AV y las ramas del haz hada el vértice del corazón (Flg. 14-18, @).Las fi. •a haz AV t:an:llMn ~e denomina haz de rus.

1

El corazón como bomba 478

479

capítulo 14 Fisiología cardiovascu!ar •="••~~-,.,e_,,_,

@8 nodo SA se d~polariza.

L-~-

¡ ~ict~;~~:;~casedirtge ~ p!damente hacia el

nodo AV

través de vías intemodales. =--~~~··'-.

la despolarización se propaga

más lentamente a través de las aurículas. la conducción disminuye a través del nodo AV.

SiSTEMA DE CONDUCCIÓN DEL CORAZÓN

Los resultadoS de los ensayos de créat¡ridnasa YtroPoriin~ 1no es. tarían disponibles hasta varias horils después. Si üna arteria coronaria estuviera bloqueada, el da~O del músculo cardíaco podrla ser grave para ese momento. E!'J e! caso de Waiter, un electrocardiograma (ECG) inostr6 un patrón anormi'll de 'actividad elédrica. ~Definitivamente, tiene un IAM~, dijo-(¡¡ íriédko de emE!igendas, refiriénd95e a un infarto de mfocardio o ataque cárdíiKo. ~comen-. remos con un betabloqueante-yt:PA."_EI_i·PÁ (abreViatura de activador del plasminóge'no tisular) activa ·ei jl!asininógeno, una sustanda producida en el ruerpo que disuelve los coágulOs sanguf· neos. Administrado en las primeras 1·3 horas de un infarto de miocardio, el t-PA puede ayudar a cfrsohier los coágulos sanguíneos que están bloqueando el flujo sangufneo hada el músculo cardfaco. Esto ayudará a limitar la extensión del daño isquémko.

PreguntaS: ¿Cómo se propagan las señales eléctricas de una célula a otra en el miocardio? Pregunta 6: ¿Qué sucede en una célula cofttráctii rn!Odrdica si Una· onda. de despolarizadón que átraviesa el corazón la salt~?

Pregunta7: __ ·-- :_- .--> ___ , _____ . ___ _ un- betabloqueante eS un_ antago~_ista ~e_ lOs 'récept~teS 1}1."

adrenérgicos. ¿Qué hará éste fármaco cori la frecuenda car~ dfaca de Walter? ¿Porqué es 6ti/ e$a ies¡iueSi
)$.. !
@) '-.

Una segunda fundón del nodo AV es retardar ligeramente la transmisión de potenciales de acción, lo que permite a las aurículas completar su contracción antes de que comience la contrae-· ción ventricular. El retardo del nodo AV -se logra.disminuyendo la velocidad de conducción a través de las células nodales; Aqui los potenciales de acción sólo se mueven a 1!20 de la velocidad de los potenciales de acción en la vía internodal auricular.

/ ml FIGURA 14-18 Conducdón eléctrica en el corazón

El sombreado violáceo de !os pasos 2~5 representa !a despolarización.

bras de Purkinje transmiten impulsos muy rápidamente, con velocidades de hasta 4 m/s, de modo que todas las células contrác· tiles del vértice se contraen casi simultáneamente@. ¿Por qué es necesario dirigir las señales eléctriCas a través del nodo AV? ¿Por qué no permitirles propagarse hada abajo desde ·las aurículas? La respuesta reside en el hecho de que la sangre es bombeada fuera de los ventrículos a través de orificios en la par· te superior de las cámaras (véase Fig. 14-9b). Si las señales eléctri· cas desde las aurículas fueran conducidas !fuectamente a los ven· trlculos, éstos comenzarían a contraerse desde la parte. superior.

Entonces la sangre seria comprimida hada abajo y quedaría atrapada en la parte inferior de los ven~culos (piense en comprimir un tubo de pasta dental en la parte superior). La contracción vértice--base comprime la sangre hada los orificios arteriales en la base del corazón. La disposición espiialada de los músculos en las paredes de los ventrículos colabora en la eyección de la. sangre (véase Fig. 14-lOa). Amedida que estos músculos se contraen, acercan el vérti· ce y la base del corazón, y la sangre es impulsada hacia afuera por los orificios la parte superior de los ventrículos.

en

Los marcapasos regulan la frecuenda cardíaca Las células del nodo SA regulan la frecuenCia cardíaca. Otras células del sistema de conducción, como el nodo AV y las fibras de Purkinje, tienen potenciales de reposo -inestables y también pueden actuar como marcapasos bajo ciertas dtcunstandas. Sin embargo, como su ritmo es más lento que el del nodo SA, no suelen tener posibilidad de regular el latido cardíaco. Por ejemplo, las fibras de Purkinje_ pueden disparar espontáneament~ potendales de acción, pero su frecuencia de disparo es muy lenta, entre 25 y 40 latidos por minuto. ¿Por qué el marcapasos más rápido determina la frecuencia del latido crudfaco? Consideremos la siguiente analogía. Un grupo de individuos está jugando a "sigue al lider". Inicialmente, todos ca-

minan a un paso diferente, algunos más rápido, algunos más lento. Cuando el juego comienza, todos deben equiparar su paso al paso de la persona que está caminando más rápido, La persona más rápida del grupo es el nodo SA, que camina a 70 pasos por minuto. Todos los otros del grupo (células autouítmicas y contráctiles) ven que el nodo SA es más rápido, de modo que adoptan su paso y siguen al líder. En el corazón, la señ.al para seguir al lider es la señal eléctrica enviada desde el nodo SA hasta las otras células. Ahora supongamos que el nodo SA se cansa y abandona el grupo. El papel del líder pasa a la siguiente persona inás rápida, el nodo AV, que está caminando con una frecuencia de SO p~os por minuto. El grupo se hace más lento para equiparar la marcha del nodo AV, pero todos siguen aún al caminante más rápido. ¿Qué sucede si el grupo se divide? Supongamos que cuando llegan a una esquina, el líder nodo AV se dirige hada la izquierda pero una fibra de Purkinje renegada decide ir hada la derecha. Las personas que siguen al nodo AV siguen caminando a SO pasos por minuto, pero los individuos que siguen a la fibra de Purkinje dis· minuyen la v~loddad para equiparar su paso a 3S pasos por mi· nuto. Ahora hay dos lideres, cada uno caminando a un paso diferente. En el corazón, el nodo SA es el marcapasos más rápido y nor~ malmente regula la frecuenda cardíaca. Si el nodo está dañado y no puede funcionar, uno de los marcapasos más lentos del corazón se hace cargo. Incluso es posible que diferentes partes delcorazón sigan a diferentes marcapasos, al igual que el grupo que camina se dividió en la esquina. En un trastorno conocido como bloqueo auricu/aventricular (atrioventricular) completo, la conducdón de_ las señales eléctricas desde las aurículas hasta los ventrículos a través del nodo AV está interrumpida. El nodo SA dispara en su frecuencia de 70 latidos por minuto, pero sus señales nunca alcanzan los ventrículos. De modo que Jos ventrículos coordinan con su marcapasos más

1

·El com6n como bomba 480

481

Capítulo 14 Fisiología cardlovascu!ar

rápido. Como las células autouítmicas ventriculares descargan sólo unas 35 veces por minuto, el ritmo con ~ cual se contraen los ventrículos es mucho más lento que la frecuencia con la cual se contraen las aurículas. Si la contracción ventricular es demasiado lenta como para mantener un flujo sanguíneo suficiente, puede ser necesario establecer artificialmente el ritmo cardíaco con un marcapasos mecánico implantado qulrúrgicamente_. Estos dispositivos accionados por batería estimulan artificialmente el corazón con una frecuencia predeterminada.

PREGUMTA Si la velocidad del gráfico es de 25 mmls, ¿cuál es la frecuenCia cardiaca de la persona? (1 cuadradó 'pequefio-= 1 mm)

¡asuperficte delapleL

~,,aJ;~VtslóN

~P-i!# 19. Mencione dos funciones del nodo AV. ¿Cuál es el pro\~'' pósito del retardo det·nodo AV?

-ZO.¿Oónde se localiza el nodo sinoauricular? 21. En ocasiones aparece un marcapasos ectópico {ekto-

i

pos, fuera de lugar) en alguna parte del sistema de conducción del corazón. ¿Qué sucede con la frecuencia cardiaca si un marcapaSQS auricular ectópko despolariza a una frecuencia ¡;le 1ZO veces por minuto? Respuestas en la p. 499

El electrocardiograma refleja la actividad eléctrica del corazón Al final del siglo XIX los fisiólogos desCubrieron que_ podían colocar electrodos sobre la superficie de_ la piel y registiar la activi· dad eléctrica del corazón. Estos registros, llamados electrocardiogramas o ECG,* proporcionan información indirecta sobre la función cardíaca. Es posible utilizar electrodos de superficie para registrar la actividadeléctrica interna porque las soluciones sali· nas, como nuestro líquido ex:tracelular, basado en NaO, son buenas conductoras de la electricidad. El primer electrocardiograma humano ~e registrado en 1887, pero e1 procedimiento no fue refinado para uso clínico sino hastalos primeros añ.os del siglo xx. El padre del ECG moderno fue un fisiólogo holandés llamado Walter Einthoven. Él fue quien les dio nombre a las partes del tratado electrocardiog;áfico tal como las conocemos en la actualidad, y quien diseñó él "triángulo de Einthoven", un triángulo hipotético alr~edor del corazón en el' que se colocan electiodos en ambos brazos y en la_pierna izquier« da (Fig. 14-19 rm. Los lados del triángulo sé numeran para que correspondan a las tres derivaciones, o pares de eleci:rodos, utiliza· das para un registro determinado. Un ECG.se realiza registrando una derivación a la vez. Un electrodo actúa como el electrodo pe. sitivo de una derivación y un segundo electrodo actúa como el electrodo negativo. (El tercer electrodo es inactivo.) Por ejemplo, en la derivación I, el electrodo del brazo izquierdo es designado como positivo y el electrodo del brazo derecho es el negativo. · Un trazado electrocardiográfico muestra los potenciales eléc· trtcos sumados generados por todas las células del corazón. Los diferentes componentes del_ECG reflejan la despolarización o repolarización de las aurículas y los ventrículos. Como la despolarización inicia la contracción muscular, estos eventos eléctricos (ondas} de un ECG pueden asociarse Con la contracción o la relajación (denominados en conjunto eventos mectinioJS del corazón).

-·Av= se (Qrazón.

utlllu la abreV!atuta EKG,

por la palabra griega l:ardi4, q¡¡e significa

~.~

ll§l

FIGURA 14-19 Triángulo de Einthoven

Los electrodoS en amb_os brazos y en la pierna izquierda forman un triángulo. Dos electrodos. están activos en uil momento dado. Cada par de dos electrodos constituye una derivación. La derivación 1, por ejemplo, tiene el electrodo negativo unido al brazo derecho y e! electrodo positivo unido al brazo izquierdo.

Sigamos un F.CG a través de un único ciclo contracción-relajación,. también conocido como ciclo cardiaco. Existen dos componentes principales de un ECG: las ondas y los segmentos. Las otuJas aparecen como deflexiones por encima o por debajo de la línea de base. Los segmentos son secciones de la línea de base entre dos ondas. Los intervalos son combinaciones de ondas y segmentos. Se pueden observar tres ondas principales en un ECG normal regiM:rado en la derivación 1 (Fig. 14-ZO m). La primera onda es la onda P, que corresponde a la despolarización de las aurículas (Fig. 14-211i). El siguiente trío de ondas, el complejo QRS, representa la progresión de la despolarización-ventricular. La onda fi. nal, la onda 1', representa la repolar@ción de los ventrículos. La repolarización auricular no está representada por una onda especial sino que está incorporada en el complejo QRS. Los eventos mecánlcos del ciclo cai:díaco aparecen un poco después de las señales eléctrtcas, al igual que la contracción de una sola célula muscular cardíaca ~e a su potencial de acción (véase Fig. 14-14c). La contracción auricular comienza durante la última parte de la onda P y continúa durante el segmento PR. La contracción ventricular comienza inmediatamente después de la onda Q y continúa 9urante la onda T. Una cosa que muchas pe¡sonas encuentran confusa es que no se puede decir si un registro ECG representa despolarización o repolap rlzación sólo con ver la forma de una onda en relación con la línea de base. Por ejemplo, la onda P representa la despolariZación auri-

mFIGURA 14-20 El electrocardiograma El electrocardiograma se divide en ondas (P. Q, R. Sy 1}, segmentos entre las ondas (!os segmentos P·R y 5-T, por ejemplo) e intervalos, que consisten en una combinación de ondas y segmentos (como los intervalos PR y Ql}. Este trazado de ECG fue registrado de fa derivación l. cular y Ia onda T representa la repolarizadón ventricular, pero tanto la onda P como Ia onda T son deflexiones por endma de la línea de base. Fsto es muy diie!:ente de los registros de los potendales de acción de las neuronas y las fibras musculares, en los cuales una deflexión hada arriba siempre representa despolarización ( l?i p. 257).

Un ECG no es lo mismo que un potencial de acción sim¡}le (Fig. 14-22 m). Un potencial de acción es un evento eléctrico en una sola célula, que se registra con un electrodo intracelular. El · ECG es un registro extracelular que representa la suma de múlti· pies potenciales de acción que tienen lugar en muchas células musculares cardíacas. Cuando una onda el&tri.ca que atraviesa el corazón se dirige hada un electrodo positivo, la onda del ECG se eleva respecto de la línea de base. Si el movimiento neto de cargas a través del corazón se dirige hada el electrodo negatiVo, la onda mira hada abajo. Además, las amplitudes del pOtencial de acción y los registros ECG son muy diferentes. Un potencial de acción ventricular tiene un cambio de voltaje de 110mV, por ejemplo, p_ero la señ.al del ECG tiene una amplitud de sólo 1mV para el momento en que alcanza la superficie del cuerpo. Un punto importante para recordar es que el ECG es una "vis-ta" eléctrica de un objeto tridim.ensionai. Ésta es una de las xazo. nes de por qué utilizamos muchas deñvadones para evaluar la función cardíaca. Piense en un automóvil. Desde el aire, se ve como un tectángulo, pero desde el costado y de adelante tiene diferentes formas. No todo lo que vemos desde el frente del auto puede verse desde el costado y viceversa. De la misma forma, las derivacjones de un ECG proporcionan diferentes "vistas" eléctricas '

.

y brindan información sobre diferentes reglones del corazón. El ECG de 12-dérivaciones (los electrodos en las tres extremidades más nueve electrodos más colocados sobre el tórax y el tronco) es el estándar para uso clínico. Los electrodos adicionales proporcionan información detallada acerca de la conducción eléctrica ~ el corazón. Los electrocardiogramas son h~amientas diagnósticas importantes en medicina porque son rápidos, indoloros y no fn· vasivos (es decir, no se punza la piel). El F.CG proporciona infonnadón sobre frecuencia cardíaca y rit« mo, velocidad de conducción e incluso el estado de los tejidos en el corazón. Por lo tanto, aunque realizar un F.CG es simple, interpretar al~ de sus sutilezas puede ser muy complicado. la interpretación de un ECG comienza con las siguientes preguntas (Fig. 14-23 m). 1. ¿Cuál es la frecuencia Cardíaca? La frecuencia cardíaca nor-

malmente se cronometra desde el inicio de la una onda P hasta el comienzo de la siguiente onda P o desde el pico de una onda Rhasta el pico de la siguiente onda R. La frecuen« da cardiaca normal en teposo es de 60«100 latidos por mi· nuto, aunque los atletas entrenados a menudo tienen fre.. cuencias cardíacas en reposo más lentas. Una frecuencia más rápida de lo nórmal se conoce como taquicardia y una frecuencia más lenta de lo normal se denomina bradícardia (tachys, rápido; bradys, lento). 2. ¿El ritmo cardíaco es regular (es deciJ; ocurre a inteivalos. regulares) o irregular? Un ritmo inegular o arritmia (a-, siri.; ritmo), puede ser el resultado de un latido extra benigno o

1

482

Capítulo 14 Rsiología cardiovascu!ar

· El corazón como bomba

de trastornos más graves como una fibrilación auricular, en

{a) El electrocardiograma representa la actMdad eléctrica de todas las células suma~ y registrada en la superficie del cue¡po.

T l

la cual el nodo SA ha perdido el control del marcapasos. Después de determinar frecuencia y ritmo cardíacos, el si· guiente paso es analizar un ECG para observar la relación de las distintas ondas. Para ayudarlo en su análisis tal vez le sirva escribir las letras encima de las ondas P, Ry T. 3. ¿Hay un complejo QRS después de cada onda P y la longi· tud del ~egmento P-R es constante? Si no es así puede ha· ber un problema con la conducción de las señales a través del nodo AV. En el bloqueo auriculoventricular (el problema de conducción mencionado antes), los potendalés de acción del nodo SAa veces no son transmitidos a través del nodo AV hasta los ventrículos. En estas condiciones, pue. den apar«er una o más ondas P sin que se inide un complejo QRS, En la forma más grave del bloqueo auriculoventrtcular (de tercer grado), las auriculas se despolarizan regularmente a un ritmo mientras que los ventrículos se contraen con un ritmo mucho menor (Fig. 14-23b).

~

1 mV

" {b) 8 potencial de acción ventricular se registra a partir de una célula única con ll!l electrodo intracelular. ObséNese que el cambio de vo!taja es mucho mayor cuando se registra intracelularrnente,

T

110

mv

EVENTOS sicmJCOS DB. CIClO CARDfACO

lt==::'

-"

1

rn FIGURA 14-22 Comparadón de un ECG y un potendal de acción miocárdico

Los aspectos más difíciles de la interpretación de un ECG consisten en buscar cambios sutiles, como alteraciones de la forma o la duración de distintas ondas o segmentos. Un médico experimentado puede encontrar signos que apunten a alteradones de la velocidad de-conducción, el agrandamiento del corazón o el daño tisular resultado de períodos de isquemia. Se puede extraer una cantidad asombrosa de conclusiones acerca de la función cardíaca simplemente observando las alteraciones de la actividad eléctrica del corazón registradas en un ECG.

(a) ECG normal

Preguntas que se formulan cuando se analizan !os trazados del ECG:: 1. ¿Cuál es la frecuencia? ¿Se encuentra dentro del intervalo nonnal de 60-1 00 latidos por minuto?

f----10•-----------l

2. ¿El ritmo es regular?

3. ¿Se encuentran todas las ondas normales presentes de forma reconocible?

lb) Bloqueo de t~r grado p

p

los venbicu!os se contraen. (e) Rbri!aclón auricular

(d) Fibrilación ventricular

mFIGURA 14-21 Co"eladón entre el ECG y los eventos eléctricos en el corazón figura muestra !a correspondencia entre los eventos eléctricos en el ECG y las regiones de despolarización (violeta) y repolarización {durazno) del corazón.

La

1m AGURA 14-23 Électrocardiogramas normal y anormales

Tod?S los trazados representan registros de 10 segundos.

483

p

4. ¿Hay un complejo QRS para cada onda P? En caso afirmativo, ¿el segmento P·R trene longitud constante?

5. Si no hay un complejo QRS por cada onda P¡ éuente la frecuencia cardiaca ub1lzando las ondas P¡ luego cuéntela de acuen:lo con las ondas R. ¿las frecuencias son !as mismas? ¿Qué onda concuerda con el pulso que se palpa en la muñeca?

1 '

'

'

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El corazón como bomba

Capítulo 14 Fisiología cardiovascu!ar

485

~~;~-~~·;~anDas ronjunlos

R,EVISIÓN

,. 22. En !a figura 14-23trd se muestran tres E<;G anormales. Estúdie!os y vea si puede relacionar los cambios del ECG con una alteradón del patrón eléctrico normal en el corazón. 23.ldentifique !as ondas en el siguiente registro ECG de 10 segundos. Observe su patrón de aparición y descri· ba lo que ha sucedido con la conducción eléctrica del corazón.

_._Jk.--J~-"~'~LL Respuestas en la p. 499

Las airltmias cardíacas constituyen una familia de patologías cardíacas que varían desde benignas hasta aquellas con consecuencias potendalmente fatales. Las arritmias son problemas eléctñcos que surgen durante la generación o la conducción de los potendales de acción a través del Corazón y habitualmente pueden observarse en el ECG. A.Iguñas arritmias son "latidos perdidos" que ocurren cuando tos ventrículos no obtienen su señal habitual para contraerse. Otras arritmias, como las extrasístn!es ventriculares, son latidos extra que ocurren cuando una célula autouítmica distinta de las del nodo SA dis¡iaia un potencial de acción fueÍa de secuencia. Un trastorno cardíaco interesante que puede observarse en un ECG es el síndrome: del QT largO, denominado así por el cambio en el intervalo QT. El síndrome del QT largo tiene vañas fonnas. Algu· nas son canalopatías hereditañas, en las cuales aparecen mutaciones en los canales miocárdicos de Na+ o de K+ ( 1&i! p. 254). En otra for· ma de síndrome del QT largo tos canales iónicos son normales pero la proteína anquiritul-B que fija los canales a la membrana celular es defectuosa. Pueden ocurrir formas iatrogénicas ·(producidas por el médico) de síndrome del QT largo como efecto colateral de la ingesta de ciertas medicactones. Un incidente bien documentado ocurrió en la década de 1990 cuando algunos pactentes recibieron un antihistamínico no sedante llamado terfenádina (Seldane®). que se une a los canales de repolarizactón de K+. Después de que se atribuyeran como mínimo ocho muertes al fármaco, la Food and Drug Admínistration de los Estados Unidos retiró el Seldane del mercado. ·

1

El corazón se contrae y se relaja una vez durante el ciclo cardíaco Cada ciclo cardíaco tiene dos fases: la diástole, que es el tiempo durante el cual el músculo cardiaco se relaja, y la sístole, que es el tiempo durante el cual el músó.tlo se contrae (diastole, dilatadón; sistole, ~ontracción). Como aurículas y ventrículos no se contraen y relajan al mismo tiempo, los eventos auriculares y ventriculares se explicarán por separado. Al pensar en el flujo sanguíneo durante el ciclo cardíaco, recuérdese que la sangre fluye desde un área de mayor presión a otra de menor presión, y que la contracción aumenta la presión mientras que la relajactón la disminuye. En este análisis el ciclo cardíaco se divide en iás-cincO fases que se muestran en la figura 14-24 m l. El corazón en reposo: diástole auricular y ventricular. Es-. ta descripción del ciclo cardíaco comienza en el breve mo..

Y

de cámaras están relajados y !os

! ventn'cu!os se llenan pasivamente. r....._,~~---

E! electrocardiograma indicó que Walter había sufrido un infarto

de. miocardio, debido a una obstrucdón de los vasos sanguíneos que nutren el ventrrculo izquierdo. la localización exacta del daño depende de qué arteria y qué rama o ramas se hayan ocluido. Pregunta 8: Si el ventriculo del corazón está dañado, ¿en qué onda u on· das del electrocardiograma esperaña ver cambios anormales?

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Re!a,!ac!ón ventricular !Sovolumétrica: a medida que !os Vei11rfcu!os se relajan, .la presí6o en ellos cae, el flujo 1 sangulneo vuelve a las cúspides

@ Sístole auricular. ta cootracción

- auriCUlar fuerza una pequeña 1 cantidad de sangre adicional Le~.:~~~=-~~cu!os.

¡L.::::""~"~""" _ _ '_"'_ ""'_illll'laresy

.:494

mento durante el cual tanto las aurículas como los ventrículos están relajados. Las aurículas se están llenando con sangre proveniente de las venas y-los ventrículos acaban de completar una contracción. A medida que los ventrículos se relajan, las válvulas AV entre las aurículas y los ventrículos se abren. La sangre fluye por gravedad desde las aurículas en los ventrículos. Los ventrículos relajados se expanden para permitir la sangre que ingrese.

,.,RE,Ífl S 1Ó N \';:"'-lb:' 24. Durante el llenado ventria.dar. ¿la presión en la aurfrula r:c--s.:,~ es mayor o menor que la presión en las venas cavas? Respuesta en la p. 499 2. Conclusión del llenado ventricular: sístole auricular. Aunque la mayor parte de la sangre entra en los ventrículos mientras las aurículas están relajadas, el último 20% del llenado se logra cuando las aurículas se contraen y empujan la sangre en los ventrículos. (Esto se aplica a un indivi· duo normal en reposo. Cuando la frecuencia cardíaca aumenta, como sucede durante el ejercicio, la contracción auricular desempeña un papel mayor en el llenado ventricular.) La sístole o contraCción auricular una vez que comienza la onda de despolarización recorre las aurículas. El aumento de presión que acompaña a la contracción empuja la sangre hada los ventrículos. Una pequeña cantidad de sangre es forzada a retroceder hada las venas porque no existe ninguna válvula unidl!eccional que bloquee el flujo retrógrado, aunque los oñficios de: las venas se estrechan durante la contracción. Este movimiento retrógrado de sangre en las venas puede observarse como un pulso en la vena yugular de un individuo normal que está recostado con la cabeza y el tórax elevados unos 30°. (Mire el orificio que se forma cuando el músculo estemocleidomastoideo pasa por debajo de la clavícula.) Un pulso yugular observable más alto en el cuello de un individuo sentado recto es signo de que la presión en la aurícula derecha es más alta de lo normaL 3. Contracción ventricular temprana y primer ruido cardíaco. Cuando las aurículas se están contrayendo, la onda de despolarización se mueve lentamente a través de las células conductoras del nodo AV y luego descienden rápida-

@

Contracción ventricular Jsovolumélrlca: la primera fase de la contracción ventricUlar empuja las válvulas AV y las cierra pero no crea !a pmsfón suficiente como para abrir las Válvulas semiltmares.

~~~~ar:

Eyección a medida r que la prosfón verrtricular se eleva y excede la presl6o en !as arterias, las válvulas semilunares se abren y se eyecta sangre.

11 FIGURA 14-24 Eventos mecánicos del ddo

cardiaco

mente por las fibras de Purkinje hasta el vértice del corazón. La sístole ventricular comienza allí a medida que las bandas espiraladas de músculo comprimen la sangre hada la base. La sangre que presiona la cara inferior de las válvulas AV las obliga a cenarse, de modo que la sangre no Puede fluir hada atrás a las aurículas. Las vibradones que siguen al derre de las válvulas AV crean el primer ruido cardíaco, Sv el "lub" del "lub-dup". Con ambos grupos de válvulas ~V y semilunares cerrados, la sangre eri los veiltriculos no tiene a donde ir. No obstante, los ventrículo~ se siguen contrayendo, y compñmen la sangre igual que cuando usted exprime consumano un globo con agua. Esto es .similar a una contracción isométrica, en la cual las fibras musculares crean fuerza sin movimiento (~p. 417). En la analogía del tubo de pasta dentifrica, es tomo presionar el tubo con la tap
Mientras los ventrículos comienzan a contraerse, las fi. bras musculares auriculares se están repolarizando y relajando. Cuando la presión auricular cae por debajo de la presión de las venas, la sangre fluye nuevamente desde éstas hacia las aurículas: El cierre de las válvulas AV aísla las cámaras cardíacas superiores e inferiores, lo que significa que el llenado auricular es independiente de los acontedmientos que tienen lugar en los ventrículos. 4. El corazó~ bombea: la eyecdón ventricular. Amedida que los ventrículos se contraen, generan ~ presión sufidente como para abrir las válvulas semilunares y empujar la sangre hada las arterias. La presión creada por la contracción ventricular se convierte en la fuerza impulsora del flujo sanguíneo. La sangre c:on alta presión es forzada .a entrar en las arterias y desplaza la sangre de baja preSión en su interior, empujándo.. la hacia los vasoS distales. Dwante esta fase las válvulas AV se mantienen cerradas y las aurículas se siguen llenando. 5. La relajación ventricular y el segundo ruido cardíaco. Al final de la eyecdón ventricul.ar, ~os ventriculos comienzan a repolarizarse y relajarse. A medida que lo hacen, la presión ventricular disminuye. Cuando la presión ventricular

El corazón como bomba 486

487

Capítulo 14 Fisiología cardiovascular c~e por debajo de la presión de las arterias, la sangre comienza a fluir hada atrás en el corazón. ~te flujo retrógra-

do de sangre empuja las cúspides cupuliformes de las válvulas semilunares y las obliga a aproximarse en posición de cierre. Las vibraciones creadas por el cierre de la válvula semilunar forman el segundo ruido cardiaco, S:v el "dup" del "lub-dup". Una vez que las válvulas semilunares se cierran, los ventrírulos se convierten nuevamente en cámaras selladas. Las válvulas AV se mantienen cerradas porque la presión ventricular, aunque sigue disminuyendo es más alta que la presión auricular. Este período se-denomina relajación ventri· cular isovolumétrica porque el volumen de sangre en los ventrículos no cambia. Cuando la relajación ventricular hace que la presión ventricular sea menor que la auricular, .las válvulas AV se abren. La sangre que se ha estado acumulando en las aurículas durante la contracdó~ ventricular irrumpe en los ventrículos. El ciclo cardíaco ha comenzado nuevamente.

·)¡RJ{~;I S IÓN

;y:-f:.{ 25. ¿Qué cámara --aurfcula o ventríCulo- tiene mayor pre'i'/' · sión durante las siguientes fases del ddo cardfa<.;o? a)

eyecdón ventricular, b} relajación ventricular isovolumétrica,. e) diástole auricular y ventricular, d) contracción ventricular isovolumétrica

La evalUación diT~ inás_simpre\~~-_!a tu:ndó~··eardi
en escuchai el cora~ón a_úavés de ~~--pared t~ráci~; un .-~xa·rn~n, conocido co.!llri ~U$cilltad~r¡· (auscaitar~;"~S~cfi~r),.que:s_e­ practi~ desde tienipoS antig~9s. Én s-ti :io:~-a -~áÚifÓ_PI_ ~,_:_Ia. :·--.. auscultación se ·realiza· a¡:ioyando_ una: ~reja s~_b~(! eriór~x.~p_éio, en la-actÚa!idad _~uele real~~ars_e_escU_c_ha·~~p ~~ ~V:~-~~--~~-e,~;-_. tetoscopio _apoyado :en ~1: pe .s(~oc~a· con el dérre de laS Váhiúlai Senli!uilareS. " · -- .. se pueden ~egiStiar_-otr'o¿:~os'-fu_idortóN~~rt~tóstó_Pi~ _él_eé<: trónicos muy sensibles._ El ~erC_er:l-uido ·é3rdr~c~ ~S·:causa;d.O· ~;---­ el flujo sangufneÓ ~Urbul_ento _en_ioS:V,er\trk~!ci durante-e! ue.: · nado v~ntrícular y el cua~o:ruicío'~_e! 8soéi_a_Con_turbule~d~:~u­ rante la contraCCÍón auriéular. Én éiértas condicioríes ailonnafes, estos dos últimOs_ruid~s Pu~e!úí.i~_<:O'n_-_b~ sinl-~l~_:e_stet6sco-_ pio: AeSte r_~o:se:!o !_lama ga_lop~ y_IQS _ruid()S'_~gr~~_ai:I~S_ aparecen -cerca de ÚnO de lós' ruidos.cardfa(os -nónñateS:--~IU&:-.dufr:.-' ,_..-- < -, .,, --,; -_.:. · '·~

26. Los soplos son ruidos cardiacos anormales causados por la sangre forzada a través de un orificio valvular estrechado o por el flujo retrógrado {regurgitación) a través de una válvula que no se ha cerrado completa· mente. la estenosis va/vular(stenos, estred10) puede ser un trastorno hereditario o puede ser el resultado · de inflamación u otros procesos patológicos. ¿En qué paso/s de! ciclo cardíaco (fig. 14-24) espeiarfa escuchar un soplo causado por las siguientes patologías? a} estenosis valvular aórtica, b) i1:1suficienda valvular mitra!, e) insuficiencia valvular aórtica Respuestas en la p. 499

Las curvas presión~volumen representan un ciclo cardiaco Otra forma de describir el·dcto cardíaco es con un gráfico presión-volumen como el que se muestra en la figura 14-ZS ~. Esta figura representa los cambios de Volumen (eje x} y presión (eje y) que ocurren durante un ciclo cardíaco. El flujo de sangre a través del c;orazón está gobernado por el mismo principio que gobierna el flujo de todos los líquidos y gases: el flujo_ se dirige desde las áreas de mayor presión hada las áreas de menor presión. Cuando el corazón se contrae, la presión aumenta y la san· gre fluye fuera del corazón hada las áreas. de menor presión. La figura 14-25 representa los cambiOs de presión y volumen en el ventrículo izquierdo, que envía sangre a la circulación sistémi· ca. ElladÓ izquierdo del corazón crea presiones más altas que el lado derecho, que envía sangre a través del circÍ.ti.to pulmonar, más pequeño. ·

El ciclo comienza en el punto A. El ventrículo ha completado una contracción y contiene la cantidad mínima de sangre que tendrá durante el ciclo. Se ha relajado y su presión también está en su valor mínimo. La sangre está fluyendo hada la aurícula por las venas pulmonares. · Una vez que la presión en la aurícula excede a la presión en el ventriculo, se abre la válvula mitra! entre la aurícula y el ventrículo (Fig. 14-25, punto A). La sangre auricular fluye aho:rá hada el ventrículo, aumentando su volumen (punto A a punto B). Amedida que la sangre fluye hacia el interior, el ventriculo relajado se expande para hacer lugar a la sangre que entra. En consecuencia, el volumen del ventriculo aumenta pero la presión sube muy po-

co.

La última porción del llenado ventricular la realiza la contrae· dón auricular. El ventrículo contiene ahora el volumen máximo de sangre que tendrá durante este ciclo cardíaco (punto B). Como el llenado ventricular ocurre al final de la relajación ventricular (diástole), este volumen se denomina volumen de fin de diástole. En un hombre de 70 kg en reposo, el volumen de fin de diástole es de unos 135 mL, pero este valOr varía en diferentes condiciones. Durante los periodos de frecuencia cardíaca muy alta, por ejemplo, el ventriculo no tiene tiempo de llenarse de forma com· pleta entre los latidos y el valor de fin de diástole puede ser inferior a 135 mL. Cuando comienza la contracción ventricular, la válvula mittal se cierra. Con la válvula AV y la válvula semilunar cerradas, la sangre del ventriculo no tiene ningún lugar adonde ir. El ventrí·

;--Volumen sistólico ¡

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nuye. Una vez que la presión en el ventrículo cae por debajo de la presión aórtica, la válvula semilunar se cierra y el ventrículo se convierte nuevamente en una cámara sellada. El resto de la relajación ocurre sin ningún cambio en el volumen sanguíneo y .por eso esta fase se denomina relajacWn isovolumétrica. (Fig. 14-25, D ->- A). Cuando la presión ventricular finalmente cae hasta el punto en el cual la presión auricular excede a la presión ventricular, la válvula mitra! se abre y el ciclo comienza nuevamente. Los eventos eléctricos y mecánicos del ciclo cardíaco se resumen juntos en el diagrama de la figura 14-26 rn, conocido cpmo diagrama de Wiggers en honor al fisiólogo que lo diseñó. REVISIÓN

27. En !a figura 14-24, ¿en qué puntos del cido ocurren e! volumen de fin de diástole y el volumen de fin de sis· tole?

~ 'E 40 ~

28. En el diagrama de Wiggers de la figura 14-26, relacione los siguientes eventos con los recuadros con letras:

j

A

o

65 100 135 Volumen ventricular iZquierdo (ml)

PREGUNTAS Relacione los Siguientes segmentos con los acontecimientos ventriculares correspondientes: A---+ B: a) EyecciÓ!l de sangre en la aorta B---+ C: b) Contracción isovo!umétrica e~ 0: e) Relajación isovo!umétrica o~ A:. d) Uenado pasivo y contracción auricular Relacione !os siguientes eventos con Jos puntos A-D: a) la válvula aórtica se abre b) !a válvula mltral se abre e) la válvula aórtica se cierra d) la válvula mitrnl se cierra El FIGURA 14-25 cambios de presión-volumen en el ventri~

culo izquierdo durante un ddo cardíaco

culo se sigue contrayendo y hace que la presión aumente rápidamente durante la contracción isovolumétrica (B->- C en Fig. 1425). Una vez que la presión ventricular excede a la presión en la aorta, la válvula aórtica se abre (punto C). La presión sigue aumentando mientras el ventrículo sigue contrayéndose, pero el volumen ventricular disminuye a medida que la sangre es empuja· da hada la aorta (C->- D). El corazón no se va da por completo de sangre cada vez que el ventrículo se contrae. La cantid3.d de sangre que queda en el ventrículo al final de la contracdón se conoce como volumen de fin de sístole. El volumen de fin de síst-Ole (punto D) es la cantidad mínima de ·sangre que tendrá el ventrículo durante un ciclo. Un valor de volumen 'de fin de ·sístole promedio en una· persona en reposo es de 65 mL, lo que significa que casi el 50% de los 135 mL que estaban en el ventrículo al inicio de la contracción seguirá allí al final de la contracción. Al final de cada contracción ventricular, el ventrículo comienza a r;elajarse. Amedida que lo hace, la presión ventricular dismi·

a) volumen de fin de diástole, b) la válvula aórtica se abre, e) !a válvula mitra! se abre, {d) la válvula aórtica se cierra, e) la válvula mitra! se cierra, f) volumen de fina! de sfstole. 29. ¿Por qué aumenta la presión auricular inmediatamen· te a la derecha del punto C en la figura 14-26? ¿Por qué disminuye durante la parte inicial de la sfsto!e ventricular y luego aumenta? ¿Por qué disminuye hada la derecha del punto D? 30. ¿Por qué la presión ventricular sube bruscamente en

el punto ede la figura 14-26?

Respuestas en la p. 499

El volumen sistólico es el volumen de sangre bombeado por un ventriculo en una contracción ¿Cuál es el propósito de la sangre que queda en los ventrículos al final de cada contracción? Es el siguiente: el volumen de fin de sístole de 65 mL proporciona un margen de seguridad. Con una contracción más enérgica, el corazón puede disri:linuir su volumen de fin de sístole y enviar sangre adicional a los tejidos. Al igual que muchos órganos del cuerpo, el corazóp. no suele funcionar "con máxima potencia". La cantidad de sangre bombeada por un ventrículo durante la contracctón se conoce como el volumen sistólico. Se mide en mililitros por latido y puede calcularse como sigue: Volumen de sangre antes de la contracción- Volumen de sangre después de la contracción= volumen sistólico Volumen de fin de diástole- volumen de fin de sístole= volumen sistólico Para la contracción promedio en ·una persona en reposo: 135 mL - 65 mL = 70 mL, el volumen sistólico nonnal El volumen sistólico no es una constante y puede aumentar hasta 100 mL durante el ejercido. El volumen sistólico,. al igual que la frecuencia cardíaca, está regulado homeostáticamente por mecanismos que se explicarán en este capítulo.

1

El corazón como bomba

-------T!empo{ms}-------

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200

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300

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500

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700

El volumen minuto es una medida del rendimiento

ÍComplejo ¡ QRS ¡ . '-!"

cardíaco J Ciclo catdiaco ]

¿Cómo se puede evaluar la eficacia del corazón como bomba? Una forma es medir el volumen minuto, el volumen de sangre búmbeada por un ventrículo por unidad de tiempo, en este caso un minuto. Como toda la sangre que abandona el corazón fluye a través de los te~dos, el volumen minuto es un indicador del flujo sanguíneo total a través del cuerpo. Sin embargo, el volumen minuto no nos dice cómo se distribuye la sangre en los distintos tejidos. Ese aspecto del flujo sanguíneo está regulado a nivel tisu1at: El volumen minuto (VM) se puede calcular multiplicando la frecuencia caxdíaca {latidos por minuto) pórel volumen sistólico (roL por latido o por contracción):

1

¡

Bootrocardiograma

489

800

T

~CG)

Volumen minuto= frecuencia cardíaca x volumen sistólico

Para una frecuencia cardíaca en reposo promedio de 72latidos por minuto y un volumen sistólico de 70 mL por latido, tenemos VM = 72 !atidos/min x 70 mLJlatido =S 040 mUmin (o aproximadamente S L/~)

El volumen sanguíneo total Promedio es de unos S litros. Esto significa que, en reposo, un lado del corazón bombea toda la sangre del cuerpo ¡en sólo un minuto! Normalmente, el volumen minuto es el mismo para ambos ventrículos. Sin embargo, si un lado del corazón comienza a fallar por alguna razón y es incapaZ de bombear eficientemente, el vo~umen minuto se desequilibra. En esa situación, la sangre se acumula en la dtculación antes de llegar al lado más débil del corazón. Durante el ejercido, el volumen minuto puede registrar aumentos de hasta 30-35 L/min. Los cambios homeostáticos del volumen minuto se acompañan por variación de la frecuencia cardiaca, del volumen minuto o ambos. Tanto mecanismos locales como reflejos pueden alterar el volumen minuto, como se verá en laS secdones que siguen.

1

ISIÓN

1. Si el volumen.minuto del ventriculo izquierdo es de 250 mUJatidoy el volumen sistólico del ventriculo derecho es de 251 mUJatido, ¿qu~ sucederá con la distribución relativa de sangre entre fa circulación sistémica y pulmonar después de 10 latidos? Respuestas en la p. 499

La frecuenda cardíaca es modulada por neuronas autónomas y catecolaminas

Sístole auricular Sfstole auricular

llil FIGURA 14-26 Diagrama de Wiggers las letras retuadradas se refleren a !as preguntas de la Revisión 28 a 30.

Una frecuencia cardíaca promedio en un adulto es de unos 70 latidos/minuto. Sin embargo, el intervalo-normal es muy variable. Los atletas entrenados pueden tener frecuencias cardíacas de SO latidos por minuto o menos, mientras que alguien qlle está ex- · citado o ansioso puede tener una freruenda de 125 latidos por minuto o mayor. Los niños tienen frecuencias cardíacas promedio más altas que los adultos. Aunque la frecuenda cardíaca es iniciada por células autonítmicas en el nodo SA, está modulada por af~endas neurales y hormonales.

A las 13 horas, wa!ter estaba en ·ra unidad de cuidados intensivos

cardiacos, donde el cardiólogo lo visitó. #Debemos controlarlo aquí durante una semana. Es muy posible Que el daño de su corázón pueda aiusar latidos cardiacos irregulares". Una vez que Walter estUviera estabh~, _ le realizaría una angiografla _coro_naria. un procedimiento e:fl. ~!_C_tla.! un colorante visible.-coñ r.:l:Y()S ?<muestra dónde se ~an estrechado !as luces de_ las arteriaS cOroiia~as- poi' placas"aterosi::lerófiCai Segúñ ¡Qs resultadoS d~ Eisa ¡Jrue~:· er méd'lco ¡Jodría:r&olriend
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Pregunta9;:._·_,?_·:·_;·:·-__- _:.--_-

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s; el ataque cardiaco de Walte; ha ciañ~do _e1J11úsculo de kJ ventrl¡;:Úio lzqu[erdo, ¿qué _cree -que sucederá d:in el volUmen

minufoiztluiett!o! _· . '··

-

••lf··· ~€: fl: :~J. :.:1&:1*B.II?J' Las ramas simpática y parasimpática de la división autónoma influyen en la frecuencia cardíaca mediante un control antagonista (Fig. 14-27 ID). ( iif§ Fig. 6-21). La actividad parasimpática disminuye la freruenda cardíaca, mientras que la actividad simpática la acelera. Normalmente, el control tónico de la frecuencia cardíaca está dominado por la rama parasimpática. Esto se puede mostrar expeñmentalmente mediante el bloqueo de todas las aterendas autónomas al corazón. Cuando se bloquean todas las afe.. rendas simpáticas y paraslmpáticas, la frecuencia de despolarización espontánea del nodo SA es de 90-100 veces por minuto. Para lograr una frecuencia cardiaca en reposo de 70 latidos por mi· nuto, la actividad parasimpática debe disminuir la frecuencia in· trínseca por debajo de 90 latidos por minuto, Se puede lograr un aumento de la frecuencia cardiaca de dos formas. El método más simple es disminuir la actividad parasimpática. Cuando se elimina la influenda parasimpática de las células autorrítmicas, ellas reanudan su freruenda intrínseca de despolarlzadón, y la frecuencia cardíaca aumenta hasta 90-100 latidos por minuto. Thmbién se pueden estimular las aferendas simpáticas para aumentar la freruencta cardíaca por encima de la fre. cuenda intrlnseca. Como se vio antes, la noradrenalina (o la adrenalina) estimula los receptores ~ 1 y acelera la frecuencia de despolarlzadón de las células autorrítmicas, con lo cual aumenta la frecuencia cardíaca. Ambas ramas autónomas también alteran la velocidad de conducción a través del nodo AV. La acetilcolina secretada por las neuronas parasimpáticas hace más lenta la conducción de potenciales de acción a través del nodo AV, lo que aumenta así el retardo del nodo AV. Por el contrario, las catecolaminas adrenalina y noradrenalina aumentan la conduCCión de potendales de acción a través del nodo AV y a través del sistema de conducción.

490

8 corazón como bomba

Capítulo 14 Fisiología carrliovascular

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400 300 200 Estiramiento: Indicado por el volumen de fin de diástole ventricular (ml)

100 135

PREGUNTAS ¿Cuál es el volumen sistó!ico máximo logrado en este experimento? ¿Con qué volumen de fin de diástole se logra primero el volumen sistóftcO máximo?

Gl FIGU{{A 14-28 Re/adanes longitud4utirza del corazón in·

tacto: la curva de Starling En el corazón intacto, el volumen sistólico se utiliza como indi-

cador de la fuerza contráctil.

e::·:~~~~~~~~: : ~v REFERENCIAS

<@.> Centro Integrador

E:B Vla eferente

0 Efector O R~puesta tisular ID FIGURA 14-27 Control reflejo de la frecuenda cardíaca

Múltiples factores influyen en el volumen sistólico

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El volumen sistólico, el volumen de sangre bombeado- por el ventrículo en cada contracción,- eStá directamente relacionado con la fuerza generada por el músculo cardíaco durante una contracción. Normalmente, cuanto mayor eS la fuerza de contrae· dón, mayor es el volumen sistólico. En el corazón aislado, la fuer~ za de la contracctón ventricular es afectada por dos parámetros: la longitud de las fibras cardíacas al inido de la contracción y la contractilidad del corazón. El vOlumen de sangre en el ventriculo al inicio de la contracdón {el volumen de fin de diástole) determina la longitud del músculo. La contractilidad es la capaddad intrínseca de una fibra de músculo cardíaco para contraerse a una longitud determinada y es una fundón de la interacción del Ca2+ con los filamentos contráctiles. las rela_!:iones longitud-tensión y la ley de Frank~Starling en el corazón Como se vio antes en este capítulo, la fuerza creada por una fibra de músculo cardíaco está directamente reladonada con la longitud del sarcómero. Amedida que aumenta la longitud del

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turnen de fin de diástole. E! volumen de.fin de diástole normal-

200

sarcómero ·{hasta una longitud óptima), aumenta l<; fuerza de contracdón. En el corazón intacto, a medida que aumenta el estiramiento de la pared ventricular, también lo hace el volumen sistólico. Si fluye sangre adidonal hada el interior de los ventrículos, las fibras musculares se estiran, luego se contraen más enérgicamente y expulsan más sangre. El grado de estiramiento miocárdico antes de que comience la contracción se conoce como precarga sobre el corazón porque este estiramiento representa la carga que se impone sobre los músculos cardíacos antes de que se contraigan. Esta reladón entre-estiramiento y fuerza en el corazón intacto fue descritá inidalmente por un fisiólogo alemán, Otto Frank. Un fisiólogo británico, Ernest Starling, amplió luego el trabajo de Frank. Starling unió up. preparado corazón-pulmón aislado de un perro a un receptor de modo de poder regular la cantidad de san· gre que retomaba al corazón. Staxling observó que, en ausencia de cualquier control nervioso u hormonal, el corazón bombeaba toda la sangre que le retomaba. La reladón entre estiramiento y fuerza en el corazón intacto se grafica en la curva de Starling (Fig. 14-:.281m). El eje x representa el volumen de fin de diástole. Este volumen es una medida del estiramiento en los ventrículos, lo cual a su vez determina la longi· tud del sarcómero. El eje y de la curva de Starling representa el volumen sistólico y es un indicador de la fuerza de contracdón. El gráfico muestra que el volumen sistólico es proporcional al volumen de fin de diástole. A medida que entra sangre adicional en el corazón, éste se contrae con más fuerza y expulsa más sangre. Esta relación se conoce como ley de Frank-Starling del corazón. Significa que, dentro de los límites fisiológicos, el corazón bombea toda la sangre que le retoma. Volumen sistólico y retorno venoso Según la ley de Frank-Star· ling, el volumen sistólico aumenta a medida que aumenta el vo-

mente está determinado por el retomo venoso, la cantidad de sangre que entra en el corazón desde la drculadón venosa. Tres factores afectan el retomo venoso: 1) la contracdón o compresión de las venas. que retoman sangre al corazón Oa bomba del músculo esquelético), 2) los cambios de presión en el abdomen y el tórax durante la iespiradón Oa bomb·a respiratoria) y 3) la inervación simpática de las :venas. Bomba de músculo esquelético es el nombre dado a las contraedones del músculo esquelético que comprimen las venas (sobre todo en las piernas), las exprimen y empujan la sangre hada el corazón. Durante el ejercido que involucra a los miembros infe. rlores, la bomba de músculo esquelético ayuda a aumentar el retomo de sangre al corazón. Cuando se está sentado o de pie sin movimiento, la bomba de músculo esquelético no ayuda al retornovenoso. Bomba respiratoria es el nombre dado a la aspiradón provocada por el mOVimiento del tórax durante la inspiradón. Amedida que el tórax se expande y el diafragma se mueve hada el abdomen, la cavidad torádca se agranda y genera una presión subatmosférica. Esta presión baja presión disminuye la presión en la vena cava inferior cuando ingresa en el tórax, lo que ayuda a llevar más· sangre a la vena cava desde las venas del abdomen. La compresión de las venas abdominaleS por el contenido de la cavidaá abdominal durante la inspiración colabora con- la bomba respiratoria La combinación de aumento de la presión sobre las venas abdominales y dism.inudón de la presión sobre las venas torádcas au-. menta el retomo venoso durante la inspiradón. La constricción de las venas por la actividad simpática es el · tercer factor que afecta el retomo venoso. Cuando las venas se contraen, su volumen disminuye y exprime más sangre fuera de ellas y hada el corazón. Con un volumen ventricular mayor al inido de la siguiente contracción, el ventrlculo se contrae más enérgicamente, y envía la sangre hada _el lado arterial de la circuladón. De esta forma, la inervadón simpática de las venas permite que el cuerpo redistribuya cierta cantidad de sangre venosa hacia el lado arterial de la drculadón.

La contractilidad está controlada por los sistemas nervioso y endocrino Cualquier sustanda química que afecte la contractilidad se denomina agente inotrópico (ino, fibra) y su influencia se llama efecto inotrópico. Si una sustanda química aumenta la fuerza de contracdón, se dice que tiene un efecto inotrópico poSitivo. Por ejemplo, las catecolaminas adrenalina y noradrenalina y fármacos como el digital aumentan la contractilidad y, por lo tanto, se considera que tienen un efecto inotrópico positivo. Las sustancias químicas con efectos inotrópicos negativos disminuyen la contractilidad. La figura 14-29 0 muestra una curvá de Starling normal Oa curva control) junto con una curva que muestra cambios del volumen sistólico con aumento de la contractilidad debido a la noradrenalina, Obsérvese que la contractilidad es distinta de lareladón longitud-tensión. Un músculo puede mantenerse en una longitud (por ejemplo, el volumen de fin de diástole marcado en el punto A de la figura 14-29} y no obst.ante mostr?I aumento de

491

¡

.

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A

- Volumen de fin de diástole ventricular (mL) ~ PliEGUI\lYA

En el volumen da fin de diástole indicado por el punto A. ¿qué corazón creará mayor fuerza: el corazón control o el corazón bajo

la influencia de !a noradrenalina? FIGURA 14-29 El efecto de la noradrenalina sobre la con~ tractilidad del corazón

111.1

La noradren.:i!ina es un agente inotrópico positivo. la contractilidad. La contractilidad aumenta a medida que aumenta la cantidad de caldo disponible para la contracción. En una época Se creía que la contractilidad era independiente de los cambios de fuerza resultantes de las variaciones en la l~mgitud del músculo (sarcómero), pero ahota parece que el aumento en la longitud del sarcómero también hace que el músculo cardíaco. se vuelva niás sensible al Ca2+, lo que relaciona la contractilidad con la longitud muscular. En la figura 14-30 lill se presenta un mapa del mecanismo por el cual las catecolaminas aumentan la entrada y el almacenamiento de Ca2+ y ejercen su efecto inotrópico positivo. Las moléculas señal se unen a los receptores adtenérgicos ~1 sobre la membrana de las células contráctiles miocárdicas y los activan. Los receptores P1 activados -utilizan un sistema de segundos mensajeros de AMP cíclico para fosforilar proteínas intracelulares específicas ( ii1!! p. 183). La fosforiladón de los canales de Ca2+ regulados por voltaje aumenta la probabilidad de que se abran. Más canales abiertos permiten que entre más Ca2+ en la célula. Las catecolaminas aumentan el almacenamiento de Ca2+ gradas a una proteína reguladora llamada fosfolambano (Fig. 14· 30). La fosforiladón de fosfolambano aumenta la actividad de la Ca2+·ATPasa en el retículo sarcoplásmiéo. La· ATPasa concentra Ca2+ en el retículo sarcoplásmico, lo que deja más Ca2+ disponible para la liberadón de caldo indudda por caldo. Debido a que más Ca2+ dtosólico significa más puentes cruzados activos y a que la fuerza de contracdón es propordonal a la cantidad de puentes cruZados activos, el resultado neto de la estimuladón de las catecolaminas es una contracción más fuerte.

1

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492:

El corazón como bomba

Capítulo 14 FISiología cardiovascular

CÉLULAS TRONCALES O-CÉLULAS MADR!i PARA LA CARDIOPAÚA .

Adrenalina y

-. ·<noradrenali~

-r-seunena

,.-.-~-~-.t... ~------------....

Uno de los aspectos interesantes (y ill~rmantes),de-trairad~l' la investigación cientffica_ 'básica a fa medicina es qti_e a veces los tratamientos funCionan pero nadie sabe por qÜé.'Un-'ej~iiiplo' es el uso

!'----.---· --~ -·_,¡ que activan

r~>,--:~

:_:___SiSiemadeseg1jfldo3 ·' m~-d13cAMP

lo que conduce a /a foslcri/aci6n de

493

contracción. I.a puerta es una carga adicional que el camarero de· be empujar para salir de la cocina. Normalmente, esta carga adi· ctonal es relativamente pequeña. Sin embargo, si alguien deCide gastar una broma y apila los muebles contra la puerta (aumento de la poscarga), el camarero deberá ejercer considerablemente más fuerza al empujarla. De la misma manera, la contracción ventricular debe empujar una carga de sangre a través de una vál· vula semilunar hada las arterias llenas de sangre. Hay un aumento de la poscarga en varias situaciones. patológicas, como en la hipertensión arterial y en el caso de pérdida de capacidad de la distensibilidad de la aorta. Para mantener un volumen sistólico constante cuando aumenta la poscarga, el ven m. culo debe aumentar su fuerza de contracción, lo cual entonces au. menta la necesidad de oxígeno y producción de ATP del múscu. lo. Si el aumen~o de la poscarga se convierte en una sitúación crónica, las células miocárdicas se hipertrofian, lo que conduce a un aumento del espesor de la pared ventricular. Desde el punto de vista clfnico, se utiliza a menudo la presión arterial como indicador indirecto de la poscarga. Otros aspectos de la función ventricular pueden evaluarse de forma no invasiva mediante ecocardiografía, un prOcedimiento basado en el ultrasonido, en el cual las ondas sonoras se reflejan en el tejido cardíaco. Un índice funcional común derivado de este procedimiento es la fracción de eyecctón, o porcentaje del volumen de fin de diástole eyectado con una contracción (volu· men sistólico/volumen de fin de diástole). Según nuestros va. lores estándares para el hombre de 70 kg, la fracción de eyecdón en reposo es de 70 mL/135 mL o 52%. Si el volumen sistólico aumenta hasta 100 mL con el ejercicio, la fraCción de eyecctón aumenta hasta el 74%.

f:~~~~~'rsró_N .. . .. t;J;1,"'J'i33. El orifioo de la válvula aort1ca de un md1V1duo se ha -,;;;·

El FIGURA 14-30 Moduladón de la contracción ~ardíaca por las catecolam;nas

REJÍÜIÓN

~-~~J~j3í. Utilizando.ra 7é!ula m~ocárdica en 1? figura 14-11. como ~:!e-:;-·

Además de aumentar la' fuerza de contracción cardiaca, las catecolaminas también aco~laduración de la contracción. El aumento de la ~az..·ATPasa acelerá la eliminación del Ca2+ del citosol, Por su parte, esto acorta el tiempo en que el eaz.. está ligado a la troponina y disminuye el tiempo activo de los puentes cruzados de miosina. P9r lq tanto; la contracdón·muscuJ.ar es más breve. · U:n mecánismo difereñ.te que aumenta la contractilidad puede dispararse administrando glucósidos cardíacos, una clase de moléculas descubiertas inicialmente en la planta Digitalis pwpwea (dedalera o campanilla púrpúra). Los glucósidos cardíacos incluyen ~gitoxina y el compuesto relacionado ouabatna, una molécula utilizada para inhibir el transporte de sodio en estudios de in· vestigación. Los glucósidos aumentan Ia contractilidad al dismi· nuir la eliminación de eaz. desde el cttosol_(al contrario de las ca~ tecolaminas que acabamos de explicar, que aceleran la _ellm.fua-

dón del Ca2+). Este mecanismo es un efecto farmacológico y no ocurre en ausencia del fármaco. Los glucósidos cardíacos se utilizan desde el siglo xvm como remedio para la insufidenda cardfam, un trastorno patológico en el cual el corazón es incapaz de contraerse con fuerza. Estos fár· macos altamente tóxiCO$ disminuyen la at;tividad de la Na+-K+ATPasa en todas las células, no sólo las del corazón. Con una rus. minudón de la actividad de la Na+-K+.ATPasa, el Na+ aumenta en cl dtosol y el gradiente de concentración para el Na+ a través de la membrana celular disminuye. Esto a su vez disminuye la energía potencial disponible para el transporte activo Indirecto (m p. 144). En la célulá miocárdica, los glucósidos cardíacOs dis· minuyen la capacidad de la célula para eliminar Ca2+ por mediO del intetcambiador Na+-Ca2+, El aumento resultante en el Ca2+ d· tosólica produce contracciones miocárdicas más potentes.

ertrechado, creando un trastorno conoddo como estenosis aórtica. ¿Qué ventriculo es el afectado por este· cambio? ¿Qué sucede con fa poscarga sobre este ventriculo? Respuesta en !a p. 499

modelo, dibUJe una ce!ufa contráctil y muestre como las catecolaminas aumentan fa contractilidad miocár· dica. Respuesta en !a p. 499

El volumen de fin de diástole y la presión arterial determinan la poscarga Muchos de los experimentos que revelaron la relación entre el estiramiento miocárdico y la fuerza contráctil se llevaron a cabo en corazones aislados, En un animal vivo, la fuerza ventricular debe superar la resistencia creada por la sangre que llena el sistema arterial. I.a carga combinada de volumen de fin de diástole y resistencia arterial durante la contracción ventricular se conoce como poscarga. Como analogía, piense en los camareros que llevan bandejas con alimentos a través de una puerta vaivén. La bandeja es lacarga, equivalente a la sangre en los ventrículos al comienzo de la

Los factores que det&mínan el volumen minuto están reSumidos en la figura 14·31 m. El volumen minuto varia con la frecuencia cardíaca y con el volumen sistólico. I.a frecuencia cardíaca está modulada por la división autónoma del sistema nervioso y por la adrenalina. I.a detenninadón del volumen sistólico es más compleja porque el volumen sistólico es una función de una respuesta miocárdica intrínseca 3.1 éstiramiento (la reladón longitud-tensión de la ley de Frank-Starling) ~e interactúa con los cambios mediados adrenérg:lcamente·en la contractilidad. El retomo venoso es un determinante importante del volumen de fin de diástole y de estiramiento. El corazón es un órgano complejo, con muchas partes que pueden funcionar mal. En el capítulo siguiente se examinará cómo el volumen minuto desempeña un papel clave en el flujo sanguíneo. Se estudiarán la hipertensión arterial· y la aterosclerosis, y de qué modo estos trastornos pueden hacer que el corazón falle en su papel como bomba.

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Resumen del capítulo 494

495

Capítulo 14 Fisiología cardiovascu!ar

l VolüMEN -MiNUTo\ esU!la:lndónde

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Freeuencia cardfaca

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determinada p()f

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INTEGRACIÓN YANÁLISIS

las formas relacionadas de una enzima se denominan isozimas o isoenzimas ( !ffi p. 96).

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Aunque las ísozimas son variantes de las mis· mas enzimas, su actividad puede variar bajo di· ferentes condiciones y sus estructuras son ligeramente diferentes. las isozimas del músculo cardíaco y esquelético pueden distinguirse por sus estructuras diferentes.

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4 ¿Qué es fa troponina y por qué las

la troponina es la prote!na reguladora ligada a la tropomiosína ( !!til p. 407}, la unión de Ca 2+ a la troponina desrubre el sitio de unión de la actina para la miosina y permite la contracción.

la troponina es parte del aparato contráctil de

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HECHOS

3 Una forma de creatincinasa se en· cuentra en el múscu_Jo esquelético. ¿Cómo se denominan las formas re-lacionadas de una enzima?

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PREGUNTA

Fuerzadecontracdónoo el miocardio ventricular

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concentraciones de troponína ele-vadas en sangre indicarían daño cardíaco?

-jcontrac~

S ¿Cómo se propagan las señales eléc· Lassenares erecmcas atraviesan las uniones en hendidura de los discos intercalados (~p. 175). tricas de una célula a otra en el miocardio? 6 ¿Qué sucede con la contracción en

una célula contráctil miocárdica si una onda de despolari-zación que atraviesa el corazón la saltea?

PREGUNTA

m! FIGURA 14--31 Factores que afectan el volumen minUto

¿Qué paso!s estáln controlado/s por la ACh? ¿Por la noradr
7 ¿Qué hará un betabloqueante con

la frecuencia cardlad! de Walter? ¿Por qué es útil esa respuesta después de un infarto? 8 Si el ventrículo de! corazón está da-

·· INFARTO DE MIOCARDIO la angiografía dE: Wa!ter inostró dos arteñas bloqueadas, que fueron rePermeaómzadas _rriediáilte-arigiopl~stla_Con_ba!ón. ~~volvió a su hogar·co!Í inrtrúcdcines de su médico· para que modificara su -estilo de vida, induyerido dieta, ejercido regular Yabandono del háb~o de fumar. Como parte del seguimiento, waJter realizó un estudio por imágenes _de perfusión mio_cárdicaS, en _el cual se le aáministró talio radiaCtivo_. !.,a distribución de talio en el cor'azón es.

un indicador del flujo sanguíneo al músculo cardiaco. En este Tema Relacionado, usted aprendió algunas té01icás actUal~s para el diagnóstico y el tratamiento de los inf~rtos. También aprendió que muchos de _estos tratamientos dependen de la rapidez de su instaur~ción para que funcionen eficazmente. Controle SÚ"compfensión de la flsio!o!Jfa comparando sus reSpuestas con _la información del resumen.

.• f!ÉCHÓS ,· P~EGUNTA '¿Por _qUé ei mé~icc(!e 'adtninistió 0il9e-· ·.--E_!_ inéditO _sospeCha que Wa!ter ha sufrid~ url , -no a Waltei-?-, · i!]fario de miocardio. Puede haber una falta -'de flujo sanguíneo y aporte de oxigeno a su .'-mús'c:i.i!O card!.:ico. 2 ¿Qué ~o tendrlala administra~iói-t in·· Uha SdiU~¡¿¡, isotÓnica es aquena que no trav~nosa _.d_e .SQiuo<Jn -~una_ isotónicá_· SQ-'. ·RIO_difi_Cá; e:r ~_O_Iunien ce"!ulár ( S_ p. 157). la : __brúi v~~~~e~-_de lfQuÍdo ,~cicelu_l_a:r'_::.· -~luÓón_-saHna {NaCO isotónica es isosmótica · .:d~W~tt~rJ_ÍSobré-~fyOI~~er . d~ _llqUid~ éoñ _resPecto al cuérpo. ·. Intra,_é~iu!~r? ¿Sobre su" osinotaridad Cor~ ,. · · · ·pora!t&tal? · ·

ñado, ¿en qué onda u ondas del electrocardiograma esperaría ver cambios anormales?

9 Si e! ataque cardiaco de Walter ha

dañado el músculo de su ventrículo izquierdo, ¿qué aee que sucederá con su volumen minuto izquierdo?

Por Jo tanto, un betabloqueante disminuirá !a Un beta bloqueante es un antagonista de los receptores ~ 1 -adrenérgicos. la activación de los frecuencia cardiaca y reducirá_ la demanda de oxígeno.las células que' necesitan menos oxí· receptores~~ aumenta !a frecuencia cardíaca. geno tendrán menor probi:lbi!idad 'de morir si su aporte de oxigeno disminuye. la onda P representa la despolarización auricular. El comp)ejo QRS y la onda T representan la despolarización y repolarizadón ventricular, respectivamente.

Es muy probable que el' complejo QRS y la on·

da Tmuestren cambios después d!'l un infario. los cambiOS indicativOS de daño i11iocárdico induyen el agrandamiento de la olida Q, el desplazamiento del segmento ST fuera de la lfnea basal (elevado o deprif!Jido) y la inversión de la ondat ~

"=--·--·---

E! volumen minuto es.igual a! volumen sistólico Si el miocardio ventñcular se ha debllitado, el volr.u1en sistólico· puede disininuir. A su vei, la por la frecuend~ cardiaca. disminución del volumen sistólico disminuye el volumen minuto.

.!é

Si el corazón no e~ bombeando sangre efi· cazmente, és posible que el cerebro no' reciba el oxigeno suficiente. La adniinistradón de oxfgeno elevará la catÍtidad Q~e l!e'ga tanto al corazón como al cerebro.

na

las células del corazón están conectadas eléc· tricamente mediante uniones en hendidura.

la despolarización en una célula muscular es la Si una célula miocárdica no es despolarizada, señal para la contracción. no se contraerá. la falta de Contracción crea una región no fundonante de músculo cardiacoy deteriora la función de bombeado del co-razón.

INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS

El vo!umenextraCelulai aumentará ¡jorque toda la sóiüción' san adrriinistáJda se man·_ tendrá en eSe compartimento. El volumen intracelular y ta osrilo!arídad corpOral tOtal no· cambian.

la célula muscular. Si la troponina escapa de la célula y entra en la sángre, es una indicación de que la célula está dañada o muerta.

................. ....-.·---. .. ,,,-.... ........ .. RESUMEN DEL CAPÍTUlO

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...........,.........................,..

---~

El sisteina cardiovascular ejemplifica muchos de los temas básicos de la fi· s!ología. La sangre fluye a travéS de vasos como resultado de Ja presión ele· vada genmda durante la contracción ventricular (flujo de nwsas). La circu· ladón de sangre proporciona una vía esendal pata la comuniC
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ción miocárdica, al igual que la contracción del músculo esquelético y del músculo liso, demuestra la importancia de las interacciones moleculares, el uso de /a energía biológica y las propiedades mecánicas de las células y los te· jidos. Este capítulo también presentó los sistemas de control en la fisiología cardiovascular, tema que será ampliado en el capítulo siguiente.

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496

Preguntas

Capítulo 14 Fisiología cardiovascu!ar

Aspectos generales del aparato cardiovascu/ar Revisión anatómica: el corazón 1. El aparnto cardiovascular humano está formad6 por un corazón

que bombea sangre a través de un Sistema cerrado de vasos sanguíneos. (p. 457; Flg.I+I) 2. La fundón primaria del aparato cardiovascu!ar es el transporte de nutrientes, agua, gases, desechos y señales químicas hada y desde todas las partes del cuerpo. (p. 458; cuadro 14-1) 3. Los vasos sanguíneos que transportan sangre desde el corazón se denominan arterias. Los vasos sanguíneos que retoman la sangre hada el corazón se denominan venas. Las válvulas del corazón y las venas aseguran el flujo sanguíneo unidirecCional. (p. 458; Fig. 14-1) 4. El corazón está dividido en dos aurículas y dos ventrículos. (p. 459; Fig.I4-1)

S. La circulación pulmonar se dirige desde el lado derecho del corazón hada los pulmones y retorna aliado izquierdo del corazón. La ctrculactón sistémica se dirige desde el lado izquierdo del corazón hada los tejidos y retoma al lado derecho del corazón. (p. 460; Flg. 14-1)

20. Los potenciales de acción de las células contráctiles miocárdicas tienen una fase de despolarización rápida debida' a la entrada de Na•, y una fase de repolarizadón empinada debida a la salida de K~. mpotendal de acción tiene también una fase de meseta creada por la entrada de Ca1+. {p. 473; Fig. 14-13} 21. Las células miocárdicas autorritmicas tienen un potencial demembra· na inestable denominado potencial de marcapasos. El potencial de marcapasos de debe a los canales Ir que pennlten !a entrada neta de una carga positiva. (p. 474; Fig. 14-15) 22. La fase de despolariZación empinada del potencial de acción de lasxélulas autorrltmicas es produdda por la entrada de Ca1+. La fase de repolarizadón se debe a la salida de K\ (p. 474; Flg. 14-15) 23. La noradrenallna y !a adrenalina actúan sobre los ~ptores ~1 acele· tando la velocidad de despolarlzadón del maiCapasos y aumentando la frecuenda cardiaca. La acetilcolina activa los receptores muscarinicos y hace más lenta la frecuencia cardiaca (p. 475; Fig. 14-16)

El corazón como bomba Sistema de conducción intrlnseca

Presión, volumen, flujo y resistencia 6. La sangre fluye según un gradiente de presión(@), desde el sitio de

presión más alta en !a aorta y las atterias hada el de presión más baja en las venas cavas_ y las venas pulmonares. (p. 460; Fig. 14-2) 7. En un sistema en el cual el liquido fluye, la presión dl.smlnuye en fun. dónde la distanda. (p. 461; Fig. 14-3) 8. La presión _creada cuando los ventrículos se contraen se denomina presión motriz del flujo sanguineo. (p. 462) 9. La resistencia de un liquido que fluye a través de un tubo aumenta a medida que aumenta la longitud del tubo y la viscosidad (espesa· miento) del líquido, y a medida que el radio del tubo disminuye. De estos tres factores; el radio tiene el efecto mis importante sobre la resistencia. (pp. 462--463) 10. Si la resistencia aumenta, la velocidad del flujo disminuye. Si la resistenda disminuye, la velocidad del flujo aumenta. (p. 462; F!g. 14-5) 11. El flujo del líquido a través de un tubo es proporcional al gradiente de presión (M'). El g¡adiente de presión no es lo mismo que la presión absoluta en el sistema. (p. 462; fig. 14-4) 12. El caudal es el volumen de sangre _que pasa por-un punto del sistema por unldad de tiempo. (p. 464) 13. La velocidad de flujo es la distanda que recorre un volumen de sangre en un periodo dado. Con un caudal constante, la velocidad de flujo a través de un tubo pequeño es mayor que la velocidad de flujo a través de un tubo más grande. (p. 464j Fig. 14--6)

1

Músculo cardíaco y corazón Potendal de acdón cardiaca 14. mcorazón está compuesto priJldpalmente por músculo cardíaco, o miocardio. La mayor parte del músculo cardíaco es músculo estriado. (p. 465; '~· 14-1h)

15. La señal para la contracción se ortgina en células autorrítmicas en el cozazón. Las células autorritmicas forman parte del miocardio no conttáctil. (p. 470) 16. Las células miocárdicas están conectadas entre ellas por discos intercalares que. contienen uniones en hendidura. Las uniones permiten que la despolarización se propague rápidamente de una célula a otra. (p. 470; Fig.14-10) 17. En el acoplamiento excitactón-eontracción de la célula conttáctll, un potencial de acción abre los canales de cau. La entrada de cau en la célula -dispara. la llberadón de cau adicional desde el retículo sarcoplmnico por una liberación del eau inducida por caldo. (p. 471; Ftg.14-11) 18. La fuetta de contracción dcl músculo cardíaco puede ser escalonada dependiendo de ruánto entra en la célula. (p. 471) 19. Amedida que aumenta la longitud inicial de la fibra musru!ar, la fuer. za de contracción aumenta. (p. 472; Fig. 14-12)

eau

24. Los potenciales de acción se originan en el nodo sinoatrial (nodo SA) y se propagan Jápldaroente de una célula a la otra en el corazón. Los

potenda!es de acción son seguidos por una onda de contracción. (p. 477; Fig. 14-17) 25. La señal eléctrica se mueve desde el nodo SA a través de la via inter-

nodal hasta el nodo atrloventrlcular o auriculoventrieular (nodo AV) luego hada el haz AV de His, las ramas fascículares, las fibras de Purkiuje terminales y las células contráctiles mioclrdlcas. (p. 477; Fig. 14-18) 26. E! nodo SA establece la marcha del latido cardíaco. Si este nodo fundona mal, otras células autorrltmlcas ·en el nodo AV o los ventriculos toman el control de la frecuencia cardíaca. (p. 479) 27. Un electrocardiograma (ECG) es un registro en !a superfide corporal de la actividad eléctrica del corazón. l.a onda P representa la despo.larizadón auricular. El complejo QRS representa la despolarización ventricular. la onda T representa la repolartzación ventricular. La repolartzadón auricular está incorporada en el complejo QRS. (p. 480; Flgs. 14-20, 14-21) 28. mECG proporciona informadón sobre frecuencia y ritmo cardíaco, velocidad de conducción y el estado de los tejidos cardiacos. (p. 481)

El ddo cardiaco 29. Un ciclo cardíaco incluye un ddo de contracción y relajadón. La sístole es la fase de contracción; la diástole es la fase de relaji!-dón. (p. 484; Hg. 14-24) · 30.l.a. mayor parte de !a sangre entra en los ventrículos mientras las auóculas están relajadas. Sólo e\20% del llenado ventricular en reposo se debe a la contracción auricular. (p. 484) 31. Las válvulas AV Impiden el flujo retrógrado de sangre a las aurículas. Las vibraciones que siguen al cierre de las válvulas AV crean el primer ruido cardíaco. (p. 485; Figs. 14-9, 14-24)

32. Durante la contracción ventricular isovOlumétrica, el volumen de sangre ventricular no se modifica pero la ¡}restón aumenta. Cuando la presión ventricular excede la presión arterial, las válvulas semiluna· res se abren y la sangre es eyectada a las arterias. (pp. 485486; Flgs. 14-9, 14-24)

33. Cuando los ventriculos se relajan y la presión ventricular cae, las válvulas semilunares se cierran, creando el segundo ru14o cardíaco. (p. 486; figs. 14-9, 14-24) 34. La cantidad desangre bombeada por un ventriculo durante una contracción se conoce como volumen sistólico. (p. 487; Flg. 1-4-25)

Volumen minuto 35. El volumen minuto es el volumen de sangre bombeado por el ventricu-lo por unidad de tiempo (un minuto). Es igUal a la frecuencia cardía-

ca por el volumen SiStÓlico. El volumen minuto promedio en reposo es de 5 L/mln. (p. 489)

36. Los camb!_os homeostáticos en el volumen minuto se logran variando fremencta cardíaca, volumen sistólico o ainbos. (p. 493; Fig. 14-31) 37. La actividad paraslmpátlca hace más lenta la frecuencta cardíaca; la actividad simpática la acelera. (p. 489; Fig. 14-27) 38. La ley de Frank-Starling dice que un aumento en el volumen de fin de diástole produce un volumen sistólico mayor. (p. 491; Fig. 14-28) 39. La adrenalina y la noradrenalina aumentan la fuerza de contracción del miocardio cuando se unen a los receptores ~~ adrenérgicos. También acortan la duradón de la contracción cardíaca. (p. 491; Fig. 1-430)

40. El volumen de fin de diástole y la precarga están determinados por el retomo venoso. El-retomo venoso se ve afectad~ por las contracdo-

497 ·

nes del músculo esquelético, la bomba respiratoria y la constriCción de las venas por !a actividad simpática {p. 491) 41. La .contractilidad del corazón aumenta con catecolaminas y ciertos fármacos. Se dice que las sustanCias químicas que alteran la contractilidad tienen un efecto inotrópico. (p. 491; fig. 14-29) 42. La poscarga es !a carga que debe superar el wntrículo cuando se con· trae. La poscarga refleja la precarga y el esfuerzo necesario para empujar la sangre hacia el sistema arterial. La presión arterial media es un indicador clínico de poscarga. (p. 493} 43. La fracción de eyecclón, porcentaje del volumen de fin de diástole eyectado con una contracción (volumen sistólico{volumen de fin de diástole), es una medida para evaluar la función ventricular. {p: 493)

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PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. ¿Qué contrlbudones hizo cada una de las siguientes personas al conocimiento del aparato card!ovascular? a) Wllliam Harvey b) Otto Frank y Emest Starling e) Marceno Malplghl 2. Mendone tres fundones del aparato cardiovascular. 3. Coloque las siguientes estructuras en el orden en el ru
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e) válvula entre !a aurícula izquierda 8. válvula bicúspide y el ventriculo izquierdo 9. endotelio f) arteria prindpal de la drculadón 10. miocardio sistémica 11. pericardio g) capa muscular del corazón 12. válvula semilunar h) extremo estre<:ho del cor.lZ6n; 13. válvula tricUspide apunta hada abajo 14. ventrículo i) válvula con músculos papilares j) cámaras superiores del corazón 10. ¿Qué eventos producen los dos ruidos cardíacos principales? 11. ¿Cuál es el término correcto para cada uno de los siguientes? a) cantidad de contracciones cardíacas por minuto b) volumen de sangre en el ventrículo antes de que se contraiga e! «>món

e) volumen de sangre que entra en la aorta con cada contracción d) volumen de sangre que abandona el corazón en un minuto e) volumen de sangre en la totalidad del cuerpo

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 12. Mapas de los. conceptos:

a) Confeccione un mapa que muestre e! flujo sanguíneo a través del corazón y el cuerpo. Marque tantas estructuras como conozca. b) Confeccione un mapa para el control del volumen minuto utilizando los siguientes términos. Usted puede agregar términos ad!donales. ACh frecuencia cardíaca médula supradrenal relación longitud·tensión receptor mu,scarinico · células autonitmicas noradrenalina receptor~ 1 neuronas parasimpáticas Ca" liberación de Ca2• indudda bomba respiratoria por caldo volumen minuto bomba de músculo esquelético miocardio contráctil volumen sistólico contractilidad neuronas simpáticas fuerza de contracción retomo venoso 13. Mencione los acontecimientos del ddo cardíaco en seruenda, co-menzando con la diástole auricular y ventricuJ¡u; Anote cuándo las válvulas se abren y se cierran. Describa qué sucede con la presión y el flujo sanguíneo en cada cámara en cada paso de este ciclo. 14. Compare y contraste la estructura de una célula muscular cardíaca con la de una célula de músculo esquelético. ¿Qué propiedades singulares del músculo cardíaco son esenciales para esta función? 15. Explique por qué las contracdones del músculo cardíaco no pueden mostrar suma ni tétanos. 16. Correladone las ondas de un ECG con los eventos mecánicos en las aurlcu!as y los ventrlculos. ¿Por qué existen sólo tres eventos eléctricos pero cuatro mecánicos?

1

498

Capítulo 14 Fisiología cardiovascu!ar

Respuestas 17. Relactone los siguientes mOVimientos iónicos con la fase apropiada. Puede aplicarse más de un movimiento Jónico a una fase. Es posible que no se utilicen algunas opciones. a) fases de crecimiento lento de 1. K• desd~-el.liquido extracelular al liquido las células autorrítmícas b) fase de meseta de las células intracelular 2. K+ desde el líquido contráctiles e) fase decreciente rápida en intracelular al líquido las células contráctiles extracelular d) fase creciente rápida de. las

3. Na• desde el líquido

células autorrítmicas extracclular al líquido e) fase de calda rápida de células Intracelular contráctiles · 4. Na+ desde el líquido f) fase de calda de las células intracelular al líquido autorrltmicas extracelular g) connacdón rlel músculo cardíaco S. Ca2+ desde el líquido h) relajación del músculo cardíaco fxtracclular al líquido inttacelular 6. ea a. desde el líquido intracelular al líquido extracelular 18. Mencione y explique brevemente cuatro tipos de información que proporciona un ECG acerca del corazól)., 19. Defina efecto inotrópico. Mendon¡¡ dos fármacos que tienen un efecto inotrópico positivo sobre el corazón.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 20. Dos fármacos utilizados para reducir vohnnen minuto son los blo· queantes de los canales de caldo y los betabloqueantes. ¿Qué efecto

tienén estos fánnacos sobre el corazón que explica cómo disminuye el volumen minuto? 21. El capitán de policíajeffers ha sufri_do un infarto de miocardio. (a) Explique a su familia (con una orientadón no médica) lo que le ha sucedido a su corazón.

1

Cuando usted analizó su ECG, nombró varias derivaciones diferentes, como !a I y la m¿Qué son las derivaciones? e) ¿Por qué es posible registrar un ECG sobre la superfide cotpora! sin acceso directo al corazón? · 22. ¿Qt.¡é podría producir un Intervalo PRmás largo de lo normal en un ECG? 23. El siguiente párrafo es un resumen de un artículo de un diario: Un nuevo trafilmiento para la fibri/adáu auricular debida a una frecuencia excesivamente rápida en el nodo sinoatrial induye un pulso eléctrico de al· to voltaje administrado en el nodo AV para ~estruir sus células autorrítmicas. Luego se implanta al paciente un marcapa.ros ventricular. Explique brevemente el fundamento fisiológico para este tratamiento. ¿Porqué una frecuencia de despolartzadón auricular rápida es pe· llgrosa? ¿Por qué el nodo AV se destruye en este procedimiento? ¿Por qué debe implantuse un maxcapaso? (b)

¡,¡,,

NWEL 4: PROBLEMAS ANALITJCOS 24. El capitán de polida Jeffers de la pregunta 21 tiene una fracción de eyecdón (volumen sistólico dividido por volumen de fin de diástole) de sólo 25%. Su volumen sistólico es de 40 mL/latido, y su frecuencia cardíaca es de 100 Jatidos/min. ¿Cuáles son su volumen de fin de diástole, volumen sistólico y volumen minuto? Muestre sus cálculos. 25. Si 1 cm Hp =0,74 mm Hg: a) Convierta una presión de 120 mm Hg en cm H¡¡O. b) Convierta una presión de 90 cm 1\0 en mm Hg. 26. Calcule el volumen minuto si el volumen sistólico es de 65 mL/latido y la frecuencia cardíaca es de 80 latldos/min. 27. Calcule el volumen de fin de sístole si el volumen de fin de diéstole es de ISO mL y el volumen sistólico es de 65 mL/Iatido. za. Una persona tiene un volumen sanguíneo total de S L. De este total, dé por sentado que la circulación sistémica es de 4 Ly ha:y 1 L en la circulación pulmonar. Si la persona tiene un volumen minuto de 5 Umln, ¿cuánto tiempo tardará a) una gota de sangre que sale del ven· trículo izquierdo en retomar al ventriculo izquierdo y b) una gota de sangre desde el ventriculo derecho al ventriculo !zqulerdo?

RESPUESTAS

a/Respuestas a las preguntas de revisión

Página 460 l. Un sistema cardiovasrular tiene tubos-(vasos), líquido (Sangre) y una bomba (corazón). · Z. a) La circulación pulmonar lleva !a sangre-hada los pulmones y la trae desde ellos; la ciD:uladón sistémica l!eva la sangre hada el resto del cuerpo y la trae rlesde éL b) Una arteria-lleva la sangre desde el corazón¡ una vena lleva la sangre hada el corazón. e) Una aurícula es una cavidad del corazón superior 'que recibe la sangre que entra en el corazón¡ un ventrículo es una ~vidad cardiaca inferior que bombea la sangre hada ~ del corazón. · Página464 3. El g¡adiente de presión es-más importante. 4. El tubo inferior tiene el fl\ljo mayor porque tiene el mayor g¡adiente de presión (50 mm Hg versus 40 mm Hg para el tubo superior). 5. El tubo e tiéne el flujo máximo porque tiene el radio más grande de los OJatro tubos (menos resiStencia) y la longitud más corta (menos resisrencia). (El tubo B tiene el mismo radio que el tubo e pero una longitud mayor y por lo tanto ofrece mayor resistencia al flujo.) El tu· bo D, con !a máxima resistencia debida a una longitud mayor y un radio estrecho, tiene el flujo más bajo. Página464 6. Silos conductos son de tamaño Idéntico y por lo tanto idénticos en área transVersal A, el conducto con velocidad de flujo v mayor tiene el caudal qmayor. (A partir de la ecuación 7, Q = vx A.)

14. Si los canales de Na• son bloqueados con lidocaina, la célula no se despolarizará y por !o tanto no se contraerá. Página475 15. La permeabilidad crectente de K• hiperpolartza. el potendai de mem. brana. Página477 16. Los canates de Ca2• en las células autorrltrnicas no son iguales a los de las células conttáctiles. Los canales de caz~ autonítmlcos se abren rá· pidamente cuando el pot61dal de membrana alcanza alrededor de -50 mV y se cierran OJando alcanza alrededor de +20 mV. Los canales de Ca2• en !as células contráctiles son más lentos y no se abren hasta que la membrana se ha despolarizado por completo, 17. Si se aplica tetrodotoxlna a una célula autorrítmlca miocárdÍca, nada sucederá porque no hay canales de Na• regulados por voltaje en la cé·

Página470 7. El tejido conectivo no es excitable y por lo tanto es incapaz de con· ducir potendales de acdón. . 8. Vena cava superior_,. aurfcula derecha--) válvula tricúspide (AV detecha) _,. ventriculo derecho_,. válvula puhnonar (semilunar dere· cha) _,.tronco pulmonar--) vena pulmonar_,. aurícula iZquierda--) válvula mlttal (bicúspide, AV izquierda) _,. ventriculo izquierdo _,. válvula aórtica (semilunar izquierda) _,. aorta 9. Las válvulas AV impiden el flujo retróg¡ado de sangre. Si una falla, la sangre entra nuevamente en la aurlcula. Página411 10. A partir de este experimento, es poSible llegar a la concluSión de que las células mlocárdicas necesitan_ caldo extracelular para la contracción pero las células de músculo esquelético no lo necesi-

""·

Página472 11. Si todos los canales de calcio en la membrana de !a célula muscular están bloqueados, no habrá contracción. Si sólo algunos están bloqueados, la fuerza de contracción será menor que la fuerza creada con todos los canales abiertos. Página474 12. La entrada de Na• produce despolariZación neuronal y la salida de K• produce repolartza.dón neuronaL 13. El período refractario representa el tiempo necesario para que las com· puertas de los canales de Na~ se reconfiguren {la compuerta de activa· dón se derra, la compuerta de lnactivación se abre).

18. El corte del nervio vago hizo que la frecuencia cardíaca aumentara, de modo que el nervio debe contener fibras parasimpáticas que hacen más lenta !a frecuenda cardiaca. Página 480 19. El nodo AV conduce potenciales de acción desde las aurículas a los ventrículos. También disminuye la velocidad con la cual se conducen estos potendales de acción, lo que permite que la contracdón auricu. lar termine antes de que comience la contracdón ventriOJiar. 20. El nodo sinoatrtal está en la parte superior de la aurícula derecha. 21. El marcapasos más rápido regula la frecuencia cardíaca, de modo que la frecuencia cardiaca aumenta hasta IZO Jatldos/min. Página484 22. En la figura 14·Z3b no existe ninguna asoctadón regular entre las on· das Py los complejos QRS (el segmento P·R varia en longitud). Notodas las ondas P tienen un complejo QRS asedado. Tanto las ondas P como los complejos QRS aparecm a intervalos regulares, pero !a fre. cuencia auricular (ondas P) es más ráplda que la frecuencia ventricular {complejos QRS). En {e) existen ondas Ridentificables pero ninguna onda P. En (d) no hay ninguna onda reconocible, lo que indica que las despolarizadones no están siguiendo la vía de conducción nor=1. 23. Comenzando a la izquierda, las ondas son P, P, QRS, 1; P, P, QRS, T, P, P, P, etc. Cada onda P que no es seguida por un complejo QRS sugiere un bloqueo de la conducción intermitente en el nódulo AV. Véase también figura I4-23b. Página484 24. La aurícula tiene menor presión que las venas cavas. Página486 25. a} ventriculo, b) ventrículo, e) aurícula, d) ventriculo. 26. a) eyecctón ventricular, b) contracción ventricular isovolumétrica y eyecdón ventricular, e) desde la relajadón ventricular isovolumétrica hasta que comienza nuevamente !a contracción ventricular Página487 27. El volumen de fin de diástole ocurre en el paso 3, y el volumen de fin de sístole ocurre en el paso 5. za. a) E, b) A, e) D, dJ B, e) e, f) F 29. La presión auricular aumenta porque la presión sobre la válvula mi· tral empuja la válvula hada atrás hada la aurícula, disminuyendo el volumen auricular. La presión auricular disminuye durante la porción inidal de la sístole ventricular a medida que !a aurícula se relaja La presión luego aumenta a medida que la aurícula se llena con sangre. La presión auricular comienza a disminuir en el punto D, cuando la válvula mitra! se abre y la sangre fluye en los ventrículos. 30. La presión ventricular sube OJando los ventrículos se contraen sobre un volumen fijo de sangre. Págiua489 31. Después de 10 latidos, la circulación pulmonar habrá ganado 10 mL de sangre y la drculadón Sistémica habrá perdido 10 mL.

499

Página 493

32. Su dibujo debe mostrar un receptor ~~ sobre la membrana celular que activa el AMPcintracelular, el que debe tener dibujada una flecha ha· cia los canales de Ca2• sobre el retículo sarcoplá.smico. Los canales abiertos deben mostrar cómo aumenta el Ca2• citoplasmático. Una se. gunda flecha debe ir del AMPc hasta la Ga2•·ATPasa sobre el retículo sarcoplásmico y la membrana celular, lo que demuestra un aumento de la captadón en el retículo sarcoplásmico y un aumento de la eliminación de CaZ• desde la célula. Página493 33. La válvula aórtica se encuentra en el ventriculo izquierdo. Una váJvu. la aórtica estenótica aumentará la poscarga sobre el ventriOJ!o. -

Respuestas a las preguntas de figuras y gráficos Página 475 Figura 14-15: La fase 2 {la meseta) del potencial de acción de !a célula contráctil no tiene ningún equivalente en el potencial de acción de las célu· las autorrftmicas. La fase 4 es aproXimadamente equivalente al potencial del marcapasos. Ambos potendales de acción tienen fases crecientes, pi· cos y fases decrecientes. Página481 Figura 14-20: La frecuencia cardiaca es de 75latidos/mln o de 80 latidos/min, según cómo se la calcule. Si usted utiliza los datos de un picoR al siguiente, el int€rvalo de tiempo entre dos picos es de 0,8 s. Por lo tanto, 1 latido

60s

- ' -=75 !atldos/min o,ss 1 min

Sin embargo, es más preciso calOJlar !a frecuencia utilizando varios segun· dos del trazado del ECG en lugar del intervalo RR porque los Intervalos entre los latidos pueden variar. Si usted comienza contando en la primera onda Rde la parte sup~or del gráfico y observa 3 segundos hada la derecha habrá 4latidos en ese periodo de tiempo, lo que significa: 4 latidos

"''

X

60seg 1 min

- - = 80 latidos/min; .

Página 487 Figura 14-ZS: Relación entre segmentos y eventos, a) C ~ D, b) B~e, e) 0--¡A,d)A-)B. Re!adón entre eventos y puntos: a) e, b) A, e) D, d) B. Pág!na490 Figura 14-28: El volumen sistóliCo máximo es de unos 160 mL/Iatido, que se alcanza cuando el volumen de fin de diástole es de unos 330 rnL Página491 Figura 14·29: En·el punto A el latido bajo la influenda de la noradrenali· na tiene un volumen siStólico mayor y por lo tanto tiene más fuerza. Página494 Figura 14-31: La frecuencia cardíaca es el único parámetro controlado por la ACh. La noradrenalina controla la frecuencia cardiaca y la contractiJi. dad. El nodo SA tiene receptores muscarínicos. El nodo SA y el miocardio tienen rereptores ~ 1 .

1

Flujo sanguíneo y control de la presión arteria!

.

flujo sanguineo y control de la presión arterial Vasos sanguíneos 502 502

Los vasos sanguíneos contienen músculo liso vascular las arterias y las arteriolas transportan la sangre fuera del corazón 503 El intercambio entre la sangre y el líquido intersticial se produce en los capilares 503 El flujo sangufneo converge en las vénulas y las venas 504 La angiogénesis crea vasos sangulneos nuevos

Presión arterial SOS La presión sangufnea sistémica es máxima en las arterias y mínima en las venas 506 la presión arterial refleja la presión motriz del flujo sangufneo 506 la presión arterial se mide con un esfigmomanómetro 507 El volumen minuto cardíaco y la resistenda periférica determinan la- presión arterial media 508 Los cambios en el volumen sanguíneo afectan la presión arteri~l ·

.

.''Doctor, 'estoy fuerte éOrrio_ Un· rOblé~. dijo: Carlos Roc!riSueZ, de_S6 ~-~~s, d~rante su eXamen ffsic;? anual;_ "~C?_(¡uiero háterle ~_rder_ tiempo. Terminemos con esto_;~: ~ero para el ~octor Arturo ~ortez. carros no era la ilnagen :de la salud:__tenra un sobrepeSo-de -~"C?S -15 kg. _cuando el doctor re· p:reguntó_ ~bre_stJ di_eta• él cespon~~: _~au,e; ~o, me gusta cOiner.~ ¿Ejerpdó_7 -~-¿~Íén tiene tje_ITÍ_~r~_.~pQíéiió­ Carlos. El d()r;tor ~o-~:CoroQ$ ~ ina_ijflutt_~--d-~ presi_óri: airé(iettor·ae_r

~razo de su paderite yregistró_ f<J _pr;si6?_artf_~_r. _~su ~resÍó~·=E!s-~~ ~-: 164/too~. dijo el dodor;·•ra: Vo!Vefetn0s_a_-ti~á~·en _ 15_m'in~-:~ _st _:

gue elevada, vaiJ~OS a ten~r',c¡li~_(fi_~_i[ a!gU~~-~e_ma~Ú! ~-~llfe.~: l_llirb al doctor p~ad~.- ~Pero,: icÓmÓ puede-~-~~~ arta:nii ~iói1 arterial? ¡Me sientO bienl","i:!Xdamó. ::.._. :, -_·¡ __ ~-~<< ·:....

ti ,.·. . . . . . . . . . . . . . . . ..

l? ~ ~i~Hrr:~ ~~1(lsit;l!i ·

501

Antonio estaba seguro de que iba a ser médico, hasta el dia en que estudiaron los tipos de sangre en el laboratorio de fisiología. Cuando la aguja punzó la punta de su dedo yél vio la gota de sangre, el cuarto comenzó a girar y todo-se volvió negro. Cuando se despertó, muy avergonzado, vio a sus compañeros y a su profesor inclinados sobre él. Antonio sufrió un síncope vasavagal (desmayo común o lipotimia}, que es una reacción emocional benigna frecuente ante la vi· sión de la sangre, agujas hipodénnicas u otras imágenes que alte-ran a una persona. En condiciones normales, la regulación homeostática del aparato cardiovascular mantiene un flujo sanguíneo adecuado (perfusión) en el corazón y el encéfalo. En el síne
Arterias elásticas~---_

Resistencia en las arteriolas 510

La autorregulación miogénica ajusta el flujo sangurneo de manera automática

511 513

Las secreciones paracrinas alteran la contracción del músculo liso vascular La rama simpática controla la mayor parte del músculo liso vascular

Distribución de la sangre hacia los tejidos 516 517 517

1

''"

radio variable

Intercambio en los capilares La velocidad del flujo sangulneo es mlnima en los capilares la mayor parte del intercambio en los capilares se produce por difusión y transdtosis La filtración y. la absor~ión capilar se producen por flujo global

Jnlel'cambio

Sistema linfático

+-\ w )-.::-" con !as células

520 . El edema se produce debido a alteraciones del intercambio capilar

Regulación de la presión arterial 521 ·523

El reflejo barorreceptor es el control homeostático primario de la presión arterial la hipotensión ortostática diSpara el reflejo barorreceptor

Enfermedad cardiovascular LOS factores de riesgo de eñfermedad cardiovas
525

00 FIGURA 15-1 Modelo fundonal del aparato cardiovascular

El corazón funciona como dos bombas dispuestas en serie. Las arterias sistémicas constituyen un reservorio de presión que mantiene el flujo sanguíneo durante la relajación del ventriculo. En las arteriolas, que se muestran con tornillos ajustables que representan su radio variable, se produten las modificaciones de la resistencia. El intercambio entre la sangre y las células sólo se prodUce en los capilares.

502

Vasos sanguíneos

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial quido intersticial y las célillas del organismo. En el extremo distal de los capilares, la sangre fluye hada el sector venoso de la circulación y desde aiji regresa a las cavidades cardiacas derechas del corazón. El flujo sanguíneo total que atraviesa el aparato circula-_ torio es igual al volumen minuto. Por ejemplo, si el volumen minuto cardíaco es 5 L!minuto, el flujo sanguíneo que atraviesa todos los capilares sistémicos también es 5 L/minuto. De la misma manera, el flujo sanguíneo que drcula por la porción pulmonar de la circulación es igual al flujo sanguíneo de la circulación sistémica.

El intercambio entre la sangre y el liquido interstidal se produ~ en los capilares

VASOS SANGUiNEOS

rn FIGURA 15·2 Estructura del vaso sangufneo

Las paredes de los vasos sanguíneos están compuestas por capas de músculo liso, tejido conectivo elástico y tejido ~onectivo fibroso (Fig. 15·2 B). la capa interna de todos los vasos sanguíneos es una lámina delgada llamada endotelio, un tipo de epitelio. Durante años se· creyó que el endotelio era sólo una barrera pasiva, pero en la actualidad se sabe que las células endoteliales secretan muchas sustancias paracrinas y cumplen funciones importantes en la regulación de la presión arterial, el crecimiento de los vasos sanguíneos y la absorción de materiales. El endotelio está zodeado por capas de tejido. conectivo y músculo liso. El endotelio y su tejido conectivo elástico adyacente constituyen la túnica íntima, que en general se conoce simplemente como intima. Las capas de tejido muscular liso y conectivo que rodean la íntima presentan espesores diferentes en los diversos niveles circulatorios. Las descripciones que se presentarán a continuadón corresponden a los vasos de la circulación sistémica, aunque los que pertenecen a la circulación pulmonar suelen ser similares.

El diámetro y la composidón de las paredes de los vasos sanguíneos son variables. El endotelio y su tejido elástico subyacente constituyen la túni~ ca Intima. {Adaptada de A. C. Burton, Physiof. Rev. 34:61S.642, 1954.)

Los vasos sanf¡uíneos contienen músculo liso vascular

•i

El músculo liso de los vasos sanguíneos se -denomina músculo liso vascular. La mayoría de los vasos sanguíneos quierdas. A continuación las cavidades cardíacas izquierdas im- · contienen músculo liso dispuesto en capas circulares o espiraladas. pulsan la SMgre para que circule a través del resto del organismo La vasoamstricd6n produce una disminución del diámetro de la luz y regrese a las cavidades.cardíacas derechas. del vaso, mientras que la vascdikltacWn la aumenta. La sangre que sale de las cavidadés cardíacas izquierdas ingreEn la mayoría de los vasos sanguíneos, las células musculares lisa en las arterias sistémicas, que en esta figura se ilustran como sas mantienen un estado de contracdón parcial constante, lo que una región elástica capaz de.distenderse. la presión generada por crea una condición denominada tono muscular (~p. 440). Al igual la contracción del ventrículo izquierdo se almacena en las pareque en el músculo cardíaco, la contracdón del músculo liso depen· des elásticas de las arterias y se libera con lentitud gradas al prode del ingreso de Ca2+ desde el líquido extracelular a través de canaceso de retracd6n elástica. Este mecanismo mantiene una presión les de eaz.. ( ~ p. 426}. Hay varias sustancias químicas que influyen de trabajo continua para ·permitir que la sangre siga fluyendo dusobre el tono del músculo liso vasa.dar, como por ejemplo neurorante los periodos en que los ventrículos están relajados. transmisores, honnonas y sustancias paracrinas. Las células endoteDespués de las arterias hay vasos pequeños denominados arliales que tapizan los vasos sanguíneos o los tejidos que rodean los teriolas que generan una resistencia elevada al flujo sanguíneo arvasos secretan muchas sustancias paracrinas vasoactivas. terial. Las arteriolas distribuyen el flujo hada los tejidos a través de contracciones y dilataciones selectivas. El diámetro arteriolar Las arterias y las arteriolas transportan la sangre está regulado por factores locales, como las concentractones tisufuera del corazón. lares de oxígeno, y por controles homeostáticos. Una vez que-Ja sangre ingresa en los ¡;:apilares; un epitelio per· la aorta y las arterias principales se caracterizan por tener pameable permite el intercambio de materiales entre el plasma, ellí· redes firmes pero a la vez elásticas. Las arterias tienen una gruesa

503

ffil FIGURA 15-3 Metarteriolas

capa de músculo liso y gran cantidad de tejido conectivo elástico y fibroso (Fig. 15·2). Debido a la rigidez del tejido fibroso, se il.ecesita una cantidad grande de energía para estirar las paredes de una arteria y distenderla. Esta energía procede de la presión ele. vada con que la sangre es eyectada por el ventriculo izquierdo. Una vez que la arteria es distendida con sangre, la energía almacenada en las fibras elásticas estiradas se libera mediante el proceso de retracción elástica. Las arterias y las arteriolas se caracterizan por un patrón divergente (divergere, alejarse) de flujo sanguíneo. Amedida que las !1!· terias principales se dividen en arterias cada vez más pequeñas, las características de sus paredes se modifican, pierden elasticidad . y adquieren mayor cantidad de tejido muscular. Las paredes de las arteriolas contienen varias capas de músculo liso que se contraen y se relajan bajo la influencia de diversas señales químicas. · Algunas arteriolas se dividen en vasos denominados metarterlolas (meta·, más allá de) (Fig. 15-3m), la sangre que atraviesa las metarteriolas puede ingresar directamente en los lechos capilares o salteados e ingresar en la drculadón venosa ruando se contraen anillos musculares denominados esfínteres precapilares (sphingein, que cierra: firmemente). Las arteriolas verdaderas tienen una capa continua de músculo liso, pero sólo una parte de las paredes de las metaarteriolas están rodeadas por músculo liso. Además de regular el flujo s~eo a través de los capilares, las metarteriolas permiten el pasaje
Los capilares son los vasos más pequeños del aparato cardiovascular, Estos vasos y las vénulas poscapilares son el sitio dOnde se produce el intercambio entre la sangre y el líquido intersticiaL Para fadlitar el intercambio de sustancias, los capilares no tienen músculo liso ni un refuerzo de tejido elástico o fibroso (Fig. 15-2). En cambio, sus paredes están compuestas por una capa plana de endotelio de una sola célula de espesor, apoyada sobre una matriz acelular denominada lámina basal (membrana basal) (~p. -72). Muchos capilares se asocian estrechamente con células llamadas perldtos (perh alrededor). Estas células contráctiles muy ra~ mificadas rodean a los capilares y fonnan una capa ·reticular ex· tema entre el endotelio capilar y el líquido intersticial. Los peri· dtos contribuyen a determinar la penneabllidad de los q.pilares: cuanto más pericitos tiene el capilar, menos permeable es su en· dotelio. Por ejemplo, los capilares cerebrales están rodeados por peridtos y células gliales y tienen uniones estrechas que crean la barrera hematoencefálica (~p. 299). Los peridtos secretan factores que influyen el crecimiento de los capilares y pueden diferenciarse y convertirse en nuevas célu· las endoteliales o células musculates lisas. La pérdida de los peridtos que rodean los capilares de la retina es una caracteñstica pa· tognomónica de la retinopatía diabética, que es una causa impor· tante de ceguera. En la actualidad, los científicos tratan de determinar si la pérdida de peridtos es causa o consecuencia de la retinopatía.

El flujo sanguineo converge en las vénulas y las venas El flujo sanguíneo circula desde los capilares hada los vasos pequeños denominados vénulas. Las vénulas más pequeñas son similares a los capilares y tienen un epitelio de intercambio delgado y escaso tejido conectivo (Fig. 15·2). Estas vénulas se distinguen de los capilares por su patrón de flujo convergente. El músculo liso comienza a aparecer en las paredes de las vénulas más grandes. Desde las vénulas, la sangre circula hacia las venas, cuyo diámetro aumenta a medida que transcurren hada el corazón. Por último, las venas más grandes, o sea las venas cavas, desembocan en la aurícula derecha. Las venas son más numerosas que las arterias y tienen mayor diámetro. Como resultado de su mayor volumen, las venas aru. mulan más de la mitad de la sangre presente en el aparato drcu· latorio. Las venas yacen más cerca de la superficie del cuerpo que las arterias y son los vasos sanguíneos azulados que se observan debajo de la piel. Las venas tienen paredes más· delgadas que las arterias y menos tejido elástico; como consecuencia, se expanden con facilidad ruando se llenan con sangre. Cuando se extrae sangre del brazo (venopund6n), el técnico utiliza un torniquete para comprimir los vasos sanguíneos. El flu· jo sanguíneo que atraviesa el brazo a través de las arterias, que manejan presiones elevadas, no queda comprometido pero la compresión ejercida por el torniquete detiene el flujo· de retomo a través de las venas, que tienen presión más baja. Como resulta~ do, la sangre se acumula en las venas superficiales y pennite que se distingan contra el tejido muscular subyacente.

1

504

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

Presión arterial

{a} Contracción ventricular

505

.Presi~n. ~ujo y_resisle~#ci_ ~n el a~Í'ató_ cárCÍi_ovascu_lar

,-¡

t ve::.":'"' 8

Arteriolas Yh~~w.

~~~.-····;!~~ .

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La aorta y las arterias se

expanden y almacenan la presión en las pared~"~!-~:

FlUJO<>
1. la sangre fluye si hay un gradierite ~e presión (óP). 2. la sangre fluye desde (as áreas con mayor presión hada las. áreas con menor presión. 3.la resistencia (R) del sistema se Opone al flujo sangulneo. 4. los tres factores que afectan la resistencia son el radio de los vasos sanguíneos, la viscosidad de la sangre y la longitud del sistema {p. 462).

5. El flujo se suele expresaren litros o mililitros por minuto (Umin o mUmin). 6. la velocidad del flujo se suele expresar en c~tfmetros por minuto {cmlmln) o en milfmetros por segundo {mmlseg). 7. E! factor determinante principal de la v~loddad del flujo (cuando el caudal es constante) es el área transversal total del vaso o los vasos.

cular. Cuando el ventrículo izquierdo eyecta la sangre la aorta y

{b) Relajación ventricular

las arterias se expanden para adaptarse a este nuevo volumen

Se produce !a relajación ventricular isovcrumétrlca. Las válvulas semilunares se clenao e impiden el flu/o retrógmdo hacia el ventriculo.

8 retroceso elástico de las arterias-Impulsa la sangre hacia el resto del aparato circulatorio.

mFIGURA 15-4 Retracdón elástica en las arterias

(Fig. 15-41B). Cuando el ventrículo se relaja y la válvula semilunar se derra, las paredes elásticas de las arterias se retraen e im· pulsan la sangre hacia las arterias más pequeñas y las arteriolas (Fig. 1S4b). Al mantener la presión motriz durante la relajación del ventrículo, las arterias generan un flujo sanguíneo continuo a través de los vasos sanguíneos. · El flujo sanguíneo se rige de acuerdo con las reglas del 'flujo de líquido que se describieron en. el capítulo 14 ( i!! p. 462). & directamente p;:opoldonal al gradiente de presión entre dos puntos e_ in· versamente proporcional a la resistenda de los vasos (CUadro 1S..1 ~-Salvo que se detennine lo contrario, en las próximas secciones se describirán eventos que se desan:ollan en el drcuito sistémico. En el capítulo 17 se explicará el flujo sanguíneo pulmonar.

Las arterias mantienen la presíón motriz cuando los ventrlculos se encuentran en el perfodo de diástole.

La presión sanguínea sistémica es máxima

en las arterias y mínima en las venas La angiogénesis crea vasos sanguí~eos nuevos

para dos enfermedades: el cáncer y la coronarlopatía. Cuando las cé-

Un tema muy interesante para los investigadores es la angiogénesis (angeian, vaso;gigrresthai, producir), el proceso por medio del cual se desarrollan vasos sanguíneos nuevos, en especial después del nacimiento. En los niños, la formación de vasos sangui· neos es necesaria para el desarrollo normal. En loS adultos, la angiogénesis se pone en marcha cuando se cicatrizan las heridas i cuando prolifera el endometrio· después de la menstruadón. La angiogénesis tambíén se produce 'cuando el individuo se entrena en ejercicios de resistencia; que mejora el flujo sanguíneo hada el músculo cardíaco y los músculos esquelé:ticos. A través de estudios realizados en vasos sanguíneos normales y células tumorales, los.dentíficos de~aron que la angtogénesis se controla a través del equilibrio entre las citocinas angiogénicas y las antiangiogénicas. HaY .varios factores de crecimlen~ to reladon~dos, como el (actm iJe r;recimiento del endotelio vascular (VEFG) y el factor de credniieilto.de fibroblastns (FGF), que estimulan la angiogénesis. Estos factores de crecimientos son mit6genos, lo que signifi~ q!le Promueven la mitosis, o sea la división celular..~ condiciones normales, las células musculares lisas y los perldtos-sin!ftizan estos factores de crecimiento. las dtodnas que inhiben la angklgénesis son la angiostatina, que se prodUce a partii de la proteína plasmática plasminógeno, y la en:dostatina (stasis, estado de inmovilidad). En la actualidad los deptíficos Utilizan estas dtodnas para desarrollar nuevos tratamientos

lulasancerosas invaden los tejidos y se multiplican, instruyen a los tejidos del hu~ a desarrollar vasos sanguíneos nuevos para nutrir el tumor en vías de crecimiento. S-¡n estos vasos nuevos, las células del-interior de la masa neoplásica señan incapa!l!S de obtener una cantidad adecuada de oxígeno y nutden!es y morirían. La an· giostatina y la endostatina se emplean en ensayos clínicos para determinar si pueden bloquear la angiogénesis y literalmente privar a los tumores de nutrientes hasta su muerte. En cambio, la miocardiopatía isquémica, también denomínada coronariopatía, es una enfermedad en la que se podría indu· dr la angiogénesis en forma selectiva. ~En la coronariopatía dismí· nuye el flujo sanguíneo hada el mioCardio debido aJa presencia de depósitos de grasa que reducen el diámetro de la luz de las arterias coronarlas. En algunos individuos, nuevos vasos sanguí· neos se desarrollan de manen espontánea .Y forman una dmdadón colateral que complementa el aporte sanguíneo proVisto por las arterias parcialmente bloqueadas. Los invesfiiadores buscan la manera de reproducir este proceso natural e inducir la angiogénesis para reemplazar los vasos ocluidos (occludere, cerrar).

PRESIÓN ARTERIAL La presión generada por la contracción de los ventrículos es la fuerza motriz del flujo sanguíneo a través del aparato cardiovas-

La presión de la sangre es máxima en las arterias y disminuye de manera continua a medida que atraviesa el aparato circulatorio (Fig. 1,5..5 §), La presión disminuye porque se pierde-energía como conseruencia de la resls:tencia al flujo ofrecida por los va· sos. Esta reslstenda al flujo también se debe al rozamiento entre las células de la sangre. En la circulación sistémica, la presión más elevada se registra en la aorta y refleja la presión producida por el ventrículo izquíerdo. La presión aórtica alcanza un valor máximo promedio de 120 mm Hg durante la sistole ventricular (presión sistólica) y luego disminuye en forma constante hasta un valor tan bajo como 80 mm Hg durante la diástole ventricular (presión cl!astólica). Se debe señalar que. aunque la presión ventricular disminuye hasta casi Omm Hg cuando el ventrículo se relaja, la presión diastólica en las arterias mayores permanece relativamente elevada. La presión diastólica alta en las arterias refleja la capacidad de estos vasos de retener y almacknar la energía en sus paredes elásticas. El rápido aumento de la preSión que se produce cuando el ventrículo izquierdo impulsa la sangré hacia la aorta se puede registrar a través ·del pulso, u onda de presión, que se transmite a través de las arterias llenas de líquido. La om!a de presión se desplaza a una velocidad aproximadamente 10 'veces mayor que la sangre. Aun así, el pulso se registra en el brazo ligeramente después de la contracción ventricular que generó la onda. . La amplitud de la onda de presión disminuye a medida que

avanza debido al rozamiento y finalmente desaparece en los capilares (Fig. 1S..5). La presión diferencial mide la fuerza de la onda de presión y se define como la presión sistólica menos la presión diastólica: Presión sistólica- presión diastólica = presión de pulso Por ejemplo, en la aorta: 120 mm Hg- 80 mm Hg = 40 mm Hg de presión de pulso Cuando la sangre llega a las venas, la presión es mucho menor debidO al rozamiento y la onda de presión ya no existe. La sangre con baja presión que circula a través de las venas ubicadas deba· jo del corazón debe fluir '!cuesta arriba", o sea contra la gravedad, para regresar al corazón. Pruebe de mantener su brazo hacia abajo sin moverlo durante varios minutos y observe cómo comienzan a distenderse las venas del dorso de la mano a medida que se llenan con sangre. {F$te efecto puede ser más evidente enlosancianos, cuyo tejido conectivo subcutáneo perdió elasticidad) Luego eleve la mano para que la gravedad ayude al retomo veno- ' so vea cómo la ingurgitadón venosa desaparece. Para ayudar al flujo venoso, algunas venas tienen válvulas in· temas unidireccionales (Fig. 15-6m). Al igual que las válvulas car~

1

120

" X

E _sao <

~

~

60

• 40 20 Ventriculo Arterias Arteriolas Capilares Vénulas, Aurfcula izquierdo venas derecha

mFIGURA 15-5 Presión en toda la drculadón sistémica las ondas de presión generadas por la contracción ventricular se propagan hacia los vasos sanguíneos. Su ampblud disminuye a medida que aumenta la distancia desde su origen y desaparecenen los capilares.

506

Presión arterial

Capítulo 15 Aujo sanguíneo y control de !a presión arterial

Las válvulas venosas

impiden el flujo retrógrado de la sangre

Cuando los músculos esque!étloos comprimen ras venas, impulsan la sangre hacia el corazón (bomba muscular esquelética).

La presión arterial refleja la presión motriz· del flujo sanguíneo

1•1

La presión arterial refleja la presión motriz· generada por la acdón de bombeo del corazón. Como la presión ventricular es difícil de medir, se suele dar por sentado que la presión arterial refleja a la ventricular. Como la presión arterial es puls_átil, se emplea un sólo valor, la presión arterial media (PAM), para representar la presión motriz. La presión arterial media se calcula mediante la suma de la presión diastólica y la tercera parte de la presión diferendal:

PAM = P diastólica+ 1/3 (P sistólica- P diastólica)

;~X 2E~

:::~

~¡

PAM = 80 mm Hg + 113 (120-80.mm Hg)· PAM=93mmHg

0 FIGURA 1% Las válvulas aseguran el flujo unidireccional

en las venas díacas, eStas válvulas aseguran que la sangre que las atraviesa no transcurra en direcdón retrógrada. Cuando la sangre llega a la vena cava no encuentra válvulas. El flujo sanguíneo venoso es cons. tante en lugar de pulsátil Yestá enipujado por el -¡novintiento continuo de la sangre que llega de loS capilares. El retomo venoso hada el corazón es ayudado por la bomba muscular esqiiefética y' por la bomba"t~piratoria (~p. 491). Cuan. do dertos músetdos (comO los de la pantorrilla) se contraen, com~ primen a laS venas e impulsan -la sangre hada arriba a través de las válvulas. Con la mano colgando, pruebe abriendo y cerrando el puño y vea el efecto de la contracdón muscular sobre la disten· sión de las venas. ,0R,E;VISIÓN

}fÍ'(¡J/1. ¿Esp.eraría hallar válvulas en las venas que van desde '.!z:

el cerebro a! corazón? Fundamente su respuesta. 2. Si evalúa e! pulso de un individuo en !a arteria caróti· da y la muñeca izquier9a en forma simultánea, ¿puede observar las ondas de presión de manera simultá· nea? Exp_lique. 3. ¿Quién tiene la mayor presión diferencia!, una perso· '-na con presión arterial90!60 o una con presión arteria11301957 · · Re5puestas en la p. 533

la sístole. La presión arterial anormalmente elevada o baja puede indi· tar un problema en el aparato cardiovascular. Si la presión arterial disminuye demasiado (hipotensi6n), la fuerza motriz del flujo sanguíneo es incapaz de superar la oposición creada p<:~r la fuerza de gravedad. En este caso, el flujo saÍlguíneo y el_aporte de oxigeno al cerebro quedan comprometidos y la persona se marea o se desmaya. · En cambio, si la presión arterial está elevada en forma cróni· ca (una enfermedad denominada hipertensi6n}, la presión alta que soportan las paredes de los vasos sanguíneos puede detenni· nar la ruptura de las áreas débiles y el sangrado hacia los tejidos. Si la ruptura ocurre en el cerebro, se produce una hemorragia cerebral, que puede generar Una pérdida de la función neurológica comúnmente denominada acddente cerebrovascular. Si se rompe un área débil de una arteria grande, como la aorta descendente, la pérdida rápida de sangre bada la cavidad abdominal desenca· dena un descenso de la presión arterial por debajo del-mínimo · crítico. Sin un tratamiento rápido la ruptura de una arteria gran· de es fatal. ISIÓN 4. La fórmula presentada para calcular !a PAM se ap!lca a una frecuencia cardiaca típica en reposo de entre 60 y 80 latidos/minuto. Si la frecuencia cardiaca aumenta, ¿disminuirla o aumentaría !a contribución de la pre· sión sistólica a !a presión arterlal media y disminuirla o aumentaría la PAM?

5. La presión sistólica de Pedro es 112 mm Hg y su presión diastólica es 68 mm Hg (que se expresa 112/68). ¿CUál es su presión diferencial? ¿Y su presión arterial media? Respuestas en la p. 533

La presión arterial se mide con un esfigmomanómetro La presión arterial·se puede valorar en la arteria radial del brazo con un esfi-gmomanómetro, un instrumento compuesto por un

Presión del

manguito de más ~.~ ...-:. Cuando el manguito ocluye el flujo sanguíneo de 120 mm Hg {J.[ arterial, no se escuchan rukloscon el ~ ., ;· estetOSGopio colocado sobre la arterla braquial en un sitio d!stal al manguito.

V

Para una persona con presión sistólica de IZO y presión diastóli~ ca de 80:

La presión arterial media se aproxima más aJa presión diastólica que a la sistólica porque la diástole dura el doble de tiempo que

507

(o)

¡'• 1 . e.

manguito "'' ·'·6nentre del 80 y120 mm Hg

e1 sanguíneo pulsátilsefluye por la cuando arteria Losflujo ruidos de Korotkoff producen comprimida.

Presión del manguito de menos de

8 flujo sanguineo no produce ruidos cuando se retira !a compresión de !a arteria.

e1

80mmHg

.

.

ll1l FIGURA 15-7 Medidón de la presión arterial La presión arterial se mide con un esfigmomanómetro {un manguito inflable con un manómetro) y un estetoscopio. La presión de in· ·fiado que se muestra aquf corresponde a una persona con una presión arterial de 120180.

que se mantiene constante por encima de 140 mm Hg en reposo manguito lnflabley un manómetro (sphygrnus, pulso+ man6metro, instrumento que mide la presión de un fluido}. El manguito rodea o una presión diastólica que permanece por encima de 90 mm Hg de manera crónica, sin existencia de otras enfermedades, se con~ la porción superior del brazo y se infla hasta que ejerce una presión sideran Signos de hipertensión. Además, las pautas publicadas en superior a la sistólica que conduce el flujo sanguíneo arterial. Cuan. do la presión del manguito supera a la arterial, se detiene el flujo el informe JNC 7 de 2003* recomiendan mantener la presión ar· terial por debajo de 120/80. Las personas cuya presión sistólica se sanguíneo hada la pordón distal del brazo (Fig. 15·?a 00). Luego se comienza a liberar la presión sobre el manguito de mantiene de manera conS!ante_entre 120 y 139 o cuya presión manera gradual. Cuando la presión del manguito desdende por - diastólica permanece entre 80 y 89 se consideran prehipertensas debajo de la presión arterial sistólica, la sangre comienza a fluir y se deben asesorar para conocer las modificaciones en el estilo de otra vez. En el momento en que la sangre fuerza el paso a través vida que deben realizar con el fin de reducir su presión arterial. de la arteria todavía comprimida, se puede oír un sonido fuerte, denominado ruido de Korotkoff, que coindde con cad~ onda de El volumen minuto cardíaco y la resistenda presión {Fig. 1S-7b). Cuando el manguito deja de comprimir la arperiférica determinan la presión arterial media teria, el sonido desaparece {Fig. 15-7c). La presión que se registra cuando se escucha el primer ruido La presión arterial media es la fuerza motriz del flujo sanguf· de Korotkoff representa la más elevada en la arteria y es consideneo, pero ¿qué la determina? La presión arterial refleja un equili· rada como la presión sistólica. La presión que se registra cuando brio entre el flujo sanguíneo que ingresa en las arterias y el que desaparecen los ruidos de Korotkoff es"la presión mínima en la ar• sale de ellas. Si el flujo que ingresa supera al que sale, la sangre se teria y representa la presión diastólica. Pof convención, la presión acumula en las arterias y la presión arteriál media aumenta. Si el arterial se escribe como presión sistólica sobre presión diastólica. flujo que sale es mayor que el que ingresa, la presión arterial meDw:ante muchos años se consideró que el valor "promedio" dia disminuye. para la presión arterial era 120/80. Sin embargo, al igual que mu. •Séptimo Informe de!Jolnt National Committee on Prevention, Detection, Evalua· ehos valores fisjológicos promedio, estas cifras están sujetas a una tion, and Treatm€nt of High Blood Ptessure {Comité nadonal conjunto sobre p¡e. amplia variabilidad, tanto de una persona a otra como dentro del vendón, detro:Jón, evaluadón y tratamiento de la hipertensión arterial), Nat!onai mism~ individuo de un momento a otro. Una pr~ón sistólica rrutitutes of Health. www.nhlbl.nlh.gov/guldelines/hyperteru!on

508

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y Control de la presión arterial Resistenda en !as arteriolas Presión arterial media

[ReFeRENCiAS.. El segundo reáisiro de pfe5i6Íl í:irteTi
. . .·-··---~ ¿Por qué tos padentes con hiperteltsi6n iirterla{cilmm mayOr

Pregunta1:

riesgo de presentar un acddente cerebrovascútar hemorrágico (o sangrante}?

~ El flujo sanguíneo que ingresa en la aorta es equivalente al volumen-minuto del ventriculo izquierdo. El flujo sanguíneo que sale de las arterias está influido sobre todo por la resistencia periférica, que se define como la resistenda al flujo que generan las arteriolas {Fig. 15-8 m). La reladón entre el volumen minuto, la resistencia periférica y la presión arterial media 'se puede expresar de la siguiente manera:

Presión arterial media oc volumen minuto x resistencia de las arteriolas PAM oc VM x

R.n.mQw

Si el volumen minuto aumenta, el corazón bombea IMs sangre hada las arterias por unidad 'de tiempo. Si la resistenda al flujo san· guíneo que sale de las arterias no se modifica, el flujo qUe ingresa en las arterias es mayor que el que sale, el volumen de sangre que circula por las arterias aumenta y la presión arterial se incremerita. En otro ejemplo, si el volumen nllnuto no se modifica pero la resistencia periférica aumenta, el flujo que ingresa en las arterias no cambia, pero el que sale disminuye. En esta ocasión la sangre también se acumula en las arterias y la presión arterial vuelve a aumentar. Se cree que la mayoria de los casos de hipertensión se debe a un aumento de la resistencia periférica sin modificaciones en el volumen minuto. Hay otros _dos factores que pueden influir sobre la presión ar. terial: el volumen sanguíneo total y la distribución de la sangre en la circulación sistémica.

Los cambios en el volumen sanguineo afectan la presión arterial Aunque el volumen sanguíneo en la circulación suele permanecer relativamente constante, sus modificaciones pueden afectar a la presión arterial. Si el volumen sanguíneo aumenta, la presión

! C)Estimulo

1 -

~ ~~ '".'".'."''" espuesta tisular

Respuesta sistémica

509

/---------.......__ / t votumen \

--.,-/

\ sangufneo/ conduce a

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/t presión\

\~~) desencadena

FiÓn arterial media "' volumen minuto x resisteñCiaJ ml FIGURA 15-8 La presión arterial media depende del vofu· men minuto y fa resistenda en las arteriolas En este modelo, el ventrículo_está representado por una jerin· ga. El diámetro variable de fas arteriolas está representado por los tomillos ajustables. arterial también aum¡;:nta. Cuando el volumen sanguíneo disminuye, la presión arterial también disminu~. Para comprender la :reladón entre el volumen sanguíneo y la ·presión, el aparato circulatorio puede ser considerado como un balón elástico lleno de agua. Si el balón contiene una pequeña cantidad de agua, sus paredes reciben muy poca presión y está blando y fláccido. Cuando se agrega más agua al balóil, las paredes elásticas reciben más presión. Si se llena el balón hasta un punto cercano al estallido, se puede ro~per. La mejor forma de reducir la presión consiste en elimitiar parte del agua. Durante el transCUISO del día se producen pequeños incrementos del volumen sanguíneo debido a la ingestión de alimentos y líquido, pero estos aumentos no suelen producir cambios persistentes en la presión arterial debido a las compensaciones homeostátlcas. Las adaptaCiones que se ponen en marcha cuando el volumen sanguíneo aumenta dependen sobre todo de los riñones. Si el volumen aumenta, los rifiones restablecen la normalidad excretando el exceso de agua por medio de la Orina (Fig. 15·9 121). La compensación del descenso del volumen sanguíneo es más dificil y requiere una respuesta integrada por parte de los riñones y el aparato ~diovascular. Si el volumen S?DgUíneo disminuye, los rifúmes no p¡reden reprmer el líquido perdido. :&tos órganos sólo pueden conservar el volumen sanguíneo y de esta manera evitar un descenso adidonal de la presión arterial. La única forma de restablecer el volumen de líquido perdido es mediante la inges· tión de líquido o las infusiones intravenosas. Esto tepresenta un ejemplo del equilibrio de masas: el volumen perdido hacia el medio externo se debe reponer desde el mismo medio externo. La compensadón cardiovascular de la ~minudón del volumen sanguíneo consiste en vasoconstricdón y aumento de la estimulación simpática del corazón ( i!'Fig. 14-31). No obstante, la efectividad de la compensadón cardiovascular es limitada, y si la pérdida de líquido es demasiado grande, no es posible mantener una presión arterial adecuada. Eritre los sucesos típicos que podrían ocasionar modificadones significativas del volumen sanguíneo se hallan la deshidratación, las hemorragias y la ingestión de gran cantidad de liquido. En el capítulo 20 se descn'birá la compensación integrada de estos eventos.

!!!1 FIGURA 15-9 El control de la presión arterial depende tanto del aparato cardíovascular como de los riñones.

El aparato cardiovascutar produce respuestas rápidas, mientras que la respuesta renal es más lenta.

Además del volumen absoluto de sangre en el aparato cardlovascular, la distribución relativa de la sangre entre los sectores arterial y venoso de la drculación puede representar un factor importante que influye sobre el mantenimiento de la presión arterial Las .arte-rtaS son vasos de bajo volumen que sólo suelen contener un 11% del volumen sanguíneo total. En cambio, las venas son vasos que arumulan alrededor del 60% del volumen sanguíneo drculan~e en cualquier momento. Lás venas actúan como reservorto de volumen en el que se encuentra la sangre que se puede redistribuir hacia las · arterias en caso de ser necesario. Cuando la presión arterial disminuye, el aumento de la actividad simpática estimula Ia· constricción de las venas, lo que a su vez disminuye su capaddad de reservorio y redistribuye la sangre hada el sector arterial deJa circulación. En la figura 15-10 llil se resumen los cuatro factores principales que influyen sobre la presión arterial media.

RESISTENCIA EN LAS ARTERIOLAS Como se vio en el capítulo 14 ( ¡¡gjp. 462), la resistencia al flujo sanguíneo (R) es directamente propordonat a la longitud del tubo a través del cual fluye el líquido (L) y a la visalsídad (11) del líquido, e inversamente proporctonal a la cuarta potencia del radio del tubo (r): R• L~/r' En condiciones normales, la longitud de la circulación sistémica la viScosidad de la sangre son relativamente constantes.

r

Por ende, sólo-queda el radio de los vasos sanguíneos como prindpal determinante de la resistenda al flujo sanguíneo:

R·W Las arteriolas son el prindpal sitio de variadón de la resisten~ da cilla circulación sistémica y contribuyen con más del60% de la resistencia total al flujo en el sistema. La resistencia en las arteriolas es variable debido a la gran cantidad de músculo liso en sus paredes. Cuando el músculo liso se contrae y se relaja, el radio de las arteriolas cambia. La resistencia arteriolar recibe influencias de mecanismos de control tanto Sistémicos como locales: reflejos simpáticos mediados por el sistema nervioso central mantienen la presión arterial media y regulan la distribución de la sangre para ciertas necesidades homeostáHcas, como la regulación de la temperatura. 2. El control local de la resístenda arteriolar adapta el flujo sanguineo tisular a las necesidades metabólicas del tejido. En el corazón y el músculo esquelético estos controles locales predominan sobre el.cOntrOl reflejo proporcionado por el sistema nervioso central. 3. Ciertas homumas, en particular las que regulan la excreción renal de sal y agua, influyen sobre la presión arterial actuando directamente sobre las arteriolas y alterando el control reflejo autónomo. l. Los

1

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510

Resistencia en las arteriolas

511

Capítulo 15 Flujo sangufneo y control de la presión arterial

i' fimiSI6NAiiiEÁ!Al! MEDIA '

ciiÁÍíRo 1S.2 ·

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COMPUESTO QUIM!CO

Compuestos qufmicoS mediadores de fa vasoconstricción y la vasodifatación

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FUENTE

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Noradrena!ina {receptores a)

Reflejo barorreceptor

Neuronas simpáticas

Serotonina

Agregación de las plaquetas. contrae· ción de! músculo nro

Neuronas, aparato digestivo, plaquetas Paraaino, neurotransmiso_r

Sustancia P

Dolor. aumento de !a permeabilidad capilar

Neuronas, aparato digestivo

Paraaino, neurotransmisor

Endotellna

Mediador paraaino

Endotelio vascular

Paracrino

Vasopresina

Aumento de la presión arteria! durante una hemorragia

lóbulo p05terior de la hipófisis

Neurohormona

Angiotensina 11

Aumento de la presión arterial

Hormona plasmáti
Hormona

Aumento del flujo sangufneo hada el músculo esquelético, el corazón y el hígado

Médula suprarrenal

Neurohormona

Acetikolina (a través del NO)

Erección del clítoris o el pene

Neuronas parasimpáticas

Neurotransmisor

Péptido intestinal vasoactivo

Secreción digestiva, relajación del músculo liso

Neuronas

Neurotransmisor, neurohormona

'!

vasodilatación

Adrenalina {receptores ~}

g¡ FIGURA 15-10 Factores que influ~n sobre la presión arterial media

La autorregulación miogénica ajusta el flujo

sanguíneo de manera automática El músculo liso vascular tiene la capacidad de regular su propio estado de contracción mediante un proceso deno!Dinado autorreguladón miogénica Si no se produce esta autorreguladón, el aumento de la presión arterial se asocia con un incremento del flujo sanguíneo que atraviesa una arteriola. Pero cuando las fibras musculares lisas presentes en la pared de la arteriola se estiiall de-

En el cuadro 15-2 8 se enumeran los productos químicos que detemtin~ la resistencia arteriolar a través de vasoconstricdón o vasodilatadón. En las sigUientes secdones se describlián los factores que influyen sobre el flujo local en el nivel tisular.

PregUnta2: ¿Cuál e$ el_ fundamento de reduátla in_gestión 'de sal paiJJ_ controlar la hipertensfóil? (Sugerenda: la sal produceretenáón de ague.) ,

.i,.· .. .. ·

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Óxido nltrico (NO)

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Mediador paraaino

Endotelio

Paraaino

Bradlcinina {a través de! NO)

Aumento del flujo sanguíneo

Varios tejidos

Paracrino

Adenosina

Aumento del flujo sanguíneo para cu· brlr las demandas del metabolismo

Células hipóxicas

Paracrino

-.l.o 21 rco2' tw, iK'"

Aumento del flujo sangufneo para ru· brir las demandas del metabolismo

Metabolismo celular

Paraaino

Histamina

Aumento del flujo sangufneo

Mast01:itos

Paraaino

Miocardio auricular, cerebro

Hormona. neurotransmisor

Péptidos natriureticos {p. ej., Reduce la presión sanguínea péptido natrlurético auricular, ANP)

bido al aumento de la presión arterial, la arteriola se contrae. F.s· ta vasoconstticdón incrementa la resistenda generada por la ar· teriola y reduce de manera automática el flujo sanguíneo en ese vaso. Medlante esta respuesta simple y directa asociada con la presión, las arteriolas regulan su propio flujo sanguíneo. El mecanismo responsable de la respuesta intrínseca del músculo liso vascular es el estiramiento que abre canales de eaz~ con compuerta mecánica en las membranas musculares. El caldo que Ingresa en la célula muscular lisa se combina con ca!moduli· na y activa a la cinasa de la cadena liviana de la miosina, para que ésta aumente la actividad de la miosina ATPasa y de los puentes cruzedos ( !il p. 426).

Las secreciones paracrinas alteran la contracáón del músculo liso vascular El control local de la resisten da arteriolar representa un méto--

do Importante mediante el cual los tejidos regulan su propia iirigadón sanguínea. La reguladón local se lleva a cabo gracias a la acción de sustÍUldas paraerinas (como Jos gases 0 2, C02 y NO) secretadas por el endotelio vascular o por células irrigadas por las arteriolas (cuadro 15-2), Las concentraciones de muchas sustandas paraa:inas se modi· fican de acuerdo con la actividad metabólica de las células. Por ejemplo, si el metabolismo aeróbico aumenta, las concentracio-nes tisulare rel="nofollow"> de 0 2 disminuyen y la producción de C02se incrementa. Tanto la concentración baja de Ozcomo la elevada de C02 dilatan las arteriolas. Esta vasodilatadón aumenta el flujo sanguíneo en el tejido y proporciona más 0 2 que permite cubrir el ln· cremenro de la demanda metabólica y eliminar el C02 (Fig. lS.. lla 0). El proceso por medio del cual el aumento del flujo sanguíneo se asocia con un incremento de la actividad metabólica se denomina hiperemia activa (hyper-, encima de lo normal; aimia, sangre).

512

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arteria!

Resistencia en !as arteriolas

{a) Hiperemia actiVa

513

(b) Hiperemia reactiVa

/-:-¡---·

./~ ......

-~

.

-~

[ Metabol!smo·, \, ttlsu!ar

. _____._.,,___ :·:-_,--,- ____ ----~.para· un control, luego de lograr un descenso de peso de 2,-5 kg y de nÍodificar suactividad física c6h_cari'liriaias.d~ por_lomenos 1,5 kri1 por dla. Sin embargo, supr~ión_ arte~_al.~~_habfá_ variado. "lo juro, estoy tratando d~ mejorar",_dijo·Carlqs;·¡p~io_es·difícil~. Como los ca;mbios en el esu1o de vida nó pudieí-ón ~esC_ende_r su presión arterial, el doctor Cortez le prescribió :uÍl'á_nt¡li_iPe!rtEinsJ~o:_ ~.Este· fárm~co ~:un inhibidor de_~~- e~zima -cOnv~rt)d.o~:de. anglotensi-. na (ECA) _que bloquea,la ¡ii-oducdón· de u~a.StJstancia _q~ími~_ U~ mada ángiotensina.U, _que. _és _un_v~_nstrictÓr_ pot(mte: ·Él medicamento debe normalizar su presió!l arteria!.~

~9~nt.J_3!-;;._::<.:-·-· __;_~:_.:,;:; _ _ -_,_<.:_:, _ _.,, _·_ ._-_:_ ·, ~--'.·:·· ' ¿Por qué blo_quea~ ¡~-~~~n -d~ uil vasocoTJitrid;," diS~inuye la presiónarteifati -,: :.-,_~.:: ... _- __ ._·· _, _. _ ·

:p. f~¡¡~~i; ~NIIIi~t: ;~,

rn FIGURA 15·11 Hiperemia Sí se ocluye (occludere. cerrar) el flujo sanguíneo que irriga un tejido durante varios segundos o minutos, las concentraciones de 0 2 disminuyen y las sustancias paracrinas sintetizadas por el metabolismo, como por ejemplo C0 2 y H+, se acumulan en ellíqui· do intersti!=ial. La hipoxia (hypo, bajo; oxia, oxígeno) local estimula a las células endoteliales para que sinteticen el vasodilatador óxido nítrico. Cuando se restaura el flujo sanguíneo hicta el teji· do, ias Concentradones elewtdas de NO, C02 y otras sustancias paracrinas desencadenan una vasodlliitación importante e .iiunediata. A medida que las ·sustancias vasodilatadoras se metabolizan o se eliminan, a través ~el flujo sanguíneo restablecido, el radio de la arteriola se normaliza en forma gradual. El aumento del flujo sanguíneo tisular luego de un períOdo de obstrucción se denomina hiperemia reactiva (Fig. 15-llb). Amedida que se publicanD:u~vos estudios de investig~ción, se acumulan más conocimientos sobté la importancia del óxido nítrico como vasodilatador. El NO cumple un papel fisiológico importante en el reflejo de erécctón maseülina (véase capitulo 26) y el fármaco empl~do para tratar la disfunción eréctil prolonga su actividad. Se cree que la disminución de la actividad endógena del NO podría cumplir un papel en varias enfermedadeS impar· tantes, como la hipertensiÓJ;l y el aumento de la presión arterial que en ocasiones se asocia con el embarazo. Otra sustancia paracrina vasodiÍatadora es el nucleótido adenosina. Si el consumo de oxígeno en el músculo cardíaco supera la velocidad de aporte de este gas a través de la sangre, se desen* cadena bipÓxia miocárdíca. En respuesta a la concentración tisu· lar de oxígeno baja, las células roiocál:dicas libetan adenosina. La

1

adenosina dilata las arteriolas coronarias en un intento por coílducii más sangre hacia el músculo. No todas las sustancias paracrinas vasoactivas reflejan camb.ios metabólicos. Por ejemplo, las cininas y la histmnina son vasodilatadores potentes que cumple una función en la inflamación. la serotonina (5·H1), que se mencionó con anterioridad como neurotransmisor del siStema nervioso central (¡§'¡'!p. 274), taro· bién es una sustancia paracrina vasoconstrictora liberada por las plaquetas activadas. Cuando los vasos sanguíneos lesion;tdos ac* . tlvan a las plaquetas, la subsiguiente vasoconstricdón mediada por serotonina contribuye a hacer .más lenta la pérdida de sangre. Los agoniStas de la serotonina denominados trlptanos (por_ ejemplo, sumatripttfu) son fármacos que se unen con receptoreS 5-IIT1 y producen vasoconstrlcdón. Estos fánnacos se emplean para tra· tar cefaleas migrañosas, que se producen. debido a una vasodilatación cerebral inapropiada.

~~~

,1\~-E:- 1 S 1 ó N ~g}{!/ 6. ¿La resistencia al flujo sanguíneo depende prindpal·~-;.-·

mente de a) !a viscosidad de la sangre, b) el volumen sangufneo, e) el volumen minuto, d) el diárrietro del vaso o e} el gradiente de presión arterial ~)? 7. La concentración de K+ en el Hquido extracelular au-

menta en !os mÚSculos esqueléticos luego del ejercido. ¿Qué efecto produce este aumento de la concentra* ción de K+sobre el flujo sanguineo muscular?· Respuestas en la p. 533

La rama simpática controla la mayor parte

del músculo liso vascular La contracción del músculo liso de las artertolas está sujeta a la regulación de señales nerviosas y hormonales y de sustancias para. ainas que se producen- en el ambiente locaL Entre las hormOnas con propiedades vasoactivas significativas se pueden mencionar el péptido natriurétiro auricular y la angiotensina H. Estas hormonas también ejercen efectos significativos sobre la excredón renal de iÓnes y agua, como se desaibitá en el capítulo 20. La mayoría de las arteriolas sistémicas redben inervación de neuronas simpáticas. Una excepción notable son las artenolasinvoluaadas en el reflejo de -erección del pene y el clítoris. Estas arteriolas están sujetas al control indirecto de la inervactón parasimpática, que desencadena la liberación paracrina de óxido nítrico y, de esta manera, genera vasodilatadón. La descarga tónica de noradrenalina.por las neuronas simpáticas contribuye a mantener el tono miogénlco de las arteriolas (Flg. 1512 f:l). La fijadón de la noradrenalina a los receptores a del músculo liso vascular prodUce vasoconstricción. Si se reduce Ia: h"beradón de noradrenalina en los tenninales simpáticos, las arteriolas se dila* tan. Si la estimuladón simpática aumenta, las arteriolas se coilttaen. La adrenalina procedente de la médula suprarrenal circula por la sangre y se une a los receptores a incrementando la vasoconstriccióil. Sin embargo, los receptores a tienen menor -afinidad por

la adrenalina y no responden con tanta intensidad como cuando se unen con noradrenalina (~p. 276). La adrenalina también se une con receptores P2 que se encuentran en el músculo liso vascular de las arteriolas del corazón, el hígado y el músculo esquelético. Estos receptmes no están iner· vados y, en consecuencia, responden principalmente a la adrenalina circulante (~p. 274). la activación de los receptores f!z vasculares producida por la adrenalina causa vasodilatactón. Una forma de recordar qué arteriolas tienen receptores ~ es 2 pensar en la respuesta de lucha o huida ante una situación estte. sante (¡¡¡¡¡:p. 377). Esta respuesta incluye un aumento generalizado de la actividad simpática y liberación de adrenalina. ·Los vasos sanguíneos que tienen receptores ~2 responden a la adrenalina dilatáridose. Este tipo de vasodilatadón mediada por receptoies ~ 2 aumenta el flujo sanguíneo hacia el corazón, los músculos esque. !éticos y el hígado, que son tejidos que pennanecen activos du* rante la respuesta de lucha o huida (El hígado produce glucosa para la contracción muscular.) Durante la lucha o la huida, la actividad simpática aumentada en los receptores a de las arteriolas causa vasoconsfricdón. El aumento de la .resistencia desvía la sangre desde los órganos no esenciales, como el aparato digestivo, a los músculos esq uelétlcos, el hígado y el corazón. La capacidad del sistema nervioSo para alterar selectivamente el flujo sanguíneo de los órganos es un aspecto importante de la regulación canfiovascular. RE,)i'!SIÓN

i\$~ª"'fLQué ocurre cuando la adrenalina estimula a los receptores ::,_¡~s:·; ~ 1

..,.

presentes en el corazón? ¿Y a los receptores~ en el cora· zón? [Sugerencia: "en el coraZón" es"vago. El corazón tiene muchos tipos de tejidos. ¿Qué tejidos cardiacos tienen !os di· ferentes tipos de receptores~? {~p. 491)]

9. Las arteriolas del músculo esquelético tienen tanto recepto-

res a.como ~en su músculo liso. La adrenalina se puede unir con ambos. ¿Las arteriolas se contraen o se dilatan en res-puesta a la adrenalina? Explique. Respuestas en la p. 533

514

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de !a presión arterial

0 FIGURA 15~12 Control tónico del diámetro de las arteriolas

Intercambios en los capilares

8 diámetro de las arteriolas está controlado por la-secreción tónica de noradrena!ina.

515

{a} El flujo sanguíneo qua circula por cuatro vasos idénticos (A·D) es el mismo._ El flujo que ingresa en los vasos es equivalente al que sale de elfos.

Noradrena!ina

Lfmin

''"'"'""'""-=M

8 desde la neurona

1 11 1 1 1 1

Tiempo--Jo Activldad tónica 1

~bio en !a frecuencia de la sefial

Rujo total:

4Umin

(b) Cuando el vaso Sse contrae, !a resistencia de S aumenta y el. flu'¡a que !o atraviesa disminuye. 8 flujo que se desvla de B se dMde entre los vasos da menor resistencia A, C y D.

11111111111111111 Tiempo-

TiempoD!sminución da la frecuencia dalasefial

Aumento de la frecuencia - de la señal

Rujo to~al no modificado:

1

DISTRIBUCIÓN DE LA SANGRE HACIA LOS TEJIDOS

La distribución de la sangre en la circuladOn sistémica varía en función de las necesidades metabólicas de cada órgano y de. pende de una combinación de mecanismos de control local y de reflejos homeostáticos. Por. ejemplo,_ los músculos esqueléticos en reposo reciben alrededor del 20% del volumen minuto. Durante el ejercido, cuando los músculos utilizan más oxígeno y nutrientes, reciben hasta el 85% del volumen minuto. El flujo sanguíneo que reciben lqs·órganos depende en cierta medida de la cantidad y el tamaño de las arterias que los nutren. _En la figura 15-13 [j se ilustra:la distribución d_e la sangre hada diversos órganos cuando el cuerpo se encuentra en reposo. Usualmente~ de dos terceras partes del volumen minuto se dirigen al tu~ digestivo, el hígado, los músculos y los riñones. Las modificaciones del flujo sanguíneo hada los diversos tejidos es posible por la disposiÍ:tón en paralelo de las arteriolas corporales. Esto significa que todas las arteriolas reciben sangre de la aorta al mismo tiempo (Fig. 15-1). El flujo sanguíneo total que circula por todas las arteriolas del cuerpo siempre equivale al volumen minuto. · Sin embargo, el flujo que circula por cada arteriola depende de su res~encia. Cuanto mayor es la resistencia una arteriola, menor-he! flujo que pasa por ella. Si una arteriola se contrae y su resistencia aumenta, ei flujo sanguíneo deSciende (Fig. 15-IHJ):

en

El FIGURA 15-14 El flujo sanguíneo que circula por Jos vasos depende de la-resistencia al flujo en cada vaso

Flujoar:er~o~a oc 1/resistend~eriola

En otras palabras, la sangre se desvia de las arteriolas de roa· yor resistencia hada las de menor resistencia. Se podría decir que la sangre que circula a tr¡¡vés de las arteriolas transcurre por la vía de menor resistencia. En un tejido, el flujo sanguíneo que circula por cada capilar está sujeto a la regulación de los esfínteres precapilares descritos antes en este capítulo. Cuando estas pequeñas bandas de músculo liso en las uniones entre las metarteriolas y los capilares se contraen, se limita el flujo sanguíneo que se dirige a los capila· res (Fig. 15-15 GJ). Cuando los esfínteres se dilatan, aumenta el flujo sanguíneo que ingresa en los capilares. Este mecanismo aporta otro sitio donde se puede controlar localmente el flujo sanguíneo.

,~,R E-~ifl S 1Ó N

~~~Jó. Utilice !a Figura 15·3 para responder a estas preguntas: 1~}·:-

a) ¿Qué tejido tiene el flujo sangufneo más abundante por unidad de peso? b) ¿Qué tejido tiene el flujo sanguíneo más escaso en forma independiente del péso?

Respuesta en !a p. 533

INTERCAMBIO EN LOS CAPII.ARES El transporte de sustancias en el cuerpo es sólo una de las fun· dones del aparato cardiovascular. Cuando la sangre llega a los capilares, el plasma y las células intercambian sustancias a través de las delgad"as paredes de los capilares. La mayoría de las células se

4Umin

PREGUNTA ¿Cuál es la ve!ocldad del flujo sangulneo qua circula porlos pulmones?

0 FIGURA 15·13 Distribudón de la sangre en el cuerpo en reposo El flujo sanguíneo que se dirige a los órganos principales está

representado de tres maneras: como porcentaje del flujo total, como volumen cada 100 g de tejido p9r minuto y como velod· dad absoluta del flujo (en Uminuto). encuentra a menos de 0,1 mm del capilar más cercanO y la difu. sión en esta corta distancia se produce a gran velocidad. La densidad de capilares en un tejido determinado está direc· tamente relactonada con la actividad metabólica de las células que componen ese tejido. Los tejidos que tienen mayor actividad metab?lica requieren más oxígeno y nutrientes. Estos tejidos tie-

nen más capilares por unidad de superficie. El tejido subcutáneo y el cartílago tienen una densidad mínima de capilares. Los músculos y las glándulas tienen la máxima densidad de capilares. De acuerdo con una estimación, el cuerpo humano adulto tiene alrededor de 80 500 kilómetros de capilares, con una superficie total de inteiCambio superior a 6 300 mZ, casi la superficie de dos canchas de fútbol americano. Los capilares tienen las paredes más delgadas de todos los vasos sanguíneos y estas paredes están compuestas por una sola capa de células ettdoteliales planas apoyadas sobre una lámina basal (Fig. 15-2). El diámetro de un capilar es igual al de un eritroci· to, por lo que estas células deben atravesar estos vasos en hilera. Los enlaces entre las células endoteliales varían de un tejido a otro y ayudan a determinar la penneabilidad de Jos capilares. Los capilares se pueden clasificar en dos tipos de acuerdo con su estructura. Los más comunes son los capilares continuos, cuyas células endoteliales se unen por enlaces permeables (Fig. 15-16a m). Estos capilares se encuentran en el músculo; el tejido conectivo y el tejido n~oso. Los capilares continuos del encéfalo evolucionaron para constituir la barreta hematoencefálica y tienen uniones estrechas que protegen el tejido nervioso de las toxinas que podñan estar presentes en la comente sanguínea ( ~p. 299). Los capilares fenestrádos ({enestras, ventanas) tienen poros (fenestras) grandes que permiten que grandes volúmenes de líqui-

516

Intercambios en tos capilares

Capítulo 15 Flujo sangufneo y control de la presión arteria! (a) Cuando tos esfínteres precapilaras están relaJados, !a sangre circula a través de todos ros capi[aras del [echo.

1 Arteriola

Esfínteres

·Vénuia

Capllares

precapilares relajados (b) Sl los esfínteres precapi!ares se·~ntraen, el flujo sanguíneo se desvía ~mpletamente de los capl!ares y circula a través da ras matartertolas.

mFIGURA 15-15 Esfínteres precapilares

(a) Los capilareS continuos contienen uniones penneables.

do circulen a gran velocidad a través del plasma y el líquido in· terstictal (Fig. 15-16b). Estos capilares se localizan sobre todo en los riñones y el intestino, epitelios transportadores con capacidad absortiva. Hay tres tejidos -la médula ósea, el hígado y el bazo- que no tie. nen capilares típicos, sino vasos mÓdificados denominados sinusoi· des, que son hasta cinco veces más anchos que los capilares comunes. El endotelio del sinusoide tiene fenestradones y también puede tener espacios entre las Wulas. Los sinusoides se encuentiafi en los sitios donde las células de la sangre y las protefnas deben atravesar el endotelio para ingresar en !a sangre. Enlafiguta 164, "La médula ósea", se olmtvan células sanguíneas que abandonan la médula ósea deslizándose entre las células endoteliales.

La velocidad del flujo sanguíneo es mínima en los capilares En el capítulo 14 vimos que, cuando el flujo sanguíneo es constante, su velocidad es mayor en los V que representan cortes transversales de todos los capilares colocados uno

{b) Los capilalas fenastrados tienen poros grandes.

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a) ¿Es la velocidad del flujo directa o rnversamenta proporciooal al área- transversa!? b) ¿Qué efecto produce fa mocifficacrón del área transval$al sobra la velocidad del flujo?

®FIGURA 15-17 La veloddad del flujo depende del área.

transversal total de los vasos

junto al otro. Para los capilares, este círculo cubriría un área· mucho mayor que las áreas de los cortes transversales de todas las ar· . tedas y las venas juntas. Por ende, como el área transversal.total de los capilares es tan grande, la velocidad del flujo que los atraviesa es baja. En la figura lS-17 mse comparan las áreas transversales de di· ferentes partes de la circulación sistémica con la veloddad del flu· jo sanguíneo en cada parte. El flujo más rápido se observa en el sistema arterial con diámetro relativamente pequeño. El flujo más lento se produce en los capilares y las vénulas, que en conjunto tienen el área transversal más ampna. La baja velocidad del flujo a través de los capilares es una característica útil que permi· te que la difusión se realice durante el tiempo suficiente para al· canzar el equilibrio (!!!p. 133).

La mayor parte del intercambio en los capilares se produce por difusión y transcitosis El intercambio entre el plasma y el líquido intersticial se produce por el movimiento de las sustandas entre las ¡::élulas endoli!l FIGURA 15~16 Los dos tipos de capilares

517

tellales (la vía paracelular) o a través de ellas (transporte transendoteliizQ. Los solutos más pequeños y los gases disueltos se despla-

zan por difusión entre o través de las células, según su liposo.lubilidad ( i'1il p. 24). Los solutos más grandes y las proteínas se desplazan sobre todo por transporte vesicular {~p. 148). La velocidad de difusión de los solutos disueltos depende prindpalmente del gradiente de concentración entre el plasma y el líquido intersticial. El oxígeno y el dióxido de carbono difunden libremente a través del endotelio. Sus concentraciones alcanzan un estado de equilibrio entre el líquido interstidal y las"células en el momento en que la sangre se aproxima al extremo venoso del capilar. En los capilares con uniones celuiares permeables, la mayoría de los solutos pequeños disueltos puede difundir con h'bertad entre las células o a través de las fenestractones. Las células de la sangre y la mayoria de las proteínas ·plasmáticas son Incapaces de atravesar las uniones entre las células endoteliales de los capilares. Sin embargo, se sabe que las proteínas se desplazan desde el plasma hada el líquido lnterstidal y viceversa. En la mayoría de los capilares, las moléculas más grandes (incluso algunas proteínas) se mueven a través del endotelio por transdtosis {~p. 153). La superlicte de las células endoteliales tiene numerosas caveofas y fositas no recubiertas que se convierten en vesículas para la transcitosls. E.s probable que en algunos capilares cadenas de vesículas se fusionen para crear canales abiertos que atraviesan la célula endotellal (Fig. 15-16b).

La filtración y la absorción capilar se producen por flujo global Una tercera fonna de intercambio en los capilares es el flujo global hada el interior y el exterior de Jos capilares. El flujo globales el mÓvimiento de gran cantidad de líquido entre la sangre y elliquid.o intersticial a favor de gradientes de presión hidrostá· tica u osmótica. Si el flujo global se dirige hada el interior del ca. pilar, el movimiento del líquido se denomina absorción. Si el flu. ¡o se dirige hacia el ~or del capilar, el movimiento de líquido se denomina ffittaclón. La filtración en los capilares es el resultado de la presión hidrostática que impulsa el líquido hada el exte· riOI de los capilares a través de uniones permeables entre las célu· las. A modo de analogía, se puede comparar con las mangueras utilizadas para regar el jardín, cuyas paredes perfora~ permiten la salida del agua. La mayoría de los capilares muestran una transición desde la filtración neta en el extremo arterial hasta la absorción neta en el extremo venoso. Sin embargo, esta regla tiene algunas excepciones. Por ejemplo, Jos capilares en algunas partes del riñón filtran el líquido en toda su longitud y algunos capilares del intestino sólo absorben sustancias, lo que les permite retener los nutrientes digestivos transportados desde la luz del intestino hacia ellíqui· do interstidal. Hay dos fuerzas que regulan el flujo maSivo en los capilares. Una es la presión hldrostática, que es el componente de presión lateral del flujo sanguíneo que impulsa el liquido a través de los poros de los capilares ( ~p. 461), y el otro es la presión osmótica ( ~ p. 155). Estas fuerzas se suelen denominar fue¡zas de Stmfmg debido al fisiólogo Inglés E. H. Starllng, que fue el primero en descnbirlas (el mismo Starling de la ley de Frank-Starling del conzón).

1

Sistema linfático 518

519

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

Presión neta= gradiente de presióJl hidrostática + gradiente de presión osmótica coloidal

{a} Filtración en los capilares siStémicos

Presión neta =presión hidrostática- pn¡s!ón osmótica COloidal

La presión h"idrostática P~ impulsa e! líquido fuera de !os

.., . P~

32mm

capilares

25mm

La presión osmótica coloidal de las proteínas dentro del cap¡lar atrae ellíqÚido hacia el interior del capilar

,.............~-==,,--~~--

.

REFERENCIAS Pcaa = presión hidrostática del capilar

1

L::~~~n,_~~~~ coloidal

(bl Relación entre los capilares y los vasos linfáticos los vasos linfátíoos absorben el exceso de agua y solutos que se filtran del capl!ar y los retoman a la circuración,

1

8 AGURA 15-18/ntet'(ambio de liquido en un capilar

los capilares filtran un promedio neto de 3 Udía. La presión osmóüca depende de la concentración de soluto en . a medida que la sangre transcurre por el capilar y se pierde ener· gía debido al rozamientg. Los valores pwmedio de la presión hi· un compartimento. la principal diferenda de solutos entre el plas· drostática del capilar, que se muestran en la figura 15·18a, son 32 ma y el líquido ínterstidal se debe -aJas proteínas presentes en el mm Hg en el extremo arterial del capilar y 15 mm Hg en su ex:· plasma pero casi ausentes en el líquido ínterstidal. la presión osmótremo venoso. La presión hidrostática del líquido intersticial
=Pb>daafum. + lt¡,.m -.de otro Si se considera que las presiones hidrostática interstidal y os· mótica coloidal se aproximan a cero, como se vio antes, se obtie· nen los siguientes valores e_n el extermó arterial del capilar:_ Presión netatttmrwanu~a~ =(32 mm Hg- O) + (O- 25 mm Hg) 32-25mm Hg=7mm,Hg Como en el extremo arterial la Pmcta afuera es mayor que 1'tru.ct. la preSión neta corresponde a 7 mm Hg de presión de fil· tradón. En el extremo venoso, donde la presión hidros_tática del capilar es menor: a'

P netaatr=vet'.oso= (15 mm Hg- O)+ (0-25 mm Hg) = 15-25mm Hg=-10mmHg En este caso 7ítact. adentro es mayor que Pb.tda arom y, en consecuenda, la presión neta es de 10 mm Hg y favorece la absordón. (La presión neta negativa Indica que tiene lugar la absotción.) En la Figura 15-18a se muestra el movimiento de líquido a tra· vés de toda la longitud del capilar. En el extremo arterial se produce filtración neta y en el extremo venoso se produce absorción neta. Si el punto en el cual la filtración iguala a la absorción ocu· rre en la mitad del capilar, no habrá movimiento neto de líquido. Todo el volumen filtrado en el extremo arterial se absorberá en el extremo venoso. Sin embargo, la filtración suele ser mayor que la ·absorción, lo que determina el flujo masivo de líquido fuera del capilar hada el espado intersticial. De acuerdo con la mayoría de los cálculos, el flujo masívo moviliza alrededor de 3litros por día, ¡lo que equivale al volumen plasmático completo! Si este líquido filtrado no regresara al plasma, la sangre se convertiría en un re-siduo de células de la sangre y proteínas. La reposídón del líqui· do perdido de los capilares hada el aparato circulatorio es una de las funciones del sistema linfático, que estudiaremos a ~ntinua­ dón.

.R.!WISIÓN

~\('~tSuponga que la presión hidrostMica Papen el extremo

x1!JY

arterial del capilar aumenta desde !os 32 mm Hg observados en la Figura 1S.18a h_asta 35 mm Hg. Si laPa permanece en 15 mm Hg en el extremo venoso, ¿!a fi~ tración neta en este capilar disminuye, aumenta o per· manece wnstante? · 12. Una persona que experimenta una hepatopatia puede perder la capacidad de sintetizar proteínas plas[i'láti· cas. ¿Qué sucede con la presión osmótica coloidal de su sangre? ¿Qué sucede con el equllibrio entre la fit. tración y la absorción en sus_capilares? 13.¿Por qué estudiamos la presión osmótica del plasma en lugar ~e su osmolaridad?

Respuestas eh !a p. 513

SISTEMA LINFÁTICO Los vasos del sistema linfático interactúan con otros tres sistemas ~ológicos: el aparato cardiovascular, el apara~ digestivo y

el sistema inmunitario. Las fundones del sistema linfático son 1) regresar el líquido y las proteínas filtradas de los capilares al apa· rato ctrculatorlo, 2) captar la grasa absorbida en el intestino del· gado y transferirla al aparato circulatorio y 3) actuar como filtro para contribuir a la captura y la destrucción de los patógenos extraños. En esta secdón se analizará la fundón del sistema Jinfáti· co en el transporte de líquido. Las otras dos funciones se estudia· rán con la digestión (capítulo 21) y la inmunidad (capítulo 24). El sistema linfático está diseñado para permitir el movimien· to unidireccional del líquido intersticial desde los tejidos hada la drculación. Vasos linfáticos con extremos degos (capilares lin{iitícos) yacen cerca de los capilares sanguíneos, excepto los que se encuentran en los riñones y el sistema nervioso central (Fig. 15· 18b). Los vasos linfáticos más pequeños están compuestos por una sola capa de endotelio plano que es incluso más delgado que el endotelio capilar. · Las paredes de estos vasos linfáticos diminutos se fijan al tejí· do conectivo circundante a través de fibras que mantienen abiertos estos vasos de pared delgada. Las grandes brechas entre las células permiten el ingreso de líquido, proteínas intersticiales y par· ticulas como bacterias en los vasos linfáticos a través de flujo masivo o global. Una vez dentro de los linfáticos, este líquido claro recibe el nombre de linfa. Los vasos linfáticos presentes en Jos tejidos se unen para for· mar vasos más grandes, cuyo tamaño aumenta en forma progresiva (Fig. 15-19 B). Estos vasos tienen un sistema de válvulas semilunares similares a las de la circuJadón venosa. Los conductos linfáticos más grandes desembocan en Ja drculadón venosa justo debajo de las clavículas, donde las venas subclavias ízquierda y derecha confluyen con las venas yuguJares internas. Alo largo de su recorrido los vasos linfáticos ingresan en ganglios linfáticos, que son nódulos de tejido de forma arriñonada con una cápsula fibrosa externa y un grupo interno de células inmunológicamen· te activas, como linfocitos y macrófagos. El sistema linfático no tiene una bomba como el corazón. El flujo linfático depende sobre todo de la contracción del músculo liso en las paredes de los vasos linfáticos más grandes, Las fibras contráctiles presentes en las células endoteliales contribuyen con este flujo, así como la compresión externa generada por los músculos esqueléticos. La bomba muscular esquelética cumple un papel importante en el flujo linfático, como se advierte cuando se produce una lesión en la muñeca o el tobillo. Un miembro inmovilizado se sue· le hinchar debido a la acumuladón de lfquído erí el espado tnterstidal, y esta entidad se conoce como edema (oidema, tumefac· dón), Los padentes con edema en un miembro lesionado deben elevar el miembro por endma del nivel del corazón para que la fuerza de gravedad ayude al retomo del flujo linfático hada la sangre. Una razón importante por la cual se debe recuperar el líquido filtrado hada la circulación es para poder reciclar las proteínas plasmáticas. El cuerpo debe mantener una concentradón plasmá· tica baja de proteínas en el líquido interstidal porque la piesión osmótica coloidal es la única fuerza significativa que se opone a la presión hidrostática del capilar. Si las proteínas se desplazan desde el plasma hada el liquido interstidal, el gradiente de pre· sión osmótica que se opone a la filtración disminuye. Si hay una

1

520

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial Conducto torácico ~infa del lado izqulenfo)

Regulación de la presión arterial

redistnbudón de las proteínas desde el plasma hacia el líquido intersticial.

El edema se produce debido a alteradones del intercambio capilar El edema es un signo que indica un desequilibrio en el intercambio normal entre el aparato ctrculatorio y los linfáticos y suele produdrse debido a una de dos causas: 1) drenaje inadecuado de la linfa o 2) filtración de sangre en el capilar que excede la alr sordón. Cuando se produce una obstruCCión del sistema linfático, especialmente en los ganglios linfáticos, el drenaje linfático se toma inadecuado. Los parásitos, el cáncer o la proliferación de te. jido fibroso asociada con radioterapia pueden inhibir el movimiento de la lirúa a través del sistema. Por ejemplo, la elefantiasis es una enfermedad crónica caracterizada por un aumento signifi. cativo -del tama:i'1o de los miembros inferiores produdda por parásitos que bloquean los vasos linfáticos. El.drenaje linfático también se puede alterar cuando se extirpan los ganglios lirúáticos durante una cirugía, un procedimiento frecuente para el diagnós.. tico y el tratamiento del cáncer. Los factores que alteran el equilibrio normal entre la filtración y la absorción en los capüares son los siguientes: Unfáticos del-iflft ~ miembro inferiOI'

La linfa desemboca en la circulación ve11osa.

llll FIGURA 15-19 Sistema linfático

los vasos linfático~ con extre'mos·degos eliminan e! líquido y !as protefnas filtradas.

menor oposiQ.ón a la presión hidrostática del capilar, se produce un desplazamiento de mayor cantidad de líquido hada el espacio intersticial. La inflamación representa ~ ejemplo de una situación en la que se altera el equilibrio entre la presión osmótica coloidal y la presión hidrostática. La histamina Secretada durante la respuesta inflamatoria aumenta la permeabilidad de las paredes de los capilares y pemn.te que las proteillas escapen del plasma ~da el líquido intersticial. Por ende, la hinchazón local que aparece ep. una región inflamada es un ejemplo de edema ocasionado por la

521

l. Atmiento de la presi6n hidrostd_tica capilar. El aumento de la

presión hidrostática suele reflejar un incremento de la presión venosa. En general, la elevación de la presión arterial no influye en los capilares debido a la autorregulación de la presión en las arteriolas. Una causa frecuente de aumento de la presión venosa es la insuficiencia card(aca, un trastorno en el que un ventriculo pierde su fuerza de bombeo y no puede impulsar toda la sangre que llega desde el otro ventriculo (véase capítulo 14, Revisión número 31, en la p. 489). Por ejemplo, si el ventrículo derecho empieza a fallar pero el ventríc;ulo izquier. do m"antiene su volumen minuto, se acumula sangre en la circulación sistémica. La presión arterial aumenta pñmero en la aurícula derecha y luego en las venas y los ·capilares que llevan sangre a las cavidades derechas ·del corazón. Cuando la presión hidrostática capilar aumenta, la filtra. ción supera en gran medida a la absorción y se produce edema. Z. Disminudón de la amceirtrad6n plasmática de protefnas. Las concentraciones plasmáticas de Proteínas pueden dismi· nuir como consecuencia de desnutrición grave o insuficiencia hepática. El hígado es e!Sítio principal donde selleva a cabo la síntesis de proteínas. 3. AumentO de la amcentrad6n intersticial de proteínas. Como se analizó con anterioridad, la fillr¡l.dón excesiva de proteínas desde· la sangre reduce la presión osmótica coloidal del plasma y aumenta la filtración neta en los capilares. En ocasiones, las modificaciones del equilibrio entre la filtración y la absorción contribuyen a mantener la homeostasis corporal. Por ejemplo, si la presión arterial disminuye, la presión hi· drostática del capilar también se reduce. Este cambio aumenta la absorción de liquido. Si la presión arterial se reduce dem~iado,

Pasaron varias semanas y Carlos reg~ al consultorio del doctor Cortez- para una nueva evaluación. la presión arterial de Carlos se aproximó al rango normal y su promedio era 135187. uPero doctor, ¿me puede indicar algo para esta tosedUa seca? No me siento mal, pero me está volviendo loco." El doctor Cortez le explicó que !a tos seCa era un efecto colateral ocasional de los inhi· bídores de la ECA. nEs más molesto que preocupante, pero po~e­ mos cambiar su medicación. Esta vez me gustaría intentar con un bloqueante de los canales de calcio.§

Pregunta4: ¿Cómo disminuyen la presión arteria/los bloqueantes de tos canales de caldo?

~501

fil FIGURA 15-20 Asdtis (edema abdominal} en un niña con

desnutrición proteica El término africano que designa la desnutrición proteica es kwashíorkor.

predomina la absorción neta en los capilares en lugar de la filtración neta. Este mecanismo pasivo ayuda a mantener el volumen sanguíneo en caso de hipotensión arterial extrema, como en caso · de hemorragia o deshidratación grave. R~,\PISIÓN

¡'@ .414. Si e! ventrirulo izquierdo no puede bombear la sangre

\2@V -

con normalidad, ¿a qué conjunto de vasos sangulneos regresa la sangre? ¿Dónde espera que aparezca edema? 15.los niños desnutridos que consumen cantidades ina-

decuadas de proteínas con la dieta suelen presentar abdómenes muy hinchados; este trastorno, que se puede describir como edema del abdomen, se denomina ascitis {Fig. 15·20 m). Utilice la información sobre la filtración en el capilar para explicar la razón por la cual la desnutrición ocasiona ascitis. Respuestas en la p. 533

REGULACIÓN DE LA PRESIÓN ARTERIAL El sistema nervioso central coordina el control reflejo de la presión arterial. El centro de integración principal se encuentra en el bulbo raquídeo. Sin embargo, debido a la díficultad para evaluar las redes nerviosas en el encéfalo, todavía se sabe relativamente poco sobre los núcleos, los neurotransmisores y las interneuronas de los centros bulbares de control cardiovascular.

El reflejo barorreceptor es el control homeostático primario de la presión arterial La fund.ón principal del centro de control cardiovascular es mantener el flujo sanguíneo adecuado hada el cerebro y el cota· zón. ~l estímulo aferente sensitivo que reoOe este ~tro de inte.

-~~~ :·~_13 ____'_~

gración proviene de varios receptores sensitivos periféricos. Mecanorreceptores sensitivos de estiramiento denominados barorreceptores en las paredes de las arterias carótidas y aorta (Fig. 15-21 m¡ controlan la presión de la sangre que drcula hada el cerebro (baroneceptores carotídeos) y el organismo (barorreceptores aórticos). Los barorreceptores carotídeos y aórticos son receptores de estiramiento tónicamente activos que generan potenciales de acción en forma continua cuando la presión arteñal es nonnal. La vía refleja primaria del control homeostático de la presión arterial es el reflejo barorreceptor. Cuando el aumento de la presión en las arterias estira la membrana del barorreceptor, se dispara un aumento de la frecuencia de descarga del receptor. Si la pre. sión arterial disminuye, la frecuencia de descarga del receptor también se reduce. Los potenciales de acción generados por los baroneceptores viajan al centro de control cardiovascular bulbar a través de neUronas sensitivas. El centro de control cardiovascular integra los es-tímulos sensitivos aferentes y desencadena una respuesta apropiada. La respuesta del reflejo bawrreceptor es bastante rápida: se producen cambios en el volumen minuto y la resistencia periféri· ca en menos de dos latidos desde la llegada del estímulo. Los estímulos eferentes que proceden del centro de control cardiovascul~ viajan a través de neuronas autónomas tanto simpáticas como parasimpáticas. La resistencia periférica está bajo control simpático tónico, y el aumento de la estimulación simpática produce vasoconstricción. La fundón cardíaca está regulada por un control antagonista. El incremento de la actividad simpática aumenta la frecuencia cardíaca en el nodo sinoauricular, re4uce el tiempo de conducción a través del nodo auriculoventricular (AV) e incrementa la fuerza de la contracción miocárdica. El aumento de la actividad parasimpática reduce la frecuencia cardíaca pero sólo ejerce un mínimo efecto sobre la contracción ventricular. En la Figura 15~22 m se resume el reflejo barorreceptor. Cuan~ do la presión arterial se incrementa, la velocidad de descarga de Jos barorreceptores aumenta, lo que activa el centro de control cardiovascular bulbar. En respuesta, el centro de control cardio-

1

522

Regulación de la presión arterial

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

523

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f REFERENCIAS ' Estfmu!o

REFERENCIAS

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Estfmu!o

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PREGUNTA

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Mencione !os neurotransmisores y los receptores para cada tejido

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El FIGURA 15·21 Componentes del reflejo baroffeceptor

vascular· aumenta la actividad parasimpática y disminuye la actividad simpática para reducir la frecuencia cardíaca. Al bajar la fre. cuencia cadíaca, disminuye el volumen minuto. En la circulación, la disminución de la" actividad simpática caW!a una·dilatación de las arteriolas, lo que permite un mayor fluyo de sangre por las arterias. la combinación de disminución del volumen minuto con reducción de la resistencia periférica provoca un descenso de la presión arterial media. · La función cardiovascular puede ser modulada por estímulos afen;ntes procedentes de receptores periféricos diferentes de los barorreceptores. Por ejemplo-, quimioneceptores arteriales activados por concentraCiones bajas de oxígeno en la sangre estimulan un aumento del volumen minuto..El centro de control cardiovascular también tiene comunicación recíproca con centros bulbares que controlan la respiración. La integración de la función entre los aparatos respiratOrio y circulatorio es adaptativa. Si los tejidos requieren más oxígeno, el aparato cardiovascular le sum.in.istra más, y funciona en forma coordinada con el aparato respiratorio. En consecuencia, un aumento del vOlumen minuto suele aSociarse con un incremento de la frecuencia respiratoria. La presión arterial también está sujeta a la modulación de centros encefálicos superiores, como el hipotálamo y la corteza cerebraL El hipotálamo es responsable de las respuestas vasculares im-

¡

!'

plicadas en la regulación de la temperatura corporal (véase capítulo 22) y en la respuesta de lucha o huida. Respuestas.aprendidas o emoéionales se pueden originar en la corteza cerebral y expresar a través de respuestas cardiovasculares como ru~or y lipo-

'

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timia.

Uno de estos reflejos es la respuesta vasovagal, que algunos individuos experimentan cuando ven sangre o una aguja hipodérmica. (Recuérdese la experiencia de Antonio al comienzo de este capítulo.) De esta manera, el aumento de la actividad parasimpática y la disminución de la actividad s¡mpática reducen la frecuencia cardíaca y OC
mFIGURA 15-22 Reflejo baroffeceptor: respuesta al aull?ento de la presión arterial R~V'ISIÓN . _6i_.,"§:f6.tos barorreceptores tienen canales iónicos sensibles a! 1%''\:'< estiramiento en sus membranas celulares. El aumento ··· · de !a presión estira la membrana plasmática del receptor; abre los canales y dispara potenciales de acción. ¿Qué ión tiene más probabilidades de atravesar estos canales y en qué dirección (hada el Interior o el exterior de la célula)? Respuesta en la p. 533

La hipotensión ortostática dispara el reflejo barorreceptor El reflejo barorreceptor fundona todas las mañanas cuando usted se levanta de la cama. En posición de decúbito, las fuenas graV!tacionales se distribuyen en fonna equitativa en las áreas su-

perlar e inferior de todo el cuerpo y la sangre también se distribuye de manera uniforme en toda la circuladón. Cuando usted se pone de pie, la gravedad hace que la sangre se acumule en los miembros inferiores. Esta acumulación provoca un descenso instantáneo del retomo venoso.· Como consecuencia, llega menos sangre a los ventrículos al comienzo de la siguiente contracdón. El volumen minuto disminuye de 5 L/minuto a 3 L/ minuto y provoca un descenSo de la presión arterial. Esta disrninudón de la presión arterial al ponerse de pie se Uaina hipotensión ortostática (orthos, erguido; statikos, pararse). La hipotensión ortostática que se produce en una persona normal dispara el reflejo barorreceptor. Los barorreceptores carotídeos y aórticos responden al descenso de la presión arterial disminuyendo su velocidad de descarga (Fig. 15-23 fl). La reducción de lOs estímulos sensitivos aferentes que ingresan en el centro de

1

524

Enfermedad card1ovascu!ar

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

"'"~;VISIÓN

~EfERENCIAS

~\t~)-"17. En la película Jurassic Park, e! doctor Jan Malcom debe

,- ( ) E$t!mulo

.-: tZJ c=-.r

Receptor

, @ID

Centro Integrador

'~--&·

vra aferente

· ~ Vía eferente

Respuesta en la p. 533

-~-:(i!l EfeCtor Respuesta del tejido

. EID @

ENFIERMIEDA!> 0\R!)ICIVASC:I.JLAR

Respuesta sistémica

P"EGUNTA Para cada

* menclona el nombro del

'"""'

. neurolmnsmiSQf yel tipo de receptor.

mFIGURA 15--23 Reflejo barorreceptor: r~spuesta a la hipotensión ortostática control cardiova$CU1ar estimula la actividad Simpática y disminuye la actividad parasimpátici Como conseruenda de estas modifica· dones autónomas, la frecuencia cardíaca y la fuerza de la contracción aumentan, ·a la _Vez que las arteriolas y las venas se conttaen. La combiiiación del aumento del volumen minuto y el incremento de la resistencia periférica provoca una elevadón de la presión arterial media y su normalización luego-de dos latidos. La bomba muscular esquelética también cont:r:ibuye a lá rt;CUperadón de la presión arte.. rial al estimular el retomo venosO cuap.do los músculos del abdomen y las piernas se contraen para mantener la posidó!l erguida. Sin embargo, el reflejo barorreceptor no siempre es efectivo. Por ejemplo, durante el rePoso en cama prolongado o en condi· dones de gravedad cero de los vuelos espaciales, la sangre proce-

escapar del T. Rex. Dibuje un mapa de los reflejos don· de se muestra la respuesta cardiovascular ante esta si· tuadón de lucha o huida, (Sugerendas: ¿Cuál es el estímulo1 El miedo se integra en el sistema lfmbico.)

dente de los miembros inferiores se distribuye de manera unifor· me en todo el cuezpo en lugar de acuniu.larse en los miembros in· feriores. Esta distribución pareja aumenta la presión arterial y estimula a los riñones para que excreten lo que se percibe como una concentradón excesiva de líquido. L1,1ego de tres _días, la excreción de agua prod1,1ce una disminución del12% del volumen san· guineo. Cuando finamente la persona se. levanta o regresa a la Tierra, Ia gravedad vuelve a hacer que la sangre se acumule en las piernas. Aparece hipoten~ión ortostática y los baroÍreceptores in· tentan compensarla. Sin embargo, en esta situación, el aparato cardiovascular es incapaz de restablecer la pre~Ión arteñal debido a la pérdida del volumen sanguíneo y el individuo puede marear· se por la disminución del aporte de oxígeno al cerebro.

Las eillennedades del corazón y los yasos sanguíneos, como los infartos de miocardio y los accidentes cerebrovasculares, son responsables de más de la mitad de las muertes en los Estados Unidos. De acuerdo con el informe de la American Heárt Assocta. tion (Asociación estadounidense de cardiología), en 2005 las en· fennedades cardiovasculares les costaron a los estadounidenses más de 393 mil millones de dólares en gastos médicos y lucro cesante. La prevalencia de la enfermedad cardiovascular se refleja en la gran cantidad de investigaciones que se realizan en todo el mundo sobre ese tema. Las investigaciones científicas van desde estudios clínicos a gran escala que evalúan eillermedades ~dio­ vasculares en miles de personas, como por ejemplo el Framing· ham Heart Study (&tudio del corazón Framingham} (Massachusetts), hasta experimentos en los niveles celular y molecular. Gran parte de la investigación celular y molecular está diseña· da para expandir los conocimientos sobre el funcionamiento tan· to normal como anormal del corazón y los vasos sanguíneos. Los científicos evalúan una virtual sopa alfabética de transportadores y reguladores. Algunas de estas moléculas, como la adenosina, la endotelina, el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF), el fosfolamban y el óxido nitrico, se estudian en esta sección y en el capítulo 14. A medida que aumentan los conocimientos sobre la función cardiovascular, también se empiezan a entender las acciones de fánnacos empleados desde hace siglos. Un ejemplo clásico eS el glucósido cardíaco digital ( ~ p. 492), cuyo mecanismo de acción quedó explicado cuando los científicos descubrieron la fundóri de la Na+.K+·ATPasa:. En muchos casos se descubre que se conoce la acci6n de muchos fármacos, aunque no se sabe con certeza la {arma en que actúan.

Los factores de riesgo de enfermedad cardiovascular induyen el tabaquismo, la obesidad y los factores hereditarios Como se analizó en el capítulo 1, cond~cir e interpretar las investigaciones en seres humanos es una empresa complicada, en parte debido a la dificultad de diseñar experinientos bien controlados {!i: p. 10). La importancia económica y social de la enfer· medad cardiovascular la convierte en el centro de interés de mu· chos estudios por año dado que los investigadores intentan mejorar los algoritmos terapéuticos y predictivos. (Un algoritmo es una serie de reglas o una secuencia de pasos que se utilizan para resolver un problema.) Se puede predecir la probabilidacl de que una persona padezca una enfermedad cardiovascular durante su vida mediante la evaluación de sus diversos factores de riesgo. La llst~ de factores de riesgo descritos en esta sec9óri es el resultado

525

del análisis de las historias clínicas de miles de pacientes durante muchos afies en estudios como el Framingham Heart Study. Con más información es posible agregar más factores de riesgo. En general, los factores de riesgo se dividen en los que rio están sujetos al control personal y los que se pueden controlar. La intervención médica está dirigida a la reducción del riesgo producido por los factores controlables. Los factores que no se pueden controlar son el sexo, la edad y los antecedentes familiares de enfermedad cardiovascular a edad temprana. Como se señaló antes en este capítulo, la cardiopatía isquémica o coronariopatía es una forma de enfermedad cardiovascular que consiste en el bloqueo de las arterias coronarias por depósitos de colesterol y coágulos de sangre. Hasta la mediana edad, los hombres presentan un riesgo entre 3 y 4 veces más elevado de cardiopatía isquémica en comparación con las mujeres. Después del os 55 afios, cuando lamayoria de las mujeres ingresaron en la menopausia, las tasas de mortalidad por cardiopatía isquémica se equiparan. En genéral, el riesgo de coronariopatía aumenta a medida que avanza la edad, La herencia también cumple un papel importante. Si una persona tiene uno o varios familiares que padecieron esta enfermedad, su riesgo aumenta. Entre los factores de riesgo que se pueden controlar se en· cuenttan el tabaquismo, la obesidad, el estilo de vida sedentario y la hipertensión no tratada. En los Estados Unidos, las enfermedades relacionadas con el tabaquismo representan la principal causa de muerte evitable, seguidas de las relacionadas con el sobrepeso y la obesidad. El sedent~mo y la obesidad presentan una incidencia creciente en los Estados Unidos desde 1991 y en la actualidad el 70% de los adultos estadounidenses presentan sobrepeso u obesidad. Hay dos factores de riesgo de enfermedad cardiovascular -au· mento de la concentración sanguínea de triglicéridos y diabetes me.. llitus-que tienen un componente genético incontrolableytm componente del estilo de vida modificable. La diabetes mellitus es tm trastorno metabólico que aumenta el riesgo del individuo de desa.· rrollar una cardiopatía isquémica dado que contribuye al desarrollo de aterosderosis {"endurecimiento de las arterias"), en la que se forman depósitos de grasa dentro de los vasos sanguíneos arteriales. El aumento de las concentraciones sérlcas de colesterol y triglicéridos también ocasiona ater,..,sderosis. (El metabolismo de los lípidos se describirá con más detalle en el capítulo 22.) La prevalencia creciente de estos factores de riesgo creó una epidemia en los Estados Unidos, con más de 1,4 millón de muertes en 2002 atribuidas a todas las formas de enfermedad cardiovascular.

La aterosclerosis en un proceso inflamatorio La cardiopatía isquémica es responsable de la mayoria de las muertes por enfermedad cardiovascular y el asesino número uno de estadounidenses. Veamos la causa subyacente de esta enferme· dad, la aterosclerosis. El papel de la hipercolesterolemia (aumento de la concentra· ción plasmática de colesterol) en el desarrollo de aterosderosis está bien establecido. Al igual que otros lípidos, el colesterol es poco soluble en las soluciones acuosas como el plasma. En consecuencia, cuando el colesterol procedente de la dieta se absorbe desde el tubo digestivo, se combina con lipoproteínas para au-

1

526

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

Enfermedad cardiovascular la LDL hada el espado extracelular y la acumulan debil.jo de la íntima. En esta área, los macrófagos ingieren el colesterol y otros lí· pidos y se convierten en células espumosas Cargadas de lipidos (Fig. 15-24b 0). Las dtocinas secretadas por los macrófagos estimulan la división de las células musculares lisas. Esta lesión {laesio, herida) temprana se denomina estría adiposa. A medida qué la enfermedad progresa, el núcleo lipídico crece y las células musculares lisas se reproducen constituyendo placas que sobresalen en la luz de la arteria. En los estadios avanzados de la aterosclerosis, las placas desarrollan regiones caldficadas duras y cubiertas de colágeno fibroso (Ftg. 15·24<:). Todavía se investiga el mecanismo por el cual se deposita carbonato de caldo. En el pasado se creía que la oclusión (bloqueo) ·de.Jos vasos sanguíneos coronarios por placas grandes era la causa principal de los infartos de miocardio, pero ese modelo cambió. El modelo nuevo establece que la formación de un cóagulo de sangre sobre las placas depende más de la estructura de la placa que de su tamaño. Las placas vulnerables tienen cubiertas fibrosas delgadas que tienen más probabilidades de roffiperse; lo que expone el colágeno y activa a las plaquetas que inidan la formadón de coágulos de sangre (trombos) {Fig. 15-24d). Las placas estables tienen envolturas fibrosas gruesas que separan el núcleo lipidko de la san~

527

musculares r!SaS

"' las citocinas de Jos macrófagos atraen a las células musculares lisas, que luego se empiezan a dividir y a absorber colesterol.

v[ij

{e) Placa fibrosa estable

1

mentar su solubilidad. (Los detalles de la digestión, la absorción y el metabolismo del colesterol se descrtbirán.en los capítulos 21 y 22.) Hay varias lipoproteínas asociadas con el colesterol, pero los médicos se interesan princtpalmente por dos de ellas: las que se encuentran en los complejos de lipoproteína de alta densi· dad con colesterol (HDL) y las que se encuentran en los complejos de lipoproteína de baja densidad con colesterol (LDL}. La HDL es la forma más deseable de colestewl sanguíneO porque los niveles elevados de este complejo se asocian con menor riesgo de infarto de miocardio. La LDL se suele llama colesterol "ínlllo" porque el aumento de su concentración plasmática se asada con el desarrollo de cardio. patía isquéroica. (Para recordar esta asociaci,ón se puede asociar "L" con "letal".) Sin embargo, niv_eies normales de IDL no son malos porque son necesarios para el transporte de colesterol den~ tro de las células. El sitio de fijadón de LDL, una proteína denominada apoB, se combina l=On un receptor de LDL ubicado en las fositas recubi~ de clatrina sobre la membrana celular, y el complejo formado por el receptor y la LDL ingresa en la célula por endodtosis (fi! fig. 5-24). El receptor de LDL se recicla para regresar a la membrana celular y el endosoma se fusiona con un lisosoma. Las proteínas que componen la LDL se digieren y convierten en aminoácidos y el colesterol libre se utiliza para formar parte de membranas celulares u honnOnas esteroideas. Aunque la LDLes necesaria para que la célula capte colestero~ la concentración excesiva de LDL en el plasma produce aterosderosis. Las células endoteliales que tapizan las arterias transporta:tÍ

--Se acumula un núcleo !lpídico debajo del endotelio. para aislar el núcleo flpíd!co.

1

'-,---Las células musculares lisas se d'Mden y contribuyen ~ al engrosamiento de la intima.

ca!cfficaciones se depositan dentro de la placa.

+

{d) Placa vulnerable

0 FIGURA 15-24 Desarrollo de las placas aterosderóticas

grey no activan las plaquetas. En la actualidad se considera que la aterosclerosis es un proceso inflamatorio en el que los macrófagos liberan enziinas que convierten las placas estables en placas vulnerables.· Si un coágulo bloquea el flujo sanguíneo hada el músculo car· díaco se produce un infarto de miocardio. El flujo sanguíneo obstruido en una arteria coronaria disminuye el aporte de oxigeno a las crlulas miocárdicas irrigadas por esa arteria. Las células priva-

das de oxigeno comienzan a depender del metabolismo anaeróbico (~p. 106), que produce ácido láctico (W). A medida que la producdón de ATP disminuye, las células contráctiles pierden su capaddad de bombear eaz.. fuera de la célula. La combinadón de concentraciones demasiado elevadas de (a2+ y H+ el citosol cierra las uniones comunicantes entre las células lesionadas. FM:e cierre aísla eléctricamente a las células dañadas que ya nó se pue~ den· vOlver a contraer y obliga a los potendales de acctón a bus~

en

528

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión arterial

La hipertensión es un factor de riesgo de aterosclerosis porque la presión elevada en las arterias lesiona la cubierta endotelíal de los vasos y estimula la formación de placas ateroscletóticas. Además, la presión arterial elevada aumenta la tensión que soporta el corazón al aumentar la poscarga ( f@ p. 493). Cuando la resistencia en las ar· tl 15 teriolas es elevada, el miocardio debe trabajar más para impulsarla ~ sangre hada las arterias. i~ Resulta sorprendente que el volumen sistólico pennanezca cons~o~*iO tanteen los pacientes hipertensos hasta que la presión arterial me~E dia se aproxima a 200 mm Hg. a pesar del aumento del trabajo que ~B debe realizar el ventriculo cuando la presión arterial se incrementa. El músculo cardíaco del ventrículo izquierdo responde al aumento ~ 5-<-~ ~ crónico de la resistencia sistémica de la misma manera que el músculo esquelético responde al entrenamiento en levantamiento de peso. El músculo cardíaco se hipertrofia, lo Ctue incrementa el tamaño y la fuerza de las fibras musculares. 115n5 135/85 155/95 175/105 1951115 No obstante, si la resistencia permanece elevada todo el tiempo, Presión arterial el músculo cardíaco es incapaz de adaptarse a la carga y empieza a 111 FIGURA 15·25 Relación entre el aumento de la presión ar· fallar. el volumen minuto del ventriculo izquierdo disminuye. Si el terial y el riesgo de enfermedadcardiovascular volumen ininuto del ventriculo derecho permanece normal cuando el del izquierdo se reduce, se acumula líquido en los pulmones y se produce edema. de pulmón. En esta situación, comienza un ciclo de car una ruta alternativa. Si el área de miocardio lesionado es grp.nretroalimentación positiva nocivo. El intercambio de oxígeno en los de, el trastorno puede producir un latido cardíaco irregular (am·tpulmones disminuye debido al edema y la sangre ttansporta menos mia)-y en ocasiones puede conducir al p:lró cardíaco y la muerte. oxígeno. La·fal.ta de oxígeno para el metabolismo aeróbi~o debilita todavía más al corazón y su eficacia como bomba se reduce aun La hipertensión_ representa un fracaso más. Sí no se trata, esta entidad. que se denomina insufidenda carde la homeostasis díaca CfJ11gestiva, conduce a la muerte del paciente. Muchos de los tratamientos para la hipertensión se basan en Ia Un factor de riesgo controlable para el desarrollo de enferme. dad cardiovascular es la hipertensión, el aumento crónico de la fisiologia cardiovascular. Pot ejemplo, hay una clase de fánnacos denominados blOqueantes de los ama/es de caldo, que pueden disminuir presión arterial, con presiones sistólicas superiores a 140 mm Hg el ingreso de calcio en el músculo liso vascular y el músculo cardíao presiones diastólicas superiores a 90 mm Hg. La hipertensión es una enfermedad frecuente en los Estados Unidos y es una de las co. Estos medicame"ntos se unen con las proteínas de los canales de causas más comunes de consulta al médico y de prescripción de CaZ+ y reducen la probabilidad de que se abran en respuesta a la despolarización. Al ingresar menos eau en la célula, el músculo liso medicamentos. La hipertensión arterial se asoCia con un aumento del riesgo de cardiopatía isquémica: el riesgo se duplica por cavascular se dilata y la frecuencia de despolariJ..I!.ción del nodo SA y la da incremento de Z0/10 mm Hg de la presión arterial por encima fuerza de la contracción cardíaca se reducen. mmúsculo liso vascude un valor basal de 115{75 (Fig. 15·25 !§). lar es más sensible que el músculo cardíaco a ciertas claseS de bloEn más del90% de los pacientes hipertensos se considera que . queantes de los canales de caldo y es posible lograr vasodílatación la hipertensión es esencial (o primaria), sin una causa evidenté adecon dosis del fármaco bastante bajas que no ejercen efectos sobre la más de la hereditaria. En estos paderite;s, el volumen minuto suefrecuencia cardíaca. Otros tejidos con canales de Ca2+, <:omo las neule ser normal y el aumento de la presión arterial parece asodarse ronas, sólo se alteran en forma mínima en presencia de estos blocon un incremento de la resistencia periférica. Algunos investiga· queantes porque sus canales de CaZ+- pe~ecen a un subtipo difedores especularon que el aumento_ de la resistencia se podría derente. ber a una falta de óxido nítrico, el vasodilatador sintetizado local· Otros fármacos empleados para tratar la hipertensión son los mente por las_células endoteliale$ de las arteriolas. En el5 al lO% diuréticos, que reducen el volumen de la sangre, y los betab!o. restante de los pacientes hipertensOs, se conoce la etiología y la queantes, que actúan sobre receptores ~t reduciendo la acción estimuladora de las catecolaminas sobre el volumen minuto. Otros hipertensión $e considera seo.mdaria a una enfermedad subyacente. Por ejemplo, la causa podría ser un t:J:astomo endocrino dos grupos de antihipertenstvos, los inlubidores de la ECA y Jos que ocasiona retención de liquido. bloqueantes del receptor de angiotensina, actúan disminuyendo Una característica básica de .la hipertensión de cualquier caula actividad de la angiotensina, que es unasustanda vasoconstricsa es la adaptación de los barorreceptores carotideos y aórticos a tora potente. En una sección posterior de este libro se descn"birá la presión más elevada, con la consécuente regulación por dismi· la angiotensina en forma más detallada ruando se estudie el connución de su actividad. Sin un estfmt.ilo aferente de los barorretrol integrado de la presi6n arterial por el aparato cardiovascular y los riñones. En el futuro es probable que surjan nuevos trataceptores, el cent:J:o de control cardi~cular interpreta ~l aumenmientos para la hipertensión basados en la fisiología molecular to de la presión arterial como "normal" y no se produce una re~ del corazón y los grandes vasos. ducdón fefleja de la presión.

Resumen del capítulo

529 ·

20~--------,-,-----,

"

1 1 1

HIPERTENSIÓN ESENCIAL Carlos continuó con el bloqueante de tos canales c!e calcio y después de varios meses su presión arterial se estabilizó en 130185, Jo que representa una mejoría significativa. Su nueva dieta también permitió disminuir su colestero!emia por debajo de 200 mg!dL Mediante la normalización de dos de sus factores de riesgo con-trolables, Carlos pudo reducir sus probabilidades de sufrir un infarto de miocardio. Para obtener más inform~dón sobre hipertensión PREGUNTA

y algunos de !os tratamientos utilizados en fa actualidad, se puede visitar el sitio de Internet de la American Heart Association (1-Wr

w.americanheartorg). Para controlar si comPrendió este tema relacionado, corilpare sus respuestas con la información en el cuadro de resumen.

HECHOS

JNTEGRAOÓN Y ANÁLiSIS

===~------·--~~~~~~---­

¿Por qué los pacientes con hiper· la presión arterial elevada aumenta !a fuer- Si un área de la pared del W!so sanguíneo está detensión arterial corren más rier zaque soportan las paredes de los vasos bi!itada o lesionada, la presión arteria! elevada go de padecer un accidente ce-: sanguíneos. puede provocar'su ruptura y permitir la salida de rebrovascu!ar hémorrágico? sangre fuera del vaso, hacia los tejipos circundantes. 2 ¿Cuál es e! fundamento de redu- la sal produce retención de agua. dr la ingestión de. sal para contro!ar la hipertensión?

3 ¿Por qué bloquear la acción de

un vasoconstrictor disminuye la presión arterial?

~ión ar· teriallos bloqueantes de Jos cana! es de caldo?

la presión arterial periférica depende del volumen minuto y la resistencia pi!riférka.

La presión arterial aumenta si e! volumen sangi.Jfneo circulante se incrementa. AtraVés de la restricc_ión d_e la sal en la dle~a, un iridividuo puede disminuir la retención de liquido en el ComPartimento extrace!ular. i:¡ue incluye el plaSni·a:

la reSfsten~ia es íiiversamenie prO~~rcional al radio de los' va~ossa:ngUfneos."Por lo tanto; si los-vasos ·sangulneos sé 'dilatan com'o'cons_&uenda del bloqueo. de ·un Va~cónstrictor, la resistencia y la pre-: . sión" arterial Se reducen. .

bl~c¡ueo·.- i~g~eS~de'~. ~ ~ra.'és.·a~

El ingreso de calc".to desde el Hquido extrace- e·¡ del .. + ...los canafular cumple un papel importante en la con- lés específicos disminuye la fuerza de la contracción tracción tanto del músculo liso como del cardiaca y la contractilidad del músculo liso vascu-. músculo cárdfaco. lar. Ambos eféctos disminuyen la presión-arterial.

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... ,-·~-=~'~0-"""'·'==~'-'-"~=-~--==--·-==·='=-"""'

RESUMEN DEL CAPITULO sanguineo que drcula por e! aparato cardiovascular es uo ejemplo excelente del flujo m6sico en el organismo. La contracción del corazón genera una presión elevada en los ventrículos, y esta presión conduce la sangre a través de los vasos de los circuitos sistémico y pulmonar y aumenta la velocidad de las comunicadones intercelulares. La reslstenda al flujo está su¡eta a la regulación de los mecanismos de control locales y reflejos que actúan sobre el músculo liso arterlolar y ayudan a adaptar la perfusión tisular a las necesidades de cada tejido. El reflejo barorrereptor homeostático controla la presión arterial para asegurar una El flujo

-··

perfusión adecuada del cerebro y el corazón. El intetmmbio de sustandas entre los compartimentos del plasma y el líquido Intersticial a través de los capilar1!s utiliza varios mecanismos de transporte, como difusión, transdtosis y flujo masivo. l. La regulación homeostática del aparato cardiovascular Intenta mantener el flujo sanguíneo adecuado hada el encéfalo y el corazón. (p. 501) 2. El flu¡o sanguineo total en cualquier nivel del torrente diC\¡Iatorto es equivalenre al volumen minuto. (p. 502)

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Preguntas

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de !a presión arterial

Vasos sanguineos Remsión de -fa anatomía: estructura y función del vaso sanguíneo ·3. Los vasos sanguíneos están compuestos por capaS.de músculo liso, tejido elástico, tejido conectiVo fibroso y endotelio. (p. 502; Flg. lS-2) 4. El músculo liso vascular mantiene un estado de tono musculat (p. S02) s. Las paredes de la aorta y las arterias principales son firmes pero elásticas. Esta propiedad les permite absorber en~a y liberarla median· te él proceso de retratción elástica. (p. S02) 6. Las metarterlolas regulan el flujo sanguíneo que circula por los capi· lares y permite que los leucocitos se desplacen directamente desde las arteriolas hada la cirCulación venosa. (p. S03; FJg. 1S·3) 7. Los capilares y las vénulas poscapilares son el sitio donde se produce el intercambio entre la sangre y el líquido intersticial. (p. 503) 8. Más de la mitad de la sangre presente en el aparato cltculatorio circula por las venas, que tienen paredes más delgadas con menos tejido elástico que las arterias, por lo que se expanden con mayor facilidad cuando se llenan con sangre. (p. S03) 9. La angiogénesis es el proceso por medio del cual se desarrollan y crecen vasos sanguíneos nuevos, en espedal después del nacimiento. (p. S03)

Presión arterial Medición de la presión arterial 10. Los ventrículos generan una alta presión;-que es la fuerza.motriz del flujo sanguíneo. La aorta y las arterias actúan como reservarlo de presión durante la relajadón ventriculat. (p. S04; F¡g. lS-4) · 11. La presión arterial es máxima en las arterias y disminuye a medida que la sangre atraviesa el aparato cirCulatorio. En reposo, la presión sistólica promedio es de 120 mm Hg y la presión diastólica promedio es de 80 mm Hg. (p. SOS; Flg. 1S·S) 12. La presión generada por los ventrículos se puede percibir como pulso . en las arterias. La presión diferencial es la presión sistólica menos la presión diastólica (p. SOS). 13. El flujo sanguíneo circula por las venas en contra de la g¡avedad grn. das a válvulas unidlrecdonales y las b
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21. La resistencia arteriolar está sujeta a Irlfluendas de los mecanismos de control local que adaptan el flujo sanguíneo a las neoo:!dades del tejido. Las sustancias paracrlnas vasodilatadoras son óxido nítrico, H+, K•, COv prostaglandlnas, adenosina e hisÍamina. La disminución del aporte de 0 2 produce vasodilatación. Las endotelinas son vasoconstrtctores potentes. (p. sn;-cuadro 15-2) 22. La hiperemia activa es un proceso caracteri:lado por un aumento'del flujo sanguíneo acompañado por un incremento de la actividad metabólica. la hiperemia reactiva es un aumento del flujo sanguíneo ti· sular luego de un periodo de disminución de la perfusión. {p. 511; Fig. 15-11) 23. La mayoría de las arteriolas sistémicas están sujetas a un control Simpático tónico. La noradrenalina produce vasoconstricclón. La dlsmi· nudón de los estímulos Simpáticos produce vasodilatadón. (p. 512) 24. la adrenalina se une con receptores tt en las arteriolas y produce vasoconstricclón. Cuando actúa sobre re<:eptores ~2 presentes en las arteriolas del corazón, el hígado y el músculo esquelético, la adrenalina produce vasodilatadón. (p. 513)

mal entre la filtradón y la absorción en lo.s apilares ocasionan edema. (p. Sl9; Fig. 15-20)

Regu/adón de/a presión arterial 37. El control reflejo de la preSión arterial se iocalÍZa en el bulbo raquídeo. Los barorreceptores de la arteria carótida y la aorta controlan !a presión arterial y disparan el reflejo barorreceptor (p. 521; Figs. 15· 21 y 15-22) 38. Los estímulos eferentes que se originan en el centro de control car· diovascular bulbar se dirigen al coiazón y las arteriolas. El aumento de la actividad simpática incrementa !a frecuencia cardfaca y la fuerza de la contracctón. El incremento de !a actividad paraslmpáti¡:a .te· duce la frecuencia cardfaca. La llegada de mayor cantidad de estímulos simpáticos a las arteriolas produce vasoconstricdón. Las arteriolas no están sujetas a un control parasimpático significativo. (p. 522) 39. La función cardiovascular se puede modificar a través de estímulos afErentes procedentes de centros encefálicos superiores y del centro de control respiratorio del bulbo raquídeo. (p. 522)

531

40. El reflejo barorreceptor se pone en funcionamiento cada vez que el individuo se pone de pie. La disminución de la presión arterial cuando !a persona-se para se denomina hipotensión ortostática. (p. S23; Hg. 15-23)

Enfermedad cardiovascular 41. La enfermedad cardiovascular es la causa principal de muerte en los Estados Unidos. Los factores de riesgo indican la probabilidad de que un indiViduo presente enfermedad cardiovascular en algún momento de su Vida. (p. S25) 42. la aterosclerosls es una entidad caracterizada por la formación
Distribución de la sangre hacía los tejidos 25. la modificadón de la resistencia en las arteriOlas afecta la presión arterial inedia y el flujo sanguíneo a través de las arteriolas. (p. 514; Fig.

1S-14) 26. El flujo que circula a través de cada arteriola depende de su resistenda. Cuanto mayor es la resistencia en una arteriola, menor es su flu. jo sanguineo: Flujo-~>"' lfRu:mo~~· (p. 514) 27. El flujo sanguíneo que dtcu!a por cada apilar se puede regular a través de esfinteres precapüares. (p. 514; Fig. 15·15)

I'~~GUNTA:S (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NWEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS Intercambio en Jos capilares Autorreglilación y dinámica capil
1. La prioridad de la home
3. 4.

S.

Sistema linfático Resistencia 'en las arteriofas

Homeostasis de los electrolitos, edema

Factores que afectan la presión arterial 19. Las arteriolas son los prindpales.sitios donde varia la resistencia en la circulación sistémica. Un pequeño cambio en el radio de una arteriola produce una gran modificación dé la resistencia: R"" 1/r4. (p. 509) 20. Las arteriolas regulan su propio flujo sanguíneo mediante la autorreguladón miogénica. La vasoconstricdón aumenta la resistencia generada por una arteriola y disminuye el flujo sanguíneo que circula por la arteriola. (p. SlO)

34. Todos los dfas alrededor de 3 Lde líquido salen de los capilares. El sis· tema linfático recupera este líquido y lo regresa al aparato circulatorio. (p. 519; Fig.lS-19) 35. Los capilares linfáticos acumulan líquido, proteínas interstidales y partículas por flujo global. El flujo linfático depende del músculo liso de las paredes vasculares, las válvulas uniclit&donales y la bomba provista por los músculos esqueléticos. (p. 519) 36. cuando se acumula una cantidad excesiva de líquido en el espado in· terstidal se produce edema. Los factores que alteran el equilibrio nor-

6.

7.

8. tiene la presión arterial más baja 9. son el sitio principal donde varia la resistenCia Enumere los cuatro componentes tlsul~ de las paredes de los vasos sanguíneos, desde la capa interna hasta !a externa. Describa en forma resumida la importancia de cada tejido. El flujo sanguíneo que se dirige a cada tejido está sujeto a regulación a través de la vasoconstrtcdón y la vasodilatadón de ciertos vasos, ¿cuáles? La: presión aórtica alcanza un valor normal mayor de _ (mencione tanto el valor numérico como las unidades) durante-' o sea la contracción del corazón. CUando el corazón se relaja durante el evento denominado ..... la presión aórtica disminuye hasta un valor normal menor de_. Este registro de la presión arterial se escribe_}_. El aumento rápido de la presión asociado con la eyecdón de la sangre desde el ventrículo izquierdo hada !a aorta se puede percibir como una onda de presión o _. ¿Qué ecuación se utiliza para calcular la fuerza de esta onda de presión? Enumere los factores que contribuyen al retomo venoso hada el camón.

8. ¿Qué es la hipertensión y por qué representa una amenaza para la salud del individuo?

9. Guando se mide la presión arterial en una persona, ¿en qué momento del procedlmlento es probable que se escuchen los ruidos de Korot· koff? 10. Enumere tres sustancias paracrinas que produzcan vasodilatadón. ¿Dónde se origina cada una? Además de las sustancias paracrinas, mencione otras dos maneras de controlar la contracción del músculo liso en las arteriolas. 11. ¿Qu€ es la hiperemia? ¿Cuál es !a diferencia entre la hiperemia activa y la hiperemia reactiva? 12. La mayoría de las arteriolas Sistémicas reciben inervación del ramo_ del sistema nervioso. ¿Qué efecto produdl el aumento de la estimuladón simpática sobre el diámetro de las arteriolas? 13. Relacione cada evento en la columna izquierda con los neurotransmisOres y Jos receptores apropiados de !a columna de la derecha. a) vasoconstrtcdón de las 1. noradrenallna arteriolas intestinales 2. adrenalina b) vasodllatadón de las 3. acetilcolina arteriolas coronarias 4. receptor ~ 1 e) aumento de la frecuencia 5. receptor a cardíaca 6. receptor llz d) disminución de la 7. receptor nicotínico frecuencia cardiaca 8. receptor muscarínico e) vasoconstricdón de las arteriolils toronarias 14. ¿Qué órganos reciben más de las dos terceras partes del volumen mi· nuto en reposo? ¿Qué órganos redben el flujo sanguíneo más elevado por unidad de peso? 15. Si se analiza la densidad de capilares en un tejido, ¿qué propiedad del tejido se puede determinar? ¿Qué tejido tiene la densidad de capilares más baja? ¿Qu€ tejido tiene la más elevada? 16. ¿Qué tipo de transporte se utiliza para moviliza! cada una de las siguientes sustancias a través del endotelio capilar? a) oxígeno e) glucosa b) proteínas d) agua 17. ¿Con qué tres sistemas fisiológicos interactúan los vasos del sistema linfático? 18. Defina edema. Enumere algunas formas de producción de edema. 19. Defina los siguientes términos y explique su significado en reladón con la fisiología cardiovascular. a) perfusión d) angiogénesls

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532

capítulo 15 Flujo sangufneo y control de la presión arterial

presión osmótica coloidal e) metarterlo!as vasoconstricdón f) perlcitos 20. Las dos l!poproteínas principales que transportan colesterol son _ y _. ¿Qué clase es mala cuarido su concentración én el organismo es muy elevada? . b)

e)

11//VEL 2: REV/S/Ó/11 DE CONCEPTOS 21. MaPas conceptuales: confecclone un mapa con todos Jos siguientes factores que influyen sobre la presión arterial media. Puede agregar otros términos. aorta neurona parasinl.pática arteriola resistenCia periférica barorrereptor nodo sinoauricular volumen sanguíneo neurona sensitiva volumen minuto volumen sistólico arteria carótida neurona Simpática contriictilldad vena frecuencia cardíaca retomo venoso bulbo raquídeo ventriculo 22. Compare y diferencie los siguientes grupos de términos: a) capilares linfáticos y sistémicos b) funciones de los ramos simpáticos y parasimpátioos en el control de la presión arterlal e)

(a) Si la res!stenda en los vasos 1 y 2 aumenta debido a la presencia de sustancias paracrinas locales pao el volumen minuto no se modifica., ¿qué sucede con la PAM? ¿Qué pasa con el flujo que atraviesa los vasos 1 y 2? ¿Ya través de los vasos 3 y 4? (b) La compensación homeostática se produce en pocos segundos. Dibuje un mapa del reflejo para. explicar la compensación (estímulo, receptor y los demás coniponentes). {e) CUando el vaso 1contrae, ¿qué sucede con la presión de filtración en Jos capilares distales con respecto a esa arteriola?

linfa y sangre

d) capilares continuos y fenestrados e) presión hidrostática y presión osmótica coloidal en los capilares sistémicos 23. Los bloqueantes de Jos canales de caldo impiden el movimiento del ea:z.. a través de canales espedficos. ~fique dos mecarusmos por medio de los cual~ esta aCCión reduce la presión arterial. ¿Por "qué estos fármacos no-comprometen las neuronas u otras células? 24. Defina la autorregulactón mlogénica. ¿Qué mewtisrnos se propusieron para. explicarla? . 25. La insuficiencia ventricular Izquierda se puede asociar con edema, dis· nea y aumento de la presión venosa. Explique la forma en que se producen estos signos y síntomas.

1

Respuestas

dia? 32. Durante el desarrollo fetal, la mayor parte de la sangre que circula por la artexta pulmonar no pasa por los pulmones e ing;esa en la aorta a través de un canal llamado· conducto arterioso, En condiciones nonnales este conducto fetal se tierra durante el primer dla después del na· cimiento, pero todos los afios alrededor de 4 000 bebés estadounidenses muestran una permeabilidad del wnducto arterioso y requieren una cirugía para cerrar el conducto. a) Utilice esta Información para .realizar un_dlagrama anatómico que muestre el flujo sanguíneo en un lactante con un conducto arterioso permeable. b) En el feto, ¿por qué la mayor parte. de la sangre no ingresa en los pulmones? e) Si la porción sistémica del aparato circulatorio es más larga que la pUlmonar, ¿qué circuito tiene mayor resistencia? d) SI el flujo que atraViesa las circulaciones pulmonar y sistémica es equivalente, ¿qué cavídades cardfacas deben generar más presión para superar la resistencia? e) Utilice su respuesta a la pregunta (d) para determinar la manera en que la sangre atraViesa tm conducto arterioso permeable.

Flujo en !os vasos distales 30. Los stgui.entes gráficos son registros de las connacctones en un corazón aislado de una rana. El corazón· recibe inervación de neuronas Simpáticas que aumentan 1a· frecuencia cardíaca y de neuronas parasimpáticas que reducen la freruencia cardíaca. De aruetdo con estos cuatro gráficos, ¿qué concltislón puede sacar en reladón wn el mecanismo de acción de la atropina? (La atropina no atraviesa la membrana celular.)

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>••·e< .. B .···••· · _(~~o. pe"adrenalina *alTo~~ ..

111/VEL 4: PROBLEMAS A/1/AL(T/COS 33. Mediante la ecuación apropiada, explique en términos matemáti~ lo que le sucede al flujo sanguíneo s! el diámetro de un vaso aumenta desde 2 hasta 4 mm. 34. Reproduzca los cálotlos que condujeron a W.tlliam Harvey a creer que la sangre clrculaba en un circuito cenado: a) Tome su pulso en repo$0. b) Considere que en reposo su corazón bombea 70 mL/Iatido y que 1 mL de sang[e pesa 1 gramo. Calcule el tiempo que tardaría su corazón en bombear su peso en sangre. 35. Determine la presión arterial media y la presión diferencial en una persona con una presión arterial de 11S/73. · 36. De acuerdo con el piindplo de F!ck, la velocidad de consumo de oxígeno en un órgano es equivalente al flujo sanguíneo que atraviesa ese órgano por la concentradón de oxígeno extraído por la sangre mientras atraviesa el ó¡gano: velOCidad de consumo de oxígeno "' flujo sanguíneo x (contenido arterial de oxigeno -contenido venoso de oxígeno) mL 0 2 consumido/minuto "' mL de sangre/minuto x mL OJmL · desangre Una persona tiene una velocidad total de consumo de oxígeno en todo el cuerpo de 250 mL{mlnuto. El conterlldo de oxigeno de la sangre que circula por !a aorta es de 200 mi O.jL de sangre, y el contenido de oxígeno de la sangre que dtcula por la arteria pulmonar es de 160 mL OJL de sangre. ¿Cuál es su volumen minuto?

.RESPUESTAS

8/Respuestas a las preguntas de revisión

11/IVEL 3: RESOLUC/Ó/11 DE PROBLEMAS

26. Dibuje un mapa de un reflejo que explique el sincope vasovagal que · experimentó Antonio al ver sangre. Incluya todos los pasos del reflejo y explique si las vías reclbm Impulsos estimuladores o inhibidores. 27. Una fisióloga colocó un fragmento de una arteriola resecada en una cámara de perfusión con soh.ición fislofógica. CUando el ¡;onren!do de oxígeno de la soluctón fisiológica que perfundía (circulaba a través de) la arteriola se redujo, l.a arteriola se dilató. En un experimento de control, la fislóloga aisló tma porctón del músculo liso de la arteriola separado de las demás capas de la pared arteriolat Cuando se redujo el contenido de oxígeno de la solución fisiológica como en el primer experimento, el músculo ais!¡¡.do no respondió.·¿Qué sugieren estos experimentos acerca de la infi1,K'Ilda local de la: concentración baja de oxígeno sobre las arteriolas? 28. Roberto es un hombre de 52 afios que no fuma. Su peso es de 81,5 kg, mide 1,72 m y su presión arterial promedio es 145/95 mm Hg en tres consultas sucesivas al consilltorio de su médico. Su padre, su abuelo y su tío sufrieron infartos de -inlocardlo al principio de su quinta década de vida y su madre murió debido a un accidente rerebrovascular a los 71 aiios. · a) Identifique los factores de riesgo de Roberto para desarrollar una cardiopatía isquémlca. b) ¿Es Roberto hipertenso? Explíquelo. e) El médico le indica un fármaco denominado betabloqueante. Explique el mecanismo a través del rual un bloqueante de los receptores beta puede wntdlruir a dism.iniJI.t·la presión arterial. 29. La slgu.iente figura es una representación esquemática de l.a ct.tculación sistémica. Úsela para responder a las slgul.entes preguntas. (VM =volumen minuto, PAM"' presión arterial media.)

31. En la aterosclerosis avanzada, las placas cal~cadas aumentan la rlgi· dez y disminuyen la distensibilldad de la aorta y otras arterias que en condiciones normales son elásticas. a) ¿Qué ekcto ejerce este cambio de la aorta sobre la poscarga? b) Si el volumen minuto no se modifl.. ca, ¿qué sucede con la resistencia perlfértc:a y la presión arterial me-

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Página506 l. Las venas procedente! del endfalo no requieren válvulas porque su flujo sanguíneo se favorece con la acción de !a gravedad. 2. La onda carotídea llega un poco antes qtie la onda del flujo sanguf· neo a la arteria de la muñeca porque la distancia desde el corazón hasta la arteria carótida es menot. 3. La presión de 130/9S tiene la presión diferendal más elevada (35 mm Hg). Página 506 4. Si la frecuencia cardiaca aumenta, la duración relativa de la diástole disminuye. En ese caso, la contribudón de la presión sistólica a la presión arterial media (PAM) aumenta, y la PAM también aumenta. S. La presión diferencial es 112 - 68 "' 44 mm Hg. La PAM es 68 + 1/3 (44) =82,7 mm Hg. Página512 6. d) 7. El K• extratf:lular dilata las arteriolas, Jo que incrementa el flu¡o sanguineo. Página513 8. La unión de la adrenalina con los receptores ~1 del miocardio aumenta la frecuencia cardíaca y la fuerza de la contracción. La fi¡actón de la adrenalina a los receptores j}2en las arteriolas del corazón produce vasodilatación. 9. Los receptores n¡ tienen menos afinidad por la adtenallna que los receptores ~.por lo que estos últimos receptores_ predominan y las arteriolas se dilatan. Página514 10. a) Los riñones reciben el flujo sanguíneo más elevado por unidad de ~· b) El corazón recibe el flufo sanguíneo total más bajo.

Páglna519 11. La filtradón neta aumenta como consecuencia del incremento de la presión hldtostática. 12. La pérdida de proteínas plasmáticas reduce la presión osmótica coloi· da!. Comoronsecuencia, la presión hldrostática ejerce un efecto más Intenso sobre el equilibrio entre filtración y absorción y la filtración aumenta. 13. El uso la presión osmótica en lugar de la osmolarldad pennite una comparación directa entre la presión que favorece la absorción y la que favorece la filtradón, ambas expresadas en mm Hg. Página521 14. Si el ventrículo Izquierdo es InSUficiente, la sangre retomará a la aurio.tla Izquierda y las venas pulmonares y luego a los capilares pulmonares. El edema que se produce en los pulmones se denomina edema

J>Wm-.

15. Las dietas hlpoprote!cas reducen la concentración plasmática de protemas. La absorción en los capilares se reduce, mientras que la filtración perman«e constante y esto ocasiona edema y ascitis. Páglna523 16. Ellón que tiene más probabilldades de Ingresar en la célula receptoraes el Na+. Página 525 17. Estímulo: ViSta, sonido y olor del T. Rex. Receptores: ojos, oldos y nariz. Centro integrador: corteza cerebral, con vías descendentes que atraviesan el sistema Jimblco.. Las vías divergentes se dirigen al ten· tro de control cardlovascular y aumentan la estimulación Simpática eferente hada el corazón y las arteriolas. Una segunda vía raqllidea descendente se dirige a la mMula supranenal., donde se secreta adrenalina, que actúa sobre receptores f\ en las artemlas del hígado, el corazón y los músculos esqueléticos para product.t su vasodilatación. La noradtenalina actúa sobre los receptores a en otras arteriolas pro-

1

534

Capítulo 15 Flujo sanguíneo y control de la presión artería!

ductendo vasoconstricdón. Ambas catecolaminas incrementan la fre.. cuencta cardiaca y la fuena de oontracctón.

Respuestas a las preguntas de las figuras PáginaS15 Figura ls.I3: El flujo sanguíneo que atraviesa los pulmones corresponde a S L/mínuto. Página 517

Figura 15-17: a) La velocidad del flujo es inversamente proporcional al átea: cuando el área. aumenta, la velocidad disminuye. b) La modfficadón

aislada del átea transversal no eje«:e efectos sobte la ve!oddad del flujo porque ésta depende del volumen minuto. Página 522 Figura 15-21: Nodo sinoaurirular: receptores colinérgicos muscarínicos para acetiloolina y receptores ~ 1 para catecolaminas. Ventrículos: recepto-

res ~~ para catecolaminas. Arteriolas y venas: receptores a para noradrenalina. Página524 figura 15-23: Arteriolas y venas: noradrenalina, receptores a. Ventrículos:

notadrenalina, receptores ~ 1 • Nodo sinoauricu\ar: noradrenalina, receptores ~ 1 y aa!tilcolina: receptores muscarínioos.

Sangre Plasma y elementos celulares de la sangre 536 El plasma está compuesto por agua, iones, moléculas orgánicas y gases disueltos 537 los elementos celulares son los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las plaquetas

Producción de células de .la sangre 538 540 540 541 541

las células de la sangre se producen en la médula ósea la hematopoyesis está sujeta al control de factores estimulantes de colonias, inter!eucinas y otras dtocinas los factores estimulantes de colonias regulan la leucopoyesis la trombopoyetina regula la producción de plaquetas la eritropoyetina regula la producción de glóbulos rojos

Glóbulos rojos

1

542 544 545 546

Los glóbulos rojos maduros carecen de núcleo la síntesis de hemoglobina requiere hierro

los glóbulos rojos viven alrededor de cuatro meses los trastornos de los glóbulos rojos disminuyen el transporte de oxfgeno

Plaquetas y coagulación 548 548 549 551 552

las plaquetas son fragmentos pequeños de células la hemostasia impide la pérdida de sangre a t(avés de los vasos lesionados La activación de las plaquetas comienza el proceso de coagulación la coagulación convierte el tapón plaquetario en.un coágulo inás estable Los anticoagulantes inhiben fa coagulación

536

Capítulo 16 Sangre

Plasma y elementos celulares de !a _sangre

borde de la inconsciencia. Sin lugar. a dudas, esta práctica mató más gente que la que curó. Un hecho todavía m&s llamativo es que, én 1923, un libro de texto de medicina estadounidense proponía la sangría para tratar algunas enfermedades infecciosas como la neumonía. En la actualidad se comprende mejor la importancia de la sangre en la respuesta inmunitaria, y es dudoso que la medicina rilodema vuelva a indicar la extracción de sangre romo método terap~ti­ co inespecífico para tratar enfermedades. No obstante, esteproce. dimiento todavía se utiliza en trastonws hematnlógicos (haima, sangre) específicos.

537

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PLASMA Y ELEMENTOS CELULARES DE LA SANGRE

La sangre, el liquido que dtcula por el Wtema circulatorio, ha

ocupado un sitio importante desde la antigüedad y considerado como un fluido casi místico. Sin lugar a dudas, los hombres asociaron la sangre con la vida cuando empezaron a construir herramientas y a cazar animales. Un animal herido que perdia sangre se debilitaba y moría si la pérdida era bastante grande. La conclusión lógica sería que la sangre era necesaria para vivir. Los médicos de la antigua China relacionaron la sangre oon el flujo de energía en el organismo. Ellos escribieron informes sobre la circulación de la sangre a través del corazón y los vasos sanguíneos bastante tiempo antes que William Harvey las describiera en Europa, en el siglo XVII. En China se utilizaban los cambios en el flujo sanguíneo como clave diagnóstica para diagnosticar enfermedades. Los médicos chinos podían reconocer unas 50 variaciones en el pulso. Como la sangre se consideraba un· líquido vital que se debía conservar y mantener, la sangría o sangradura para curar enfermedades no era un tratamiento estándar. En cambio, las civilizaciones occidentales creían que los espí· ritus malignos que causaban las enfermedades ci!culaban por la sangre, y la forma de eliminarlos era extraer la sangre que los contenía. Sin embargo, como se sab~a que la sangre era un liquido esencial, la sangría se debía realizar con extrema prudencia. Se abrían las venas con cuchillos o instrumentos cortantes (venosección) o se aplicaban sanguijuelas en la piel para que absorbieran la sangre. En la antigua Iridia se creía que las sanguijuelas podían distinguir entre la sangre sana y la infectada. · No hay evidencias escritas que indiquen que los egipcios antiguos emplearan la venosección, pero el trabajo realizado por Galeno de Pérgamo en el siglO rr d. C. influyó sobre la medicina occidental durante casi 2 000 años. Este antiguo médico griego propuso la extracción de sangre como tratamiento de muchas enfennedades. La ubicación, el momento y la frecuencia de la extracción de sangre dependían de la enfermedad y el m~dico debía extraer la cantidad suficiente hasta que el paciente quedaba at

¿Qué e$ este líquido tan importante que drolla por el aparato cardiovascular? Lit sangre constituye la cuarta parte del líquido exttacelular, el medio interno que baiia las células y actúa como amortigUador entre ellas y el medio externo. La sangre es la por. dón del medio extracelular que circula por el organismo y es responsable del transporte de sustancias desde una parte del cuerpo a otra. El volumen sanguíneo total en un hombre de 70 kg corresponde al 7% de su peso corporal total, es deci.I 0,07 x 70 kg = 4,9 kg. Por ende, si se considera que 1 kg de sangre ocupa un volu. men de 1litro, un hombre de 70 kg.posee alrededor de 5 Lde sangre. De este volumen, aproximadamente 2 lltros están formados por células, mientras que los 3litros restantes están representados por el plasma, la pordón liquida En este capítulo se presenta una revisión de los componentes de la sangre. Se describen las functones del plasma, los glóbulos rojos y las plaquetas, pero se reserva el estud!o detallado de la hemoglobina para el capítulo 18 y el de los glóbulos blancos y los tipos de sangre pan el capítulo 24.

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1

El plasmá está compuesto por agua, iones, · moléculas orgánicas y gases disueltos El plasma es la porción líquida de la sangre, en la que están suspendidos los elementos celulares (Fig. 16-1 El!). El agua es el componente prlndpal del plasma y constituye el92% de su peso total. Las proteínas representan otro 7%. Ell% restante está compuesto por moléculas orgánicas disUeltas (aminoácidos, glucosa, lípidos y desechos nitrogenados), iones {Nat, K+, CI-, H+, CaZ+ y HC03"), oligoelem.entos y vitaminas, y oxigeno y dióxido de ca_r. bono (CO) disueltos. La composición del plasma es idéntica a la del líquido intersticial excepto por su contenido de proteínas plasmáticas. Las al· búm.inas son el tipo de proteinas m&s abundante en el plasma y constituyen alrededor del 60% del total. Las albúminas y otras nueve proteínas (entre ellas, las globulinas, la proteína de la coagulación fibrin6geno y la proteína transportadora de hierro transferrina) representan más del 90% de las ptoteínas plasmáticas. El hígado sintetiza. la mayor parte de las proteínas plasmáticas y las secreta bada la sangre. Algunas globulinas denominadas ínmunoglobuliiUlS o anticuerpos son sintetizadas por células especializadas y no por el hígado, y luego son secretadas bada la sangre.

mFIGURA 1&-1 Composí'dón de la sangre La presencia de proteínas en el plasma detennina que la presión osmótica de la sangre sea más elevada que la del liquido ín· terstidal. Este gradiente osmótico tiende a impulsar el agua des-de el líquido inteistidal hada los capilares, como se· vio en el capitulo !S ( iill p. 518). Las proteínas plasmáticas participan en muchas funciones, comola coagulación de la sangre y la defensa contra elementos extraños. Además, actúan como transportadores de hormonas esteroid~, colestero~ fármacos y algunos iones como el hierro

rn (Fe2+). Por último, algunas proteínas plasmáticas funcionan como hormonas o enzimas extracelulares. En el cuadro 16·1 m se resu-

men las funciones de las proteínas plasinátlcas.

Los elementos celulares son los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las plaquetas En la sangre se pueden hallar tres elementos celulares principales (lig. 16-1): glóbulos rojos, también llamados eritrocitos

$38

Capítulo 16 Sangre

Producción de células de la sangre

539

Fu!'cicines .de las pro_terna·s -plasiná~icas

,.

NOMBRE

FUENTE

FUNOÓN

Albúminas (varios tipos)

Hígado

Principales contribuyentes a la presión osmótica coloidal (coloidosmótica) del plasma; trañsportadoras de varias sustancias

Globulinas (varios tipos)

Hígado y tejido linfoideo

Factores de la coagulación, enzimas, antiruerpos, transportadoras de varias sustancias

Fibrinógeno

Hfgado

Forma hebras de fibrina esenciales para la coagulación de la sangre

Tran>ferrina

Hígado y- otros tejidos

Transporte de hierro

(erithrós, rojo), glóbulos blancos, también llamados leucocitos

'

l

(leuk.os, blanco) y plaquetas o trombodtos (trombo--, cúmulo, coágulo). Sólo los glóbulos blancos son células completamente fun. cionales. Los glóbulos rojos pierden sus núcleos cuando ingresan en la corriente sanguínea y las plaquetas, que también carecen de núcleo, son fragmentos celulares (¡ue se desprenden de una célu· la madre relativamente grande denominada megacariodto (mega, muy grande¡ karyan, núcleo; -dto, célula). Los glóbulos rojos cumplen un papel fundatnental en el trans· porte de oxígeno desde los pulmones hacia los tejidos y de dióxi· do de Carbono desde los tejidos hada los pulmones. Las plaquetas participan en la coagulacWn, el proceso por medio del cual los coágulos impiden Ja pérdida de sangre de los vasos lesionados. Los glóbulos blancos cumplen una función importante en las res. puestas inmunitarias corporales defendiendo al organismo contra los invasores extraños, como los·parásitos, las bacterias y los vi· rus, Aunque la mayoría de los glóbulos blancos llegan a todo el cuerpo gracias a la sangre, su trabajo se suele llevar a cabo en los tejidos en lugar del aparato circulatorio. La sa·ngre contiene cinco tipos de glóbulos blancos maduros: 1) linfocitos, 2) monocitos, 3) nentrófilos, 4) eosinófilos y 5) basófilos. Los monodtos que abandonan la circulación e ingresan en los tejidos se convierten en macrófagos. Los basófilos ti· sulares se denominan mastocitos. Los tipos de glóbulos blancos se pueden agrupar de ac.uen;to con las caracteríSticas morfológicas o fun~onales compartidas. Los neu· trófilos, los monodtos y los macrófagos reciben el nombre de fagocitos porque engloban e ingieren partículas extrañas como bacterias (fagocitosis) ( &.\1 p. 148). Amenudo los linfocitos se denominan in· munocitos porque son responsables de las respuestas ininunitarias específicas contra los invasores. Los basófilos, los eosinófilos y los neutrófilos se denominan granulocjtos porque contienen inclusiones citoplasmáticas que les dan un aspecto granulaL /.!

!'ROD!JCOÓN DE CÉ!JJLAS DE LA SANGRE ¿De dónde provienen estas diferentes c~ulas de la sangre? Todas ellas desciende"n de un solo tipo de célula precursora, llamada célula madre pluripotendal hematDpoyétka (Fig. 16-2 S), Este tipo de célula se encuentra sobre todo en la médula ósea, el tejido blando que ocupa el centro hueco de los huesos. Las células ma· dre pluripotenciales tienen la capacidad llamativa de transfor. marse en muchos tipos de células distintas. Cuando se especializan, sus destinos posibles disminuyen¡ primero se convierten en células madre no comprometidas o indiferenciadas y luego en células progenitoras diferenciadas, comprometidas en el desarrollo de uno o tal vez dos tipos de células. Las células progenitoras se diferencian en glóbulos rojos, linfocitos, otros glóbulos blancOs y megacariocitos, que son las células que originan las plaquetas. Se calcula que sólo alrededor de una cada 100 000 células de la mé· dula ósea es una célula madre no comprometida, lo que compli· ca bastante el aislamiento y el estudio de estas células. En los últimos años varios científicos han trabajado en el ais· !amiento y_ el cultivo ·de las células madre hematopoyéticas no comprometidas para usarlas en pacientes cuyas célÚlas madre han sido destruidas por la quimioterapia oncológica. En princi· pio estas células madre se obtenían de médula ósea o sangre peri· férica. Hoy se sabe que la sangre <,!el cordón umbilical recogida en el momento del nacimiento es una fuente rica en células madre hematopoyéticas. La posibilidad de contar con una fuente de cé· lulas madre fácilmente accesible condujo a la creación de bancos de sangre de cordón públicos y privados-en los Estados Unidos y Europa. Ciertas investigaciones sugieren que las células madre procedentes del cordón umbilical podrían ser capaces de formar células hepáticas nuevas e incluso neuronas nuevas, un tema in· vestigado activamente en la actualidad.

.

0 R~;:.VISIÓN i;·100''-1, Mencione los cinco tipos de leucocitos. \Í;' 2. ¿Por qué decimos que los eritrocitos y las plaquetas no son células completamente funcionales? 3. De acuerdo con lo aprendido. sobre el origen y !a función de las prote!nas plasmáticas, explique por qué los pacientes con degeneración hepática avanzada suelen presentar edema ( ~ p. 520). Respuestas en la p. 557

Las células de la sangre se producen en fa médula ósea La hematopoyesis (haima, sangre¡ paiesis, formación), la sin·

tesis de las células sanguíneas, comienza en un momento temprano del desarrollo embrionario y continúa durante toda la vida. Durante la tercera semana del desarrollo fetal, algunas células es· pedalizadas del saco vitelina del embrión se agrupan. Algunos de estos grupos están destinados a convertirse en la cubierta endote·

¡ Células madre

no comprometidas

j

Células progenitoras difen:nciadas

oronp"""''""

j

¡

•

~

~,.?"''' 1/ r,,gJ z i

Células madre

Unfocftlcas :

1r

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1

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Eritroblasto

~-¡

Reticulocito

• Eritrocito

-'~~

r:-A.::~Plaquetas

" Neutrófilo-

Monocito

Basófilo

Eosinófilo

íJ

Unfocito

ID FIGURA 16~2 Hematopoyesis Las células que se encuentran debajo de !a linea horizontal son !as formas predominantes en la sangre. Las células que se encuentran encima de la línea se encuentran sobre todo en !a médula ósea. lial de los vasos sanguíneos, mientras que otros se transforman en células de la sangré. Tal vez el origen embriológico coinún del en· dotelio y las células de la san17e explique por qué el endotelio vascular secreta muchas dtodnas que controlan la hematopoyesls. Amedida que el embrión se desarrolla, la producción de céJu. las d? la sangre se extiende del saco vitelina al hígado, el bazo y la

médula ósea. En el momento del nacimfento, el hígado y el bazo ya no son capaces de producir células de la sangre. La hematopoyesis continúa en la mMttla ósea de todos los huesos del esqueleto hasta los cinco años. Amedida que el niño continúa creciendo, las regiones medulares activas se reducen, por lo que en los adultos sólo la pelvis, la columna vertebral, las costillas, el cráneo y los extremos proximaies de los huesos largos producen células de la sangre.

540

Capítulo 16 Sangre

Producción de células de la sangre

Hombres

Hematocrito

1

37-47%

14-17

12-16

4,5-6,5 X1o'i

3,9-5,6x 1!]:1

4-11 X1o3

4-11 X1()3

50-70%

50-70%

Eosinófi!os

1-4%

1-4%

"''""' """""" Monocitos

<1%

<1%

20-40%

20-40%

2-8%

2-8%

20G-500x 1o3

200-500 x 1oa

SmOS DONDE SE PRODUCEN

INFLUYE SOBRE El CREOMIENTO Y LA DIFERENOACIÓN DE

Eritropoyetina {!:PO)

Células renales

Glóbulos rojos

ReCuer:to de glóbulos rojos (célu!asl¡.ú.J

TrombQpoyetina {TPO)

Principalmente en el hfgado

Megacariocitos

Recuento total de glóbulos blancos

Todos los tipos de células de la sangre; moviliza las células madre hematopoyéticas

Recu.ento diferencial de glóbulos blancos

Factores estimulantes de colonias.

Endotelio y fibrob!astos de la médula ósea,

inter!eucinas, factor de células

leucocitos

Hemoglobina (g HbldL• de sangre

"""'""'

madre La médula ósea activa es roja debido a la presencia de hemoglobina, la proteína fijadora de oxígeno de los glóbulos rojos. La

médula inactiva es amarilla debído a Ia abundancia de adipocitos (células adiposas). (Podrá observar la diferencia entre la médula ósea roJa y la amarilla la próxima vez que mire con atención cor· tes de carne con hueso en la carnicería.) Aunque en los adultos la síntesis de glóbulos rojos es limitada, el hígado, el bazo y las regiones inactivas (amarillas) de la médula pueden volver a producir células de la sangre en caso necesario. En las regiones medulares que producen activamente células de la sangre, alrededor del 25% de las cétulas que se forman son glóbulos rojos, mientras que el75% restante está destinado a convertirse en glóbulos blancos. La expectativa de vida de los glóbulos blancos es bastante más corta que la de los glóbulos rojos, y deben ser reemplazados. con mayor frecuencia. Por ejemplo, los neutrófilos tienen una vida media de seis horas y el cuerpo debe sintetizar 100 mil millones de neutrófilos por día para reponer los que mueren. En cambio, los glóbulos rojos viven casi cuatro meses en la ctrculadón.

La hematopoyesis está sujeta al control de factores estimulantes de colonias~ lnterleudnas y otras dtodnas ¿Qué controla la producción y el desarrollo de loS glóbulos rojos? Los factores químicos llamados citodnas son los responsa-

bles de esta-tarea. Las citoctnas son péptidos o proteínas secretadas por una célula que afectan el crecimiento o la actividad de otra célula {ii p. 176). En el capítulo 7 se vio que las hormonas recién descubiertas se identifiCan con la palabra factor_ y lo mis· roo se aplica a las dtocinas. Cuam~o recién se descubren se suelen denominar facWres y se agrega un adjetivo que describe sus (!.Cdones: factor de crecimiento, factor de diferenciación, factor trófico. Algunas de las dtocin~s más cOnocidas que participan en la hematopoyesis son los factores estimulantes de colonias, moléculas sintetizadas ¡ior las células endoteliales y los glóbulos blancos. Otras citocinas son las interleucinas (inter-, entre; leuko, blanco), como la interleucina 3 (IL-3). El notnbre interleucina se aplicó por primera vez a las citocinas secretadas por un glóbulo blanco para actuar sobre otro glóbulo blanco. Una vez que se establece la secuencia de anllnoácidos de este tipo de citocina, recibe el nombre de iriterleucina más un número. Además, las interleudnas cumplen funciones importantes en el sistema inmunitario, como se describirá en el capítulo 24.

Otra dtoctna hematopoyética es la eriúopoyetina, que contra. la la síntesis de los glóbulos rojos. La eritropoyetina se suele considerar una hormona, pero técnicamente se ajusta a la definición de citocina porque se sintetiza a demanda en lugar de almacenarse en vesículas. En e.! cuadro 16-2 !flse enumeran algutÍas de las muchas citotinas relacionadas con la hematopoyesis. La función que cumplen las citocinas en la producción de células de la sangre es tan complicada que una revisión de este tema se denominó ¡"Regula~ tion of hematopoiesis in a sea of chemokine family members with a plethora of redundant activitics" (Regulación de la hema~ topoyesis en un mar de miembros .de la familia de las quimiod· nas con una plétora de actividades redundantes)!* Debido a la complejidad del tema, no se intentará describir las citocinas he. matopoyéticas en forma detallada.

Los factores estimulantes de colonias regulan la leucopoyesis Los factores estimulantes de colonias (CSF) se identifican y se nombran de acuerdo con su capacidad para estimular la proliferación de colonias de leucocitos en cultivo. Estas dtodnas sin· tetizadas por las células endoteliales, los fibroblastos de la médu~ la ósea y los glóbulos blancos regulan la producción y el desarrollo de leucocitos {leucopoyesis). Estas sustancias son necesarias para inducir tanto la división de las células (mitosis) como la roa. duración de las células madre. Cuando un leucocito madura, pierde su capacidad de dividirse por mitosis. Un aspecto fascinante de la leucopoyesis es que la producción de glóbulos blancos nuevos depende en parte de mecanismos re. guiadores procedentes de los glóbulos blaficos existentes. Esta for· ma de control permite un desarrollo muy específico de leucod· tos, que se adapta a las necesidades del organismo. Cuando el sistema de defensa del cuerpo es llamado a combatir invasores ex· traños, se modifica tanto la cantidad absoluta de glóbulos blan~ cos como las proporciones relativas de los diferentes tipos de glóbulos blancos en la drculación. A menudo los médicos confían en el recuento diferencUll de gl6úulos blancos como ayuda para arribar a un diagnóstico (Fig. 16-3 m). Por ejemplo, una persona con una infección bacteriana suele presentar una cantidad total de glóbulos blancos en la sailgre elevada, con un incremento de la

'H. E. Broxmeyer y C.lL lam, Experimental HemaWicgy 27(7):1113-1123, 1999, julio.

..

·.

Mujeres

40-54%

NOMBRE

.

.

Plaquetas (por p.!.) .".1 decilitró {dl) := 100 rriL

··.·· .

541

.

··.

il FIGURA 16-3 Hemograma En el cuadro se presentan los rangos de los valores normales. El hematocrito es el porcentaje del volumen sangufneo total ocupado por un concentrado de eritrocitos (eritrocitos centrifugados). El valor de la hemoglobina refleja la capacidad de los glóbulos rojos para transportar oxfgeno. Para determinar el recuento de glóbulos rojos,. una máquina cuenta los eritrocitos a medida que circulan a través de un haz de luz. El recuento total de glóbulos blancos incluye todos Jos tipos de leucod· tos pero no distingue unos de otros. El recuento diferendal de glóbulos blancos establece valores de las proporciones relativas de los cinco tipos de leucocitos en una gota de sangre teñida con colorantes biológicos. El recuento pfaquetario es un indicador de la capacidad de coagulación de la sangre.

proporción de neutrófilos. Las citocinas secretadas por los glóbu- . los blancos activos que combaten la infección bacteriana estimu· lan la producdón de nuevos neutrófilos y monodtos. Una persona con una infección viral puede tener un recuento total de gló." bulos blari.cos elevado, normal o bajo, pero a menudo tierte un aumento del porcentaje de linfocitos. El complejo proceso por medio del cual la producción de leucocitos se adapta a las necesidades todavía no se comprende bien y es un área de inv~tigación activa. Algunos científicos trabajan en la creación de un modelo para el control de la leucopoyesis que permita desarrollar tratamien· tos efectivos para las enfennedades que se caracterizan por ausencia o exceso de glóbulos blancos, Las leucemias constituyen un grupo de enfermedades caracterizacbs por el crecimiento y el desarrollo anormales de los glóbulos blancos. En la neuúopenitl (penía, escasez) los pacientes tienen un número demasiado bajo de glóbulos blancos y no pueden combatir las infecciones bacteria~ nas y virales. Los investigadores esperan que la comprensión de la forma en qtie el organismo regula el crecimiento y la Qivisión de las células les permita hallar tratamientos más apropiados tan· to pa;ra las leucemias como para las neutropenias..

La trombopoyetina regula la producción de plaquetas La trombopoyetina (!'PO) es una glucoproteína que regula el crecimiento y la maduración de los megacariocitos, las células que originan las plaquetas. (Recuérdese que las plaquetas también se llaman trombodtos.) La TPO se produce sobre todo en el higado pero también se puede detectar en los rifiones. El gen que co~ difica para esta cttocina, cuya actividad fue descrita en 1958, se clonó en 1994. Antes del afio, los investigadores lograron que la TPO estuviera ampliamente disponible gradas técnicas de DNA recombinante, y hubo una explosión de artículos que describen sus efectos sobre los megacariodtos y la producción de plaquetas. Aunque todavía no se cori.J.prenden todos los aspectos de la biología básica del proceso, la síntesis de trombopoyetina representa un paso muy importante en la búsqued~ de respuestas.

La eritropoyetina regula la producción de glóbulos rojos La producción de glóbulos rojos (eritropoyesis) depende del control de la glucoproteina erltropoyeti.rul (EPO) asistida por varias citodnas. La eritropoyetina se sintetiza sobre todo en los ri·

1

542

Capítulo 16 Sangre

ñones de los individuos adultos. FJ. estímulo para la síntesis y la secreción de EPO es la hipoxia, o sea la disminución de la concentración de oxígeno en los tejidos. La hipoxi,a estimula la producción de un factor de transcripción denominado factor inducible El dopaje de sangre que aumenta ra ciípaddad de oxigenación por hipoxia 1 (HIF-1), que activa al gen de la EPO para aumentar tisular es un problema en los deportes de resistencia· desde hace la síntesis de esta proteína. Al igual que otras vías endocrinas, ésmás de 30 años. El primer signo que indicó que Mueh!egg Podía ta contribuye al mantenimiento de la homeostasis en el organisestar haciendo trampa a través de este método provino de una mo. A través de la estimulactón de la síntesis de glóbulos rojos, la simple prueba de sangre extraida varias horas antes de !a prueEPO envía una mayor cantidad de hemoglobina a la circulación ba de 50 kilómetros, en la que se analizó la hemoglobina y el para que transporte oxígeno. hematocrito. E! nivel de hemoglobina de Mueh!egg superó los La existenda de una hormona encargada del control de la pro· 17,5 "gtdl Pero la repetición de la prueba estaba dentro de los ducción de glóbulos rojos se sugidó por primera vez en la década niveles aceptables y~ permitió que el deportista compitiera. de 1950, pero debieron pasar dos décadas para que los científicos Pregunta 1: lograran purificar la sustancia. Una razón que explica esta deino¿Cuál es rango normat de hemoglobina para Muehfegg (Fig. ra e~ que la EPO se sintetiza a demanda y no se almacena, como 15-3}? ocurre en las células endocrinas. Los científicos tardaron nueve años más para identificar la secuencia de aminoácidos de la EPO Pregunta2: y para aislar y donar el gen correspondiente. Pero aislado el gen Los ofidafes olfmpicos también evaluaron el hematoaito de de EPO se logró un gran avance: en sólo dos anos se pudo sinteMuehfegg. Con el dopaje de sangre, ¿"esperarla que ef valor tizar la hormona mediante tecnología de DNA recombinante y se d"el hematocrito se enarentre por debajo o por encima del ni· comenzó su empleo clínico. vef normal? En la actualidad, los médicos no sólo pueden prescribir EPO sintetizada mediante ingeniería genética (epoetina alfa) sino que . además pueden indicar varios factor!'!S. estimulantes de colonias {sargramostim y filgrastim) que promueven la síntesis de glóbulos blancos. En este momento se realizan ensayos clínicos para nómico de determinar el recuento de glóbulos rojos, dado que la evaluar otras citocinas hematopoyéticas. Los pacientes con cánsangre necesaria para analizar el hernatocrito se puede obtener a cer e inhibición de la hematopoyesis debido a la quimioterapia se través de un simple pinchazo en el pulpejo del dedo. benefician cuando reo'ben inyecciones de estas hormonas hematopoyéticas.

(a) la médula ósea, oculta dentro de !os huesos, casi puede pasar Inadvertida como tejido, aunque en forma global, ¡casi posee el tamaño y el peso del hígado!

(b) la médula es un tejido muy vascu!arizado !!er.o de senos sanguíneos, .una extensa región tapizada por epitelio.

{e) la médula ósea está compuesta por células de la sangre en diferentes estadios del desarro~o y te}1do de sostén denominado estroma ("colchónj.

~ ,;, 11·"' ss'· '"

las células de la sangre maduras"""'" se comprimen y atraviesan las paredes del endotelio para alcanzar la circulación.

el momento en que expulsa

su mícleo

Los glóbulos rojos maduros carecen de núcleo 4. Nombre las citocinas que regulan el crecimiento y la maduración de a) !os eritrocitos, b) los leucocitos y e) los megacariodtos. Respuestas en la p. 557

GLÓBULOS ROJOS Los eritrocitos son las células más abundantes én la sangre. Un mlcrolitro de sangre contiene alrededor de 5 millones de glóbu-' los rojos,-en comparación con sólo 4 000 a 11000 glóbulos blancos y entre 200 000 y 500 000 plaquetas. La fundón principal de los glóbulos rojos es facilitar el transporte de oxígeno desde los pulmones hada las células y de dióxido de carbono desde las células hacia los pulmones. La relación entre los glóbulos rojos y el plasma se estudia clínicamente a través del hematocrito y se expresa como un porcentaje del volumen s~eo tOtal (Fig. 16-3). El hematocrito se determina obteniendo una muestra de sangre en un tubo capilar fino que se· centrifuga, de modo que los glóbulos rojos, más pesados, se depositen en el fondo del tubo sellado, la "capa leucoática" compuesta por los glóbulos blancos, más livianos, y las plaquetas quede en el medio, y eJ. plasma permanezca en !a parte superior. Se mide la columna de concentrado de eritrocitos y el valor del hemafocrito se informa como un porcentaje del volumen total. El hematocrito normal oscila entre 40 y 54% en lÓs hombres y entre 37y 47% en las mujeres. Esta prueba es un modo rápido y eco-

En la médula ósea, las células progenitoras comprometidas se diferencian a través de varios estadios hasta convertirse en eritroblastos, grandes y nucleados. A medida que los eritroblastos maduran, el núcleo se condensa y el diámetro de la célula se reduce desde 20 hasta 7¡Lm. Durante el último estadio previo a la maduración, el núcleo se comprime y los macrófagos de la médula ósea lo fagocitan. Al mismo tiempo, otros orgánulos con"membrana (como las mitocondrias) se degradan y desaparecen. La forma fi. na! de la célula inmadura se denomina reticulodtn y abandona la médula ósea para ingresa en la circulación, donde madura y se convierte en eritrocito en alrededor de 24 horas (Fig. 16-4m). Los glóbulos rojos maduros de los manúferos son discos bicóncavos que tienen una forma semejante a una rosquilla con el relleno expñmido hada el centro (Fig. 16-5 m). Estas células son simples "bolsas" membranosas que contienen enzimas y hemoglobina. Como los glóbulos rojos no tienen mitoconddas, no pueden llevar a cabo metabolismo aeróbico. La glucólisis es .su fuente principal de adenosíntrifosfato (ATP). Sin un núdeo y un retíallo endoplásmico que sinteticen proteínas, los eritrocitOs son incapaces de crear enzi· mas nuevas y de reemplazar los componentes de las membranas. Esta íncapaddad conduce a una pérdida creriente de la flexibilidad de las membranas y determina que las células más viejas sean más frá· giles y tengan más probabilidades de romperse. La forma bicóncava de los glóbulos rojos es una de sus características más distintivas. La membrana se mantiene en su sitio debido a la existencia de un dtoesqueleto compuesto por fila-

"""""'

para coovertirsa en plaquetas.

Seno venoso

' ii FIGURA 16-4

mentas conectados a proteínas de fi.jadón transmembranosas {Fig. 16-Sc). Apesar de este citoesqueleto, los glóbulos ro¡os son muy flexibles, de la misma manera que un balón lleno con poca agua se puede comprimir para adoptar varias formas. Esta flexibílidad permite que la fonna de los eritrocitos se modifique cuando atraviesan los capilares estrechos de la circulación. · La estructura discoide de los glóbulos rojos también les per. mite modificar su forma en respuesta a los cambios osmóticos que se producen en la sangre. FJ. eritrocito que se encuentra en un medio ligeramente hipotónico {~p. 157) se hincha y se tran~forma en una esfera sin que se altere la int-egridad de su

membrana {Fig. 16-6a m). En los medios hipertónicos, el tamaño de los glóbulos rojos disminuye y su superficie puede adquirir una forma espinosa cuando la membrana tracciona del citoesqueleto (Fig. 16-Qc). La morfología (morphe, forma) de los glóbulos rojos puede proporcionar claves para detectar una enfermedad. Aveces las células pierden su forma discoide aplanada y se toman esféricas (esferocitrJsis). En la anemia drepanocítica (falciforme), las células adoptan una forma de hoz o de media luna. En algunos trastornos,. el tamaño de los glóbulos rojos, o sea el volumen corpuscular medio (VCM), puede ser anormalmente grande o pequeño.

1

G!obu!os rojos

Capítulo 16 Sangre

544

{b) Corte transvernal de un glóbulo rojo

{a) Microscopia electrónica de barrido que muestra la fonna de diSCO bicóncavo da JOS glóbulos rojos. ••

(e} E1 citoesqueleto genera la forma slngu!ar del glóbulo rojQ. ·

........ Hferro (Fe)

'" '"' t

1

1

Fe~tr!emna

Fe -Jo Hemo -i> Hb __.,. Síntesis de

glóbulos rojos

Los glóbulos rojos

viejos se destruyen

r

activo. -

-~~-=---·---

la protefna transfenina transporta Fe en el plasma.

T Glóbulos rojos-

-

8

í~ F;:;:;;,;~porte

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Médula ósea

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1 del Fe com~ ~~a

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@la médula OOea ~~~fe para

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1-sintetizar hem~~~ (Hb).

Hb

4

Billrrubina

!S FIGURA 16·5 Glóbulos rojos

La síntesis de hemoglobina reciuiere hierroLa hemoglobina (Hb) es un tetrámero compuesto·por cuatro cadenas de proteínas globulares {globinas), cada una con uncen· tro formado poi: un grupo hemo con hierro. En el capítulo 18 se analizarán los detalles del transporte de oxigeno en la hemoglobina, pero en esta sección se describirá el proceso de síntesis de hemoglobina. La síntesis de hemoglobina requiere el aporte adecuado de hierro en la dieta (Fig. 16·7 m), de fuentes como carne roja, alu·

bias (porotos), espinaca y pan fortificado con hierro. El hierro se absorbe en el intestino delgado por transporte activo y dl:cula por la sangre unido a una proteína transportadora llamada transferrl· na Los glóbulos rojos en desarrollo en la médula ósea utilizan hierro pata siritetizar el grupo hen;to de la hemoglobjna. El exceso de hierro se almacena en el organismo, sobre todo en el hígado, ac.umuiado en la proteína fenitina y sus derivados. Es posible ingerir demasiado hierro; algUnos niños pueden in· toxicazse cuando consumen demasiados comprimidos de vitami· nas con hierro. Los síntomas iniciales de este trastorno son dolor gastrointestinal, cólicos y hemorragia interna, que se deben a la erosión del epitE$-o digestivo ocasionada por el hierro. A conti·

Ferritina

!i'9!!!2. ¡@ .. 1

ií"""~!~':.:U":.- 1

1

'~=:o:

Metabofrtos de fa. biJirrubina en las heces

Los g/óbulonojos viven alrededor de cuatro meses Los glóbulos rojos presentes en la drculactón viven ~edor" de 120 días {más/menos 20 días). Los eritrocitos más viejos son cada vez más frágiles y se pueden romper cuando tratan de forzar el paso por los capilares estrechos, o pueden ser fagoCitados por macrófagos residentes cuando circulan por el bazo.

{el

la FIGU~ 16-6 cambios osmóticos en la forma de los glóbulos rojos (a) Los eritrocitos colocados en un medio hipotónico se hinchan .y pierden su forma caracterlstica de disco bicóncavo, que se ilustra en (b),.(c) Los eritrocitos colocados en un medio hipertónico se encogen pero el dtoesqueleto rfgido permanece intacto, lo que determina_ que su superficie sea espinosa. Se dice que estas células están crenadas {crenatus, muesca}.

·¡~ ¡

,, __ ..

8 hlgado metabollza la bifirrubina 1

y la excreta a través de !a bflis.

®

M"""""'

da fa. bilfrrublna en !a orina

mFIGURA 16-7 Metabolismo del hierro

nuadón se puede produdl: insuñdenda hepática, que puede ser fatal.

~)

..

_

8 bazo convierte·;~·~~-en

1 b1Urrubina.

Por ejemplo, los glóbulos rojos pueden ser demasiado pequeños en la anemia ferropénica.

.. _

@ 8 hfen'o proviene de fa dfeta.

1 """'' Fe-t~

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•=~m

545

Muchos componentes de la hemoglobina se reciclan. Los ami· noáddos procedentes de las cadenas de globina son incorporados a proteínas nuevas, y parte del hierro de los grupos hemo se vuel· ve a utilizar para sintetizar nuevos grupos hemo. Los restos de los grupos hemo son transformados por las células hepáticas y esplénicas en un pigmento que se denomina bilirrubina La albúmi· na plasmática transporta este pigmento hada el hígado, donde se metabollza y se incorpo.ta a una secreción denominada bilis {Fig. 16--7). La bilis se secreta hada el tubo digestivo y lo~ metabolitos

1

546

Plaquetas y coagulación

Capítulo 16 Sangre

AUMENTO DE LA VElOODAD DE P~RDIDA DE lOS GlÓBUlOS ROJOS

Pérdida de sangre: las células tienen tamaño normal y el contenido de hemoglobina es normal pero la cantidad de células es menor

Anemias hemolfficas: ruptura de las células a una velocidad anor· malmente elevada lfereditarfas

Defectos M la membrana (p. ej., esferodtosis hereditaria) Defectos enzimáticos Hemoglobina anormal {p. ej., anemia drepanocftica) Adquiridas

00 AGURA 16-8 Glóbulos rojos faldformes

lnf&dones parasitarias {p. ej., paludismo) Fármacos

Los trastornos de los glóbulos rojos disminuyen el transporte de oxígeno

Reacciones autoinmunitarias DISMINUOÓN DE LA PRODUCOÓN DE GlÓBULOS ROJOS

Defecto en la sfntesls de glóbulos rojos o hemoglobina en la médula ósea ~~


'1

Anemia apfásica: se puede deber a algunos· fármacos o i'adiadón

!ngesta inadecuada. de nutrientes esendales en la dieta

Deficiencia de'hierro (el hierro es necesario para la producción de hemo) Deficiencia de ácido fólico {el ácido fólko es necesario para la sin· tesis de DNA) Deficiencia de vitamina Bu (la vitamina B11 es necesaria para la sl~r tesis de DNA); se puede deber a una carenda"i:le factor lntrlnsec.o para.la absorción de vitarilina 612• Produ«lón Inadecuada de eritropoyetJna

de la bilirrubina se excretan a través de las heces. Pequeñas can ti· dades de otros metabólitos de la bilirrubína se filtran en los riñones y conttibuyen a producir el c~lor amarillo de la orina.. En algunas circunstancias, las com;entraciones sanguíneas de bilirrubina aumentan (hiperbilirrubimimia). Este trastorno, denominado ictericia, modifica el color de la piel y la esclerótica ocular, que adoptan un color illl!apllo. La acumulación de bilirrubi· na se puede producir por muchaS causas. Como en los neonatos la hemoglobina fetal se 4egrada y se ~tituye por hemoglobina adulta, tienen una susceptibilidad especial a desarrollar toxicidad por bilirrublna, por lo que los médicos controlan a los bebés en busca de ictericia durante las primeras semanas de vida Otra causa frecuente de ictericia es la hepatopatía, en la que el hígado es incapaz d~ procesar o excretar la bilirrubina. --.';

r!I!;ÉVI S 1ó N

ttX.- ·. 5. Distinga entre a) el hemo y la hemoglobina y b) la fe·, rritina y la transferrina. 6.

·

iEs la bilis un producto de secreción endocrina o exo-erina?

Respuestas en la p. 557

Como la hemoglobina cumple un papel fundamental en el transporte de oxígeno, el recuento de glóbulos rojos y el contenido de hemoglobína en el organismo son importantes. Si el contenido de hemoglobina es muy bajo, un trastorno llamado anemia, la sangre no puede transportar suficiente oxígeno a ios teJidos. Las personas con anemia suelen estar cansadas y débiles, en especial durante el ejercicio. Las causas principales de anemia se resu· men en el cuadro 16-3 a. En las anemias hemolíticas (lisis, ruptura), la velocidad de des· trucctón de los glóbulos rojos supera a su velocidad de producción. Las anemias hemolíticas en general son defectos heredita· rios caracterizados por la producción de células frágiles. Por ejem· plo, e¡¡.· la esferodthsis hereditaria el dtoesqueleto del eritrocito no se estructura en forma. apropiada debido a la presencia de proteínas citoesqueléticas defectuosas o deficientes. En consecuencia, las células adquieren una forma más esférica en lugar de su forma característica de disco bicóncavo. Esta alteración del citoesqueleto determina que los glóbulos rojos se rompan con facilidad y que no puedan soportar los cambios ·osmóticos de la misma manera que las células normales. Varios tipos de anemias hemolíticas son enfermedades adquiridas, como se indica en el cuadro 16-3. Algunas anemias son el resultado de la presencia de moléculas anormales de hemoglobína. La anemiit drepanoátíca ("de células falciformes") es un trastorno genético caracterizado por el reemplazo del glutamato, el sexto aminoácido en la secuencia de 146 aminoáddos que constituye la cadena beta de la hemoglobi· na, por valina. El resultado es una hemoglobina anormal (una forma conocida l:;omo HbS) que se cristaliza cuando entrega el oxígeno que transporta. ·Esta cristalizáción transforma los glóbuloS rojos en células falciformes, semejantes a medias lunas (Flg. 16..S m). Estas células (drepanocitos o células faldformes) se adhieren entre ellas cuando atraviesan los vasos sanguíneos más pequeños, lo que determina' la obstrucción del vaso y el bloqueo del flujo sanguíneo hacia los tejidos. Esto desencadena lesión tisular y dolor por hipoxia. Un tratamiento para la anerilia drepanoática es la administración de hidroxiurea, un compuesto que inhibe

la síntesis de DNA. La hídroxiurea altera _la fundón de la médula ósea y determina que los glóbulos rojos inmaduros sinteticen la forma fetal de la hemoglobina (HbF) en lugar de la hemoglobina adul· ta. La HbF interfiere con la cristalización de la hemoglobina, no se sintetiza nueva HbS ni nuevas células faldformes. Además, algunos estudios revelan que los síntomas se alivian antes de que aumenten las concentraciones de HbF. Una teoría que explica estos resultados se basa en el hallazgo de que la hidroxiurea se metaboliza en· óxido nítrico (NO), que a su vez ocasiona vasodilatadón. En la actualidad se evalúa la administración de óxido nítrico por vía ínhalatoria para el tratamiento de los síntomas de la anemia diepanodtica. Otras anemias se producen por incapactdad de la médula ósea para sintetizar cantidades adecuadas de hemoglobina. Uno de los ejemplos más frecuentes de anemias por síntesis insufidente de hemoglobina es la anemia ferropénica (anemia por deficiencia de hierro). Si la pérdida de hierro supera la ingesta de este elemento, la médula no tiene una cantidad suficiente para sintetizar grupos hemo y la velocidad de síntesis de hemoglobina disminuye. Las personas con anemia ferropénica presentan reducción del recuento de glóbulos rojos (que se refleja en un hematocrito bajo o disminución del contenido de hemoglobína en la sangre. A menudo sus glóbulos rojos son más pequeños que los normales (gló:!Julos rojos microdticos), y la disminución del contenido de hemoglobina puede determinar que las células sean más pálidas que las nor· males, en cuyo caso se denominan hipocrámicas (hypo, menor que Jo normalí chrom-, color). Las mujeres que menstrúan tienen más probabilidades de padecer anemia ferropénica debido a la pérdida de hierro con la sangre menstruaL Aunque las anemias son frecuentes, también es posible que un índividuo tenga una cantidad excesiva de glóbulos rojos. La polidtemia vera (vera, verdadera) es una disfunción de las células ma· dre que determina la producción de una cantidad excesiva de células de la sangre, tanto glóbulos rojos como blancos. Los paden· tes con esta enfermedad pueden tener hematocritos de hasta 60y 70% (normal entre 37 y 54%). El aumento de la cantidad de células se asocia con un incremento de la viscosidad de la sangre, que en consecuencia genera mayor resistencia al flujo en el apa· rato circulatorio (~p. 463). · En la polidtemia relativa, la cantidad de glóbulos rojos es nor· mal pero el hematocrito es más elevado por la ~dida de volu~ men plasmático. Esto se puede observar, por ejemplo, en pacientes deshidratados. También se puede producir el problema opuesto. Cuando un deportista se hidrata en forma excesiva, el hematocrito puede disminuir transitoriamente debido al íncremento del volumen plasmático. En ambas situaciones, los glóbulos rojos no están comprometidos por trastornos reales. · éi;:

P;.R_,E~V 1 S 1ó N li:&~,, 7. Una persona que pasa del nivel del mar a una dudad '0'' que se encuentra a 1 500 m sobre el nivel del mar ex-

JH!rimenta un aumento del hematocrito en dos o tres dfas. Gráfique !a vla refleja que eonecta la hipoxia asodada eon la altura con e! aumento de la producción de glóbulos rojos. Respuesta en la p. 557

547 ·

PLAQUETAS Y COAGULACIÓN Debido a su naturaleza líquida, la sangre fluye con libertad por el sistema circulatorio. Sin embargo, si se produce una ruptura en el sistema de "conductos", se pierde sangre salvo que se to· men ciertas medidas. Uno de los desafíos que enfrenta el organismo es tapar las roturas en los vasos sanguíneos lesionados manteniendo simultáneamente el flujo sanguíneo que circula por esos vasos. La obstrucción completa de un vaso sanguíneo lesionado podria ser simple, de la misma manera que se coloca una barrera en una calle llena de baches. Sin embargo, de la misma manera que los comerciantes que tienen negodos en esa calle pierden su tra· bajo ésta se bloquea, las células distales con respecto al sitio lesionado mueren debido a la falta de oxígeno y nutrientes si el vaso se obstruye totalmente.· El organismo debe mantener flujo sanguíneo a través del vaso y reparar su pared lesionada al mismo tiempo. Este reto se complica porque la sangre circula por el sistema bajo presión. Si el "parche" empleado para la reparación es de· masiado débil, la presión de la sangre puede desprenderlo. Por ende, la detención de la pérdida de sangre requiere varias me· didas. En primer lugar, la presión en el vaso debe disminuir durante el tiempo suficiente para crear un sello mecánico seguro en forma de un coágulo de sangre. Una vez que el coágulo se encuentra en su sitio y la pérdida de sangre se detiene, se pueden poner en funcionamiento los mecanismos de reparación del organismo. Luego, cuando la herida cicatriza, las enzimas disuelven el coágulo de manera gradual mientras fagocitos ín· gieren y destruyen los detritos.

1 .

'

548

· Plaquetas y coagulación

capítulo 16 Sangre

549 ·

mi FIGURA 16-10 Panorama general de la hemostasia y la reparadón de los tejidos

(')

núcleo.

celulares llamados plaquetas.

(o)

lb)

Las plaquetas Inactivas son pequeños fragmentos ce!u~ con forma de disco

Las plaquetas activadas (agrandada) muestran superticles ep!culadas y se unen unas con otras.

mFIGURA 16-9 Plaquetas y megacariodtos Las plaquetas son fragmentos pequeños de células Como se mencionó, las plaquetas son fragmentos de células que se producen en la médula ósea a partir de células muy gran. des llamadas megacariodtos. Los megacariodtos adquieren su enorme tamafto porque efectúan basta siete procesOs mitóticos sin división nuclear ni citoplasmática. El resultado es una célula poliploidea con núcleo lobulado (Fig. 1&.9a llll). Los bordes externos de los megacariocttos medulares se extien· den a traVés del endotelio bada la luz de los senos sanguíneos de la médula ósea, donde las extensiones dtoplasmáticas se fragmentan y forman las plaquetas discoideas (fig. 164). Las plaquetas son más pequeñas que los glóbulos rojos, son incoloras y no tienen núcleo. Su citoplasma contiene mitocondrias, retículo endoplásrnico liso y muchos gránulos llenos de .PrOteínaS de la coagulación y citodnas. La vida media tipica de una plaqueta es de alrededor de 10 días. Las plaqUetas siempre están presentes en la sangre, pero no se activan sino basta que se produce una lesión en las paredes·del sistema circulatorio.

La hemostasia impide la pérdida de sangre a través

de los v.asos lesionados La hemostasia (haima, sangre; stasis, detención) es el proceso que permite mantener la sangre dentro de un vaso sanguíneo le·

sionado. Lo opuesto ala bemostasia es la hemmragia {·rrhagia, flu· jo anormal}. Lahemostasia consta de tr:es pasos pñncipales: 1) va· soconstricd.ón, 2) bloqueo temporario de la ruptura con un tapón plaquetario y 3) coaguladón de la sangre o formación de un coá~ gulo que sella el orificio hasta que se reparan los tejidos, En la figura 16-10 mse resume este proceso. El primer paso de la bemostasia es la constricción inmediata de los vasos lesionados inducido por -sustancias paracrinas vasoconstrictoras liberadas por el endotelio. La vasoconstricción reduce el.flujo sanguíneo y la presión dentro del vaso tempo:rariamente. Cuando se ejerce presión sobre una herida sangrante, el flujo dentro del vaso daña~ do se reduce. La vasoconstricdón es seguida rápidamente por el bloqueo mecánico del vaso por un tapón plaquetario. El tapón se forma cuando las plaquetas se adhieren al colágeno expuesto (adhesión plaquetaria) y se activan liberando citodnas én el área alrededor de la lesión. Los factores plaquetarlos acentúan la" vasoconstric· dón local y activan más plaquetas, que se adhieren entre sí (ag:re. gadón piaquetaria) formando un tapón plaquetario poco com· pacto. Simultáneamente, el colágeno expuesto y el factor tisular (una mezcla de proteínas y fosfolipidos) desencadenan una serie de reacciones conocida como cascada de la coagulación. La cas.. casa es una serie de reacciones enz:imáticas que concluyen con la

de una malla de fibras proteicas de fibrina, que estabi· li?a el tapón plaquetarlo. El tapón plaquetario refonado se dena.. mina coágulo. Algunos factores químicos que participan·en la cascada de la coagulación también estimulan la adhesión y la agregación de las plaquetas en la región de la lesión. Por último; cuando el crecimiento y la división de las células reparan el vaso lesionado, el coágulo se retrae y la enzima plasmina lo disuelve con lentitud. El cuerpo debe mantener un equilibrio apropiado .durante la hemostasia. Una hemostasia demasiado escasa permitirá un sangrado excesivo; Cuando este proceso es exagerado se genera un trombo, o sea un coágulo de sangre que se adhiere a lapa· red no lesionada de un vaso sanguíneo (trombo, coágulo o tu· mor). Un trombo grande puede bl(!quear la luz del vaso y detener el flujo sanguíneo. Aunque la hemostasia parece simple, todavía quedan bastantes preguntas sin responder en relación con este procesó en los ofve.. les celulares y moleculares. Como la coagulación inapropiada de la sangre cumple un papel importante en la generación de acdden~ tes cerebrovasculares -e infartos de miocardio, esta área de investi· gadón es muy activa. Los experimentos condujeron al desarrollo y ei:uso de "destructores de coágulos" o tromboliticos, enzimas ~orrnactón

que pueden disolver los coágulos en las arterias en casos de infar~ tos de miocardio y accidentes cerebrovasculares isquémicos. El estudio detallado de la hemc:>staSía comp~de muchos fac~ tores químicos, algunos de los cuales cumplen varias funciones y tienen diversos nombres. Por esto el aprendiZaje del proceso de coagulación puede ser bastante difídl. Por ejemplo, algunos fac~ tores participan tanto en la formación del tapón piciquetarlo romo en la coagulactón, y un factor de la cascada activa enzimas tanto para la formación como para la disolución del coágulo. De· bido a la complejidad de la cascada de la coagulación, sólo se des.. cn"birán en detalle algunos aspectp_s de la hemostasia.

La adivad6n de /as plaquetas comienza el proceso de coagulación Cuando la pared de un vaso sanguíneo se lesiona, la exposición del colágeno y los compuestos químicos procedentes de las células endoteliales activan a las plaquetas (F¡g. 16--llllll; cuadro 1641i!i). En condiciones normales, el endotelio 4~ los vasos sanguíneos separa las fibras de la matriz de colágeno de la sangre citculante. Pero cuan~ do el vaso se lesiona, el colágeno queda expuesto y las plaquetas se comienzan a adherir a esta matriz rápidamente.

1

550

Plaquetas y coagulación

Capítulo 16 Sangre

El colágeno expuesto se une

551

de los vasos genera una respuesta localizada que limita el tapón plaquetario al área de la lesión.

con las plaquetaS y las activa.

La coagulación convierte el tapón plaquetarío en ·un coágulo más estable

¡=-=....=·-·

@ las plaquetas se agregan y

¡ forrna:,~:~~eplaquetario.

0 FIGURA 16-11 Formadón del tapón plaquetario

Factores involucra_eJl la fU~ci-~n ~e las plaquetas

1

FUNOÓNEN LA FORMAOÓN DE TAPONES PI.AQUETAfi:IOS

OTRAS FUNOONES Y COMENTARIOS

FACTOR QUIMICO

FUENTE

AcrJVADOPORO UBERADOEN RESPUESTA A

Colágeno

Matriz extracelular subendotelial

Una lesión que expone las Fija plaquetas p.ara comenzar plaquetas al colágeno a formar el tapón plaquetario

Factor de von Wi!!ebrand

Endotelio, megacariocitos Exposición al colágeno

Une IC;S plaquetas con el colá- Una deficiencia o un defecto produce sangrado que geno no se detiene

Serotonina

Vesfcu!as Se.:retOras de las Activación p!aquetaria plaquetas

Agregación p!aquetaria

Adenosindifosfato (ADP)

Mitoco~drias

Agfegación p!aquetaria

(Wifl

Factor activador de plaqúetas (PAF)

p!aquetarlas Activación p!aquetaria, trombina

Plaquetas, neutrófilos, · monocitos

Vasoconstrictor

Activación plaquetaria

Agregación p!aquetaria

Cumple un papel en la inflamación; aumenta la permeabilidad de los capilares

Agregación plaquetaria

Varoconstrictor; eicosanoide

Tromboxano A¿

Fosfollpidos en las mem· branas de las plaquetas

Factor activador de plaquetas

Factor dé aecimiento derivado de plaquetas {PDGF)

Plaquetas

Activación plaquetaria

Estimula la cicatrización de las heridas mediante la atracción ele fibroblastos y células musculares lisas

El tercer paso importante de la hemostasia, la coagulación, es un proceso complejo mediante el cual la sangre líquida forma un coágulo gelatinoso. La coaguladón se divide en dos vías (Fig. 16-12 @). La vía intrínseca (en color amarillo) comienza con la exposidón del colágeno e involucra proteínas presentes en el plasma. m·colágeno activa la primera enzima, el factor XII, para que inide la cascada. La. vía extrínseca (en color azul) se pone en funcionamiento cuando los tejidos lesionados exponen el factor tisular,· también llamado tromboplastinn tisular. El factor tisular aCtiva al factor VII para que inicte la vía extrlnseca. Las dos vias desembocan en la vía común (en color verde) que origina trombina, o sea la enzima que convierte el fibrinógeno en polúneros de fibrina insolubles. Estas fibras de fibrina forman parte del coágulo. En el pasado se creía que la coagulación era una cascada similar a las secuencias de segundos mensajeros ilustradas en el capítulo 6 (~p. 182). En cada paso una enzima conVierte un precursor inaC· tivo en una enzima activa, a menudo con la ayuda del eaz~, fosfolípidos de la membrana u otros factores. Sin embargo, en la actualidad se sabe que el proceso es más complejo que una simple cascada. Los factores que participan en las vías intrínseca y extrínseca in· teractúan entre sí y determinan que la coagulación sea una red en lugar de una cascada simple. Además, varios ddos de retroalimentación positiva mantienen la cascada hasta que una o varias de las proteínas plasmáticas participantes se consumen completamente.~ El resultado final de la coagulación es la conv~ón del fibrinógeno en fibrina, y esta reacdón es catalizada por la enzima trombina (Fig. 16-13 fii,l. Las fibras de fibrina se entremezclan con el tapón plaquetarto y atrapan glóbulos rojos dentro de su malla (véase la foto al comienzo del capítulo, en la p. 535). El factor XIIE activo con• Las plaquetas se adhieren al colágeno con ayuda de integrinas, vierte la fibrina en un polímero reticulado que estabiliza el coágulo. que son proteínas receptoras de membrana unidas al dtoesqueleAmedida que el coágulo se fonna incorpora moléculas de plasto (m p. 70). Esta fijación activa a las plaquetas para que secreten . mina, que serán las semillas de su propia destrucción. La plasmina los contenidos de sus gránulos intracelulares, como serotonina es una enzima creada a partir del plasminógeno por la trombina y (5-hidroxitriptamina), ADP (adenosindifosfato) y factor activa-. el activador del plasminógeno tisular (t·PA). La plasmina degrada dor plaquetario (PAF). El PAF pone en mateha un ciclo de retroalos polímeros de fibrina en fragmentos (Fig. 16-13). la disolución de limentadón positiva que activa más plaquetas y además inicia la fibrina por la plasmina se denomina fibrinólisis. Amedida que la una vía que convierte los fosfolípidos de la membrana de las plapared del vaso lesionado se repara lentamente a sí misma, la fibri· quetas en tromboxano Az (§i p. 189). La serotonina y el tromnólisis contribuye a eliminar el coágulo. boxano Az. son vasoconstrictores y también contribuyen a la agreLa gran cantidad de factores comprometidos en la coagulación y gadón plaquetaria junto con el ADP y el PAE El resultado neto es el hecllo de ql!e un solo factor pueda tener varios nombres diferenel crecimiento del tapón plaquetario, que sella la pared del vaso tes suelen producir confusión (cuadro 16-5 1.3). Los científicos asiglesionado. naron números a los factores de la coaguladón, pero no según el orSi la agregación plaquetaria es un evento de retroalimentadón den en que partidpan en la cascada de la coagulación sinO en el que positiva, ¿qué impide que el tapón p~aquetarto siga creciendo y se se q.escubrieron. disemine más allá de la lesión, hada otras áreas de la pared del vaso? La respuesta es que las plaquetas no se adhieren al endotelio /3 ~~til;t!~:V 1S 1Ó N normal. Las céluláS endoteliales vasculares indemneS convierten ~(f/)' 8. En la figura 16-10, ¿qué casilla corresponde al comiensus lípidos de membrana en prostaciclina, un eicosanoide ( ~ p. ""' zo de la vfa intrlnseca de la coagulación? ¿Cuál 29) que inhibe la adhesión y la agregación plaquetaria. El óxido corresponde al comienzo de fa vfa extrínseca? ¿Cuál nítrico liberado por el endotelio normal indemne también inhi· corresponde al comienzo de la vfa común? be la adhesión plaquetaria. La combinadón de la atracción de las Respuestas a la p. 557 plaquetas hacia la lesión y el rechazo hada las paredes nounales

552

-Plaquetas y coaguladón

Capítulo 16 Sangre

1

1

VfA INTR[NSECA

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fact~res

ii; ;;; Í~~~ícf~rffi:Jgt¡;l~.(c~ f'l

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Colágeno u otros ~ ~

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La lesión expone factortisularQl~

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553

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1

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FACTOR QUIM!CO

FUENTE

ACOVADO POR O UBERA· FUNCÓN EN LA COAGUlACÓN DO EN RESPUESTA A

OTRAS FUNCONES Y COMENTARIOS

1,

Colágeno

Matriz extrareiular su-

Una lesiól1 que expone el Coniienza Ía vfa intrlnseca colágeno a los factores de la coagulación d~l plasma

No especificado

bendotelia!

1

~

1 Factor de von Willebtand

1

Endotelio, mega<ariocitos Exposición-al colágeno

Regula la concentración de factor

Una deficiencia o un dfr. fecto producen sangrado prolongado

Cofactores presentes en la vía plasmática en condidones normales

Cofactores para la activación de la vla intrfnseca por contacto

Intermediarios en la respuesta inflamatori¡¡; ero. mulan la'ñbrin6!isis

Factor tisular (tromboplas- La mayorla de las células tina tisular o factor m) excepto las plaquetas

lesión del tejido

Comienza la vía extrínseca

No especificado

Protrombina y trombina {factor!!)

lipidos plaquetarlos, (al+ yfactorV.

Ptod~cci6n

No especificado

Flbrin6geno y fibrina (fac· Hígado y plasma torl)

Trombina

Forma fibras inrolub!es que estabi!i- No especificado zan el tapón plaquetario

Factor estabilizante de la fibrina (factor XIIO

Hfgado, megacariodtos

Plaquetas

Forma enlaces transversales entre los poffmeros de fibrina para crear una malla estable

ca1 .. (factor IV)

Iones plasmáticos

No especificado

Necesario en varios pasos de la
Vrtamina K

Dieta

No especificado

Necesaria Para !a s!ntesis de los fac· No especificado tores !!, V!!, IX y X

vm

( rel="nofollow">Wl')

'

Cinin6geno y calkrefna

. -~

'

VfACOMON

Hlgado y plasma

Hígado y plasma

de fibrina

No espedficado

m FIGURA 16·12-Cascada de la coaguladón la~ prote!nas plasmáticas inactivas se convierten en enzimas activas en cada paso de la v!a.

il FIGURA 1&-13 Coaguladán y fibrinófisis

Los antícoagulantes inhiben la .coagulación Una vez que comienza la coagulación, ¿qué impide que toda la sangre se coagule? Hay dos mecanismos que limitan la extensión de la -coagulación dentro de un vaso: 1) la inhibidón de la

adhesión plaquetaria y 2) la inhibidón de la cascada de la coaguladón y la produc.dón de fibrina (cuadro 16-6 i!l). Como se roendonó, ciertos factores como la prostadclina presente en el endotelio del vaso sanguíneo y el plasma se ocupan de que el tapón plaquetario quede limitado al área lesionada. Además, las células endoteliales secretan compuestos químicos llamados anticoagulantes, que impiden el desarrollo de la coaguladón. La mayoña de estos compuestos actúa a través del bloqueo de una o varias reacciones en la cascada de la coagulación. El cuerpo produce dos anticoagulantes, la heparina y la antitrombina m, que funcionan juntas bloqueíindo los factores activos IX, X, XI y XII. La proteína C, otro anticoagulante del organismo, inhibe los factores de la coagulación V y VIII. Los fármacos anticoagulantes se pueden indicar a individuos con alto riesgo de formadón ~e coágulos pequeftos que podrían bloquear vasos importantes en el encéfalo, el corazón o los pul· mones. I.a familia de los antiroagulantes cumarfnicos, como la war· {arina (Coumadin®), inhibe la acción de I;;t vitamina K, un cofac· tor { ~ p. 40) en la síntesis de los ~ctores de la coaguladón n,

FACTOR QUIM!CO

FUENTE

ACOVADO POR o-UBERADO EN RESPUESTA A

FUNOÓN EN LA ANTlCOAGULA· a.óN O LA ABRINÓUSIS

OTRAS FUNOONES Y COMENTARIOS

Plasminóg-eno y p!asmina Hlgado y plasma

t-PA y trombina

Disuelve fa fibrina y e~ fibñnógeno

No especifr_cado

Activador tisular del p!as- Muchos tejidos minógeno (t-PA)

En condiciones normales está "presente; las concentraciones aumentan durante el estrés y en presern:ia de prote!na e

Activa el plasminógeno

El t-PA recombinante se emplea en la clínica para disolver los coágulos

Antitrombina m

No especificado

Anticoagu!ante'; 'inhibe los factores IX. X. XI, XII, trombina, calicrelna

Facilita
H!gado y plasma

Prostacidina {prost:aglan- Células endateliales No especificado dina loPGIJ

Inhibe 1~ agregación p!aquetaria Vasodi!atadora

1

554

Capítulo 16 Sangre

VTI, IX y X. Estos anticoagulantes se descubrieron cuando se vio que el ganado que presentaba problemas hemonagíparos graves había comido tréboles dul<:fs fermentados. CIUU).do una muestra de sangre se coloca en un tubo de vidrio, ésta se coagula a gran velocidad salvo que el tubo contenga algún anticoagulante. Varios de los anticoagulantes empleados con este fin eliminan el Ca2+ Ubre del plasma. El calcio es un factor esencial de la coagulación, lo que implica que sin calcio no se puede desarrollar este proceso. Pero en el ser vivo las concentraciones

Resumen del capítulo

plasmáticas de caz.. nunca disminuyen hasta niveles que puedan interferir con la coagulaCión. El ácido acetilsalicilico (aspirina) es un agente que previene la formación de tapones plaquetarios y actúa inhibiendo las enzi. mas COX que estimulan la síntesis del actlvador de las plaquetas tromboxano Az.. En ocasiones, las personas con alto riesgo de desarrollar pequeños coágulos sanguíneos reciben la indicación de tomar una aspirina por día para "li01ar la sangre"- En realidad, la aspirina no diluye la sangre, pero evita la formación de coágulos inhibiendo la agregación plaquetaria. En la actualidad se administra aspirina de rutina para el tratamiento de emergencia de un paciente con probable infarto de miocardio (véase el recuadro de "tromboliticos"). Varias enfermedades hereditarias afectan el proceso de la coagulación. Los pacientes con trastornos de la coagulación experimentan hematomas con facilidad. En las formaS graves, se pueden producir hemorragias espontáneas en todo el cuerpo. El sangrado en las articulaciones y los músculos puede ocasionar dolor e incapacidad. Una hemorragia en el <:ftebro puede ser fatal. El trastorno de la coagulación más común es la hemofilia, nombre que reciben varias enfermedades en las que uno de los factores de la cascada de la coagulación es defectuoso o deficiente. La hemofilia A, o sea la deficiencia de factor VIII, es la forma más frecuente y representa alrededor del 80% de los casos. Est
PREGUNTA

HEGIOS

1. ¿Cuál es el rango normal de hemoglo-

Los valores normales de hemoglobina para Sin respuesta los hombres oscila entre 14 y 17 g/dl de san~ gre entera.

bina para Muehlegg?

555

INTEGRACIÓN Y ANÁUS!S

-~~--~-----------

2. Si hay un dopaje, ¿esperarla que el va- El hematocrito es el porcentaje de volumen lor de! hematoc_rito se encuentre por de la muestra de sarigre que representa un debajo o por encima del nivel normal? concentrado de eritrocitos. Una función principal de los glóbulos rojos es el transpor· te de oxfgéno.

El dopaje de sangre se realiza para aumentar la capacidad de transportar oxigeno; el depOrtista desea tener más células sa~gufneas, Esto significa aumentar el hematocrito.

3. Explíque la forma en que la diarrea

La diarrea produce deshidratación, que de-. termina una pérdida de volumen de !fquido. El plasma es el componente !fquido de la sangre.

Si ef volumen total de' giObulos- rojos-no se modifica pero el volumen-plaSmático disminuye en forma Secundaria la deshidratación, el hematocrfto ·aumenta:

Hematocrito =

Si i:l. voturrien ¡)!aslriáticO auinenta,_e_l hema-totiitO diSminuYe- inétuso ·au-nque· i:l VOiuffien de glóbulos rojos no se modifique·. Si ingiere liquido; MUehlegg podrra incremtmtar su volumen plasmático 'de inmiadiilto.

puede ocasionar un aumento temporario del hematocrito.

4. ¿Cómo podrfa Muehlegg reducir su

hematocrito con rapidez sin perder glóbulos rojos?

volumen de glóbulos rojos volumen de glóbulos rojos+ volumen

plasmático S. La EPO endógena, la rhEPO y la dar~

bepoyetina inducen la síntesis de los glóbulos rojos pero se pueden distinguir unas de otras cuando se evalúa una muestra de orina por electroforesis. Explique la forma en que tres hormonas sintetizadas a partir de! mismo gen pueden ser activas pero diferentes entre si para poder distinguirlas en el laboratorio. 6. Una característica distintiva del uso¡¡¡.. dto de EPO es el aumento de la concentración de reticu!odtos en la sangre. ¿Por qUé esta caracterfstica podría sugerir una actividad de la EPO mayor que la nofrrícil?

a

la actividad depende de la fijación de pro· Las tres hormonas tienen sitioS que Se unen teínaS a! sitio de unión del receptor. la mo- cOft el receptor de !a EPO Yla aCtivan. Estos si· tios tienen distintos tamaños o cai'gas que dedificación postraducdonal permite alterar proteínas procedentes dei mismo gen y poi terminan su separaCión me'diaóté electrofor~­ sis. Por ejemplo, el patrón de glucosl!adón- de lo tanto serán diferentes. la rhEPO es diferente del piltrón de la EPO endógena.

Los reticulodtos son el estadio inmaduro fi- . Si éJ d~iTOuo·de !oS glóbUroS'rojciS.se aieienal del desarrollo de. los glóbulos rojos. r
desu'~;di;ó;~!f(~j·;~

RESUMEN DEL CAPiTUlO La sangre es un te~do Interesante compuesto por células de la sangre y fragmentos celulares suspendidos en una matrit líqUida, el plasma, que constituye uno de los dos compartimentos extracelu!aw. El intm:ambio entre el plasma y el líquido interstiCia! sólo se produce a través de los capi· lares. El f/uio de sangre que drolla por el cuerpo depende del gradiente de presión generado por el corazón. Ala vez, la presión elevada en los vasos

sanguíneos puede ocasionar da.fios graves si la pared del vaso se rompe. En conjunto, los componentes celulares y proteicos de la sangre consti· tuyen una unidad functonal que protege al organismo contra la hemorragia. Las células de la sangre también son esendales para el ttansporte de oxígeno y la defensa, como se describiiá en los próximos capítulos.

1

556

Respuesta

Capítulo 16 Sangre

Plasma y elementos celulares de la sangre l. La sangre es la porción drcUlante del líquido eJctr.\¡;elular. (p. 536) 2. El plas!na está compuesto sobre todo por agua, con proteínas, mol~

culas orgánicas, Iones y gases disueltos. (p. 536; Flg. 16-1) 3. Las proteínas plasmáticas Incluyen la albúmina, las globulinas y !a proteína de la coagulación fibrlnógeno. Estas proteínas participan en la coagulación de la sangre y la defensa y actúan como hormonas, enz.Jm.as o tranSportadores de diferentes sustancias. (p. 536) 4. Los elementos celulares de la sangre son los glóbulos rojos (erltrod· tos), los glóbulos blancos {leucocitos) y las plaquetas (trombod· tos), Las plaquetas son fragmentos de células denominadas megacarlodtos. {p. 538; Fig.16-1) 5. La sangre contiene cinco tipos de glóbulos blancos: 1) linfocitos, 2) monodtos, 3) neutrófilos, 4) eosinófilos y 5) basófllos. (p. S38; Ftg. 16-1)

Producdón de células de la sangre 6. Todas las células de la sangre se desarrollan a partir de una célula madre hematopoyética pluripOtendaL (p. 538; Flg. 16-Z) 7. La hematopoyesi$ comienza en un momento tempr.mo del desarrollo embrionarto y continúa durante toda la Vida del individuo. Casi toda la hematopoyesis se desarrolla en la mMula ósea. (p. 539; Hg. 16-4) S. Los factores estimulantes de a¡lonias y otras dtoctnas controlan la producctón de glóbulos biancos. La trombopoyetina regula el crecimiento y la maduración de los megacarlodtos. La erltropoyetina es la prinCipal reguladora de la producción de glóbulos rojos. (PP..540-542) -

Glóbulos rojos 9. Los glóbulos rojos madll!os de los mamíferos SQll discos bicóncavos

carentes de núcleo que contienen hemoglobina, o sea un pigmento de color rojo que transporta oxí~o. (p. 542; Fig. 16-5) 10. La sin tesis de hemoglobina requiere hierro proveniente de la dieta. El hierro dicula por la sangre con !a transfenina y se almacena sobre todo en el hígado en la fenitina. (p. 544; Fig. 16-7) 11. Cuando se degrada la hemoglobina, algunos grupos hemo se convier· ten en bilirmbina, que se inCOipOia en la bilis y se excreta. El aumen· to de las concentraCiones sanguineas de bllírrubina produce icterlda. (p. 545; Flg. 16-7)

Lista 3 hemoglobina bl'" bllirrublna intestino médula ósea hierro eritropoyetina lúgado ferritina porfirlna globina reticuloclto hernatocrito transfurrina hemo 14. Estabezca la diferenCia entre las vías intrínseca, extrínseca y común de la cascada de la coagu!adón. 15. Luego de la activación de las plaquetas, ¿qué factores detienen su actiVidad?

Plaquetas y coagulación 12. Las plaquetas son fragmentos celulares que contienen g¡ánulos con proteínas de la coagulación y dtocinas. Las plaquetas se acUYan cuando se lesiona el endotelio vascular. (p. 547; Fig. 16-9) 13. la hemostasia comienza con la vasoconstrlcción. y la formación de un tapón plaquetado. (p. 548; Fig. 16-10) 14. El colágeno expuesto desencadena adhesión y agregación plaqueta· rla. El tapón plaquetarlo se convierte en un coágulo cuando recibe el retueno de la fibrina. (p. 548; Rg. 16-10) 15. En el último paso de la cascada de la coaguladón, se sintetiza fibrina a partir del fibdnógeno por la acción de la trombina. (p. 551; Flg. 16-12)

16. Amedida que el vaso lesionado se repara, la plasinlna atrapada en el tapón plaquetarlo disuelve la fibrina (fibrin6lisis) y degrada el coágu· lo. (p. 551; Fig. 16-13) 17. Los tapones plaquetarlos sólo se localizan en el sitio lesionado debl· do a la a¡;ctón de la prostadclina en la membrana del endotelio vas. cular indemne. Los anticoagulantes limitan la extensl.6n u~ la coagu· !ación de la sangre dentro de un vaso. (p. 551; Flg. 16-11)

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 16. Raquel se somete a qUimioterapia como tratamiento para el cáncer de mama. Sus recuentos de células sanguíneas se evalúan en forma regu· lar y se obtienen los siguientes resultados:

Recuento normal Glóbulos 4,6-1{),2 blancos (x 10!) Glóbulos4,1)4..5,48 rojos (x 106) P~aquetas 142-424

Rectlen.to 10 días Recuento 20 días d_espués de Ia _ _ después de la quimioteraPia quimioterapia Z,6

4,9

3,85

4,Z

133

151

En el momento de la evaluación 10 días después de la quimi.otaapia,

Juana (la enfermera) observó que Raquel estaba pálida y cansada pero no presentaba hematomas en la piel. Juana le indica a Raquel que

consuma alimentos ricos en proteínas y un comprimido multivitamf. nico con hierro, y que permanezca en su casa tan lejos de las multi· tudes como sea posible. ¿Cómo se relacionan las observaciones de Juana y sus recomendaciones con los resultados en las pruebas de san· gre durante el décimo y el Vigésimo día? 17, La hemocromatosis es una enfermedad hereditaria que consiSte en la absorción excesiwt de hierro y determina un aumento de la carga total de hierro en el cuerpo. a) ¿Qué proteína plasmática esperaría que aumente en esta enfermedad? b) ¿Qué ó.rgano u órganos esperaría que se lesionen en esta enferme· dad? e) ¿Podria imaginar un tratamiento simple que pueda reducir la sobrecarga corporal de hierro en la hemocromatosis? 18. La erttropoyetlna (EPO) se aisló por primera vez de la o!Jna de pacten· tes anémicos que revelaban concentraCiones circulantes elevadas de esta hormona. Aunque estos paCientes presentaban concentraciones elevadas de EPO, eran Incapaces de producir concentraciones adecuadas de hemoglobina o glóbulos rojos. Enumere algunas razOnes posibles por las cuales la EPO de estos paCientes era incapaz de corregir su anemia.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALirtCOS 19. Si ~mos que el volumen sanguíneo total se aproXima al 7% del peso corporal, calcule el volumen sanguíneo total en un hombre de 90 kg y de una mujer de 58,5 kg {10 kglkg de peso corporal). ¿Cuáles son sus volúmenes plasmáticos si el hematocrito del hombre es de 52% y el de la mujer es de 41%? 20. El volumen sanguíneo total de una persona promedio corresponde al 7% del peso corporal total. Con esta cifra y el hecho de que 1 kg de sangre ocupa un volumen aproximado de !litro, caloúe el volumen erltrodtarlo total de una mujer de 50 kg con un hematocrito del40%.

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PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. La porción liquida de la sangre, denominada . . J está compuesta so-

bre todo por _. 2. Mencione--las tres familias de proteínas plasmáticas. Describa por lo menos una función de cada tipo•. ¿Qué tipo es más prevalente en el organismo? 3. Enumere los elementos celulares que se encuentran en la sangre y mencione por lo menos una fundón de cada uno. 4. La producción de células de la sangte se denomina _. ¿Cuándo y dónde se desarrolla? S. ¿Qué función annplen los factores estimulantes de colonias, las citoctnas y las interleudnas en la producción de células de la sangre? ¿Cuáles son las diferencias entre estas moléculas de señal? Mmdone dos ejemplos de cada una. 6. Enumere los témlnos técnfcos pata la producción de glóbulos rojos, plaquetas y glóbulos blancos. 7. La hormona que dirige la síntesis de glóbulos rojos se denomina_. ¿Dónde se produce y cuál es el estímulo para su producd.ón? 8. ¿Cómo se relacionan los términos hematcaito y amcentrcuW tk eritrocitos? ¿CUáles son los valores normales del hematocrito en los hombres y las mujeres? 9. Mencione las diferenCias entre el erltroblasto y el eritrocito. Descn"ha tres caracterí.stlcas distintivas de los eritrocitos. 10. ¿Qué elemmto químico de la dieta es Importante p3Ia la síntesis de hemoglobina?

11 Defina los siguientes términos y explique su significado en hemato-

logía. a) Ictericia b) anemia e} transferrina d) hemofilia 12. Los compuestos químicos que Inhiben la coagulación de la sangre se denominan_.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 13. Mapas conceptuales: combine cada lista de términos en un mapa. Se pueden agregar otros términos. Lista 1 lntegrinas ADP membrana colágeno factor activador plaquetarlo fosfolípidos retroalimentaCión positiva activación plaquetarta serotonlna adhesión plaquetarta tromboxano Az agregaCión plaquetar!a vasoconstricdón tapón plaquetario Ll>taZ

coágulo coagulaCión fibrtn>

flbrlnógeno fibrinólisls

infurto

plasmina plasminógeno pollmoro trombina

RESPUESTAS

t./Respuestas a las preguntas de revisión Página538 1. Los cinco tipos de leucoCitos son linfocitos, monocttos/macr9fagos, basófilos/mastocltos, neutrófilos y eos!nófilos. 2. Los eritroCitos y las plaquetas no tienen núcleo; en consecuenda, son Incapaces de llevar a cabo la síntesis de proteínas. 3. la degeneraCión del hígado reduce la concentración total de proteí-

nas plasmáticas, lo que a su vez disminuye la presión osril.ótlca de los capilares. Este descenso de la presión osmótica Incrementa la filtra. ción capilar neta y ocasiona edema. Página542 4. a) erltropoyetlna, b) factores estimulantes de colonias e interleucinas, e) trombopoyetina.

557

Página546 S. a) El hemo es una subunidad de una molécula de hemoglobina que contiene hierro. b) la ferritlna es una proteína hepática que almacena hierro. La nansferrina es la proteína plasmática que transporta hierro a través de la

""'""

6. La bilis es. una secreción exocrina porque se secreta en el intestino. Página547 7. Disminución del oxígmo atmosférico -7 disminución del oxígeno ar· terlal -7 las células renales lo registran -7 secretan etitropoyetina -7 actúa sobre la médula ósea -t aumenta la producción de glóbulos rojo• Página 551 8. la via intrínseca comienza en la casilla dorada #Exposición del colágenon, la via extrlnseca comienza en la casilla dorada "ExposiCión del factor tisular" y la vía común comienza en la casilla en forma de dia· mante de color rojo "Cascada de la coagulaCión".

E! aparato respiratorio

DiagriÓstico: ÉPOC (abOtagado a~ul):~ se·Jee en la historia díni'ca' , de Edna Wilson. EPOC :-enfermedad pulmonar obstructiva crónicaes el nombre que se les asigna a las enfermedades en las cua!és e! ·intercambio de aire está alterado como consecuerida del estredlalriiento de _!as vías aéreas, la -mayori~- de Ías PersO~as COn:EPoé tie:- . ne enfisema o bronquitis crónica, Otina::coinbiríación de ambos. A los individuos en los (¡ue Piedomfna [a bronquitis Cróni_ca Se los apo-· da u abotagados azules, n (blue bloBtei-s en inglés) debido' á! tinte azulado de su piel y _a una ieildend
• -

Mecánica de la respiración E! aparato respiratorio 560 560 561 561 564

Los huesos y los músculos del tórax rodean a !os pulmones Los sacos pleurales contienen a !os pulmones las vías aéreas conectan los pulmones con el ambiente externo los alvéolos conStituyen el sitio de intercambio de gases La circulación pulmonar es un sistema de baja presión y alto flujo

Las leyes de los gases 565 566 566

El aire es una mezcla de gases Los gases se desplazan desde áreas de mayor presión hada áreas de menor presión La ley de Boyle describe la relación presión-volumen de los gases

La ventilación 567 568 569 570 572 572 · 574 575 576 577 578 580 581

Los volúmenes pulmonares se modifican durante la ventilación las vías aéreas calientan, humidifican y filtran el aire inspirado Durante la ventilación, el aire fluye a causa de los gradientes de presión la inspiración se produce cuando disminuye la presión alveolar la espiración se produce cuando la presión alveolar excede la presión atmosférica la presión intrapleural se modifica durante la ventilación la distensibilidad y la e!astancia pulmonares pueden cambiar en los estados patológicos la sustancia tensioactiva o surfactante disminuye el trabajo respiratorio El diámetro de las vías aéreas es e! principal determinante de su resistencia La frecuencia y la profundidad de la respiración determinan su eficiencia la composición de gases en los alvéolos varía poco durante la respiración normal La ventilación y el flujo sanguíneo alveolar guardan correspondencia la auscultación y !a espirometrla evalúan la función pulmonar

INFORMACIÓN BÁSICA Epitelios dliados y- de intefcambio: 72; Presión, volumen, flujo y resistencia: 462; Circulación pulmonar: 460; Puentés- de hidrógeno y tensión superfida~ 25; Neuronas motoras somáticas y autónomas:-246; Velocidad de flujo: 464

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'~ ,,74' Ai ;s¡,'

Imagine que se cubriera la superfide de juego de una cancha de racquetball (alrededor de 75 mZ) con una delgada envoltura plástica, luego plegara la cubierta y se la colocara dentro de una botella de refresco de 3 litros. ¿Le resulta imposible? Puede ser si se utilizan una cubierta plástica y una botella de refresco. Pero los pulmones de un hombre de 70 kg tienen una superficte de intercambio de gases del tamaño de la cubierta plástica descrita, comprimida en un volumen menor que el de esa bote!!a. Esta enonne superficie para intercambio de gases es necesaria para proporcionar cantidades adecuadas de oxígeno a los billones de células del organismo. E! metabolismo aerobio de las células depende de un suministro continuo de oxígeno y nutrientes desde el entorno, junto con la eliminación del dióxido de carbono. En los animales acuáticos muy pequeños, la difusión simple a través de la superficte corporal reúne dichos requerimientos. Sin embargo, la distancia limita la velocidad de difusión, de manera tal que los animales mu\ticelulares requieren órganos respiratorios especializados asociados con un aparato circulatorio. Los órganos respiratorios adoptan una variedad de formas, pero todos tienen una gran superfide comprimida en un espado pequeño. Además de la necesidad de una superficie de intercambio grande, los seres humanos y otros animales terrestres enfrentan un desafio fisiológico adicional: la deshidratación. La superficie de intercambio debe ser delgada y húmeda para permitir que los gases pasen desde el aire a la soluctón, y al mismo tiempo debe estar protegida de la desecación como resultado de la exposición al aire. Algunos animales terrestres, como la babosa {lUl caracol carente de concha), enfrentan e! problema de la deshidratación con adaptaciones de! comportamiento que los limitan a ambientes húmedos y actividades nocturnas. Una solución más común es anatómica: un epitelio respiratorio

559

intemalizado. Los pulmones humanos están encerrados en la cavidad torácica para controlar su contacto con el aire exterior. La intemalizadón crea un ambiente húmedo para el intercambio de gases con la sangre y protege del dai'io a la delicada superficie de intercambio. Pero los pulmones intemalizados generan otro problema: cómo movilizar el aire entre la atmósfera y la superficie de intercambio ubicada profundamente dentro del organismo. El flu¡o de aire requiere una bomba muscular que genere gradientes de presión. Así, en los organismos más complejos, el aparato resplratorto consiste en dos componentes separados: una bomba impulsada por músculos y una superficie de intercambio delgada y húmeda. En los se.res humanos, la bomba es la estructura músculoesquelética del tórax ( (,~ p. 51). En sí mismos, los pulmones están compuestos por el epitelio de intercambio y los vasos sanguíneos asedados. Las cuatro funciones principales del aparato respiratorio son: l. Intercambio de gases entre la atmósfera y la sangre. El

organismo ingresa 0 2 para su distribtictón hacia los tejidos y elimina co2 de desecho producido por el metabolismo. 2. Regulación homeostática del pH corporal. Los pulmones pueden alterar el pH corporal reteniendo o eliminando selectivamente co2. 3. Protección frente a patógenos inhalados y a sustancias irritantes. Al igual que todos los demás epitelios que contactan con el medio externo, el epitelio respiratorio está bien provisto de mecanismos que retienen y destruyen sustandas potencialmente nocivas antes de que puedan ingresar al organismo. 4. Vocalización. El aire que se mueve a través de las cuerdas vocales crea vibraciones que se usan para el habla, el canto y otras formas de comunicación. Además de cumplir con estas funciones, el aparato respiratorio es también una fuente importante de pérdida de agua y calor del organismo. Estas pérdidas deben ser equilibradas mediante compensactones homeostáticas. En este capítulo, usted aprenderá cómo el aparato respiratorio lleva a cabo dichas funciones intercambiando aire entre el medíoambiente y los esractos interiores de los pulmones. Este intercambio es el flujo global de aire, y sigue muchos de los mismos principios que gobieman el flujo global de sangre a través del aparato cardiovascular: l. El flujO se produce desde regiones de mayor presión hacia

regiones de menor presión. 2. Una bomba muscular genera gradientes de presión. 3. La resistencia al flujo de aire está afectada principalmente por el diámetro de los tubos a través de los cuales fluye. La principal diferencia entre el flujo de aire en el aparato respiratorio y el flujo de sangre en el aparato circulatorio es que el aire es una mezcla compresible de gases, mientras que la sangre es un líquido no compresible.

El APARATO RESPIRATORIO El término respiración tiene varios significados en fisiología (Fig. 17-ll!ll). La respiración celular es la interacción intracelular

1

El aparato respiratorio

capítulo 17 Mecánica de la respiración

560

entre la atmóSfera y e! pulmón

2. Los alvéolos (alveus, recipiente cóncavo), una serie de sacos interconectados que forman en conjunto la superficie de intercambio, donde el oxígeno se desplaza desde el aire inhalado hada la sangre y el dióxido de carbono lo hace desde la sangre hada el aire que va a ser exhalado. 3. Los huesos y los músculos del tórax (cavidad torácica) y del abdomen que colaboran en la ventilación. FJ aparato respiratorio puede dividirse en dos partes. La vía aérea superior está compuesta por la boca, la cavidad nasal, la fa. tinge y la laringe. La vía aérea inferior está compuesta por la tráquea, dos bronquios pñndpales, sus ramificaciones, y los pulmones. La vía inferior se conoce también como la porci6n torádca del aparato respiratorio porque está dentro del tórax.

Transporte

de gases·

en la sangre

!ntercam,blo 111: entre la sangre y las células

lil FIGURA 17-1 Resumen de la respiraáón externa y celular

1

del oxígeno con moléculas orgánicas para producir dióxido de carbono, agua y energía bajo la forma de ATP ( ilp. 107). La respiración externa, tema de este capítulo y del próximo, es el movimiento de gases entre el ambiente y las células del organismo. La respiración externa puede subdividirse en cuatro procesos integrados, que se ilustran en la figura 17-1: l. Interwmbio de aire entre la atm6sfera y los pulmones. Este pro-

ceso se conoce como ventilacióri, o respiración. La inspiración (inhalación) es el movimiento de aire hada el interior de los pulmones. La.espiradón (exhalación) es el movimiento de aire hacia el exterior de los pulmones. Los mecanismos por los cuales se produce la ventilación se denominan en conjunto mecánica de la respiradón. 2. Intercambio de 0 2y CO 2 entre los pulmones y la sangre. 3.

Transporte de 02 y coi por la sangre.

4. Intercambio de gases entre la sangre y las células. La respiración externa requiere el funcionamiento coordinado de los aparatos respiratorio y cardiovasculat El aparato respiratorio está. compuesto por las estructuras involucradas en la ventilación y el4J.tercambio de gases (Fig. 17-i lill): l. La vía aérea, que conduce el aire desde el medio externo

hasta la superficie de intercambio en los pulmones.

Los huesos y los músculos del tórax rodean a los pulmones FJ tórax está delimitado por los huesos de _la columna vertebral y de las costillas, y los músculos asociados a ellas. F.n conjunto, los huesos y músculos se denominan caia torácica. Las costillas y la columna vertebral (la pared torádC4) forman los laterales y la parte superior de la caja. Una lámina de músculo esquelético con forma de cúpula, el diafragma, constituye el piso (Fig. 1S.2a). Dos grupos de músculos intercostales, internos y externos, conectan toS 12 pares de costillas (Fig. 17-Zb). Otros músculos, los esternocleidomastoideos y los escalenos,-se disponen desde la cabeza y la nuca hada el esternón y las primeras dos costillas. Funcionalmente, el tórax es un receptáculo sellado con tres bolsas o sacos membranosos. Uno de ellos, el saco pericárdico, coritiene al corazón. Los otros dos, los sacos pleurales, contienen a los pulmones (pleura, costado). El esófago y los vasos sanguíneos y nervios del tórax pasan entre los sacos pleurales (Fig. 17-Zd).

Los sacos pleurales contienen a Jos pulmones Los pulmones (Fig. 17-2a, e) están formados por tejido esponjoso liviano cuyo volumen está ocupado en su mayor parte por espacios llenos de aire. Estos órganos con forma de cono úregular ·llenan casi totalmente la cavidad torácica, y sus bases descansan sobre el diafragma curvo. La vía aérea rígida -los bronquios- conecta a los pulmones con la vía aérea principal, la tráquea. Cada pulmón está rodeado por un saco pleural doble cuyas membranas revisten el lado interno del tórax y protegen la superficie externa de los pulmones (Fig. 17-38). Cada membrana pleu· ral, o pleura, contiene varias capas de tejido conectivo elástico y numerosos capilares. Las capas de membrana pleural que se disponen frente a frente están unidas por una delgada peücula de Ü· quido pleural, cuyo volumen total es de sólo unos pocos mililitros. El resultado es similar a un globo lleno de aire_ (el pulmón) rodeado por un globo lleno de agua (el saco pleural). La mayoña de las ilustraciones representan de manera exagerada el volumen de líquido pleural, pero usted podrá comprender su delgadez si imagina que extiende 3 roL de agua en forma pareja sobre la su· perficie de una botella de rclresco de 3 litros. El liquido pleural cumple varios propósitos. F.n primer lugar, crea una superficie húmeda y resbaladiza, de manera tal que las membranas que-se encuentran frente a frente puedan deslizarse

una sobre otta cuando los pulmones se mu~ dentro del tórax. En segundo lugar, hace qUe los pulmones se peguen a. la pared torád.ca. Para visualizar esto, imagínese dos hojas de vidrio que se mantienen unidas gradas a una delgada película de agua. ·Las hojas de vidrio pueden deslizarse, pero no se las puede separar gradas a la rohesividad del agua (~p. 25). Una unión líquida similar entre las membranas pleurales hace que los pulniones "se peguen" a la caja torácica y los mantiene parcialmente inflados, aun en reposo:

Las vías aéreas conectan Jos pulmonescon el ambiente externo FJ aire ingresa a la vía aérea superior a través de la boca y de la nariz, y se dirige hada la faringe, un corredor común para los alimentos, los líquidos y el aire (pharynx, garganta). Desde la fa. tinge, el aire fluye a través de la laringe hada la txáquea (Fig. 17Za). La laringe contiene las-cuerdas vocales, bandas de tejido conectivo que se tensan para generar sonido cuando el aire se mueve entre ellas. La tráquea es un tubo semiflexible que se mantiene permeable gradas a 15 o 20 anillos cartilaginosos en forma de e (Fig. 17-Ze). Se extiende hada abajo en el tórax, donde se ramifica (división 1) en dos bronquios principales, un bronquio para cada pulinón. Dentro de los pulmones, los bronquios se ramifican repetidamente (divisiones 2-11) en bronquios progresivamente más pequeños (Fig. 17-Za, e). Al igual que la tráquea, los bronquios son tubos seminígidos permeables gradas a cart:Hagos. En los pulmones, los bronquios más pequeños se ramifican para convertirse en bronquiolos, pequeñas vías colapsables con . paredes de músculo liso. Los bronquíolos siguen ramificándose (divisiones 12-23) hasta que los bronqufolos respiratorios se convierten en una transición entre las vías aéreas y el epitelio de intercambio del pulmón. El diámetro de las vías aéreas se vuelve progresivamente menor desde la tráquea hasta los bronquíolos, pero a medida cwe las vías aéreas Individuales se toman más estrechas, su cantidad aumenta (Fig. 17-4m}. Como resultado, el área transversal total se incrementa con cada división de las vías aéreas. El área transver- · sal total es míri.ima en la vía aérea superior y máxima en los bronqtúolos, de manera análoga al incremento del área transversal . que se observa desde la aorta ham,los capilares en el aparato dr· culatorio (!l.! p. 517).

REVISIÓN 1. ¿Cuál es la diferencia entre la respiración celu!ár y la respiración ~ema? 2. Enumere los componentes de !a vfa aérea superior y los de la vía aérea inferior, 3. De acuerdo-con el área transversal total de las distintas vlas aéreas, ¿dónde es máxima y dónde mfnima fa velocidad del flujo de aire? 4. Indique dos funciones del líquido pleural. S. Indique ios nombres de los componentes de ia caja torácica Onduya los músculos}. Enumere el contenido del tórax. 6. ¿Qué corredores de aire del aparato respiratorio son colapsa bies? Respuestas en la p. 585

561

Lºs alvéolos constituyen el sitio de intercambio de gases Los alvéolos, agrupados en los extremos de los bronquíolos terminales, constituyen la mayor parte del tejido pulmonar (Fig. 17·2f. g). Su función principal es el intercambio de gases entre ellos mismos y la sangre. Cada diminuto alvéolo está compuesto por una única capa de epitelio {Fig. 17-2g). En los alvéolos se encuentran dos tipos de células epiteliales, presentes en cantidades aproximadamente igua. les. Las células alveolares tipo n, más pequeñas pero más gruesas, sintetizan y secretan una sustancia química conocida como sustancia tensioactiva (surfactante), La sustancia tensioactiva se mezcla con la delgada capa de líquido que recubré a los alvéolos para ayudar a los pulmones a expandirse durante la respira· dón. como se verá más adelante en este capítulo. Lascél~ tipo n contribuyen también a minimizar la cantidad de líquido pre· sente en los alvéolos al transportar solutos, seguidos de agua, fuera del espacio aéreo alveolar. La células alveolares tipo 1, más grandes, son muy delgadas, de manera tal que los gases pueden difundir rápidamente a través de ellas (Fig. 17-2h). En gran parte de la superficie de intercambio, una capa de membrana basal fusiona al epitelio alveolar con el epitello capilar, y sólo se observa una pequeña cantidad de lí· quido intersticial. Las delgadas paredes de los alvéolos no contienen músculo, puesto que las fibras musculares bloquearfan el rápido intercambio de gases. Como resultado, el tejido pulmonar propiamente dicho no puede contraerse. Sin embargo, el tejido conectivo entre las células epiteliales alveolares contiene numerosas fibras de elastina que provocan una retracción elástica cuando el tejido pulmonar se estira. La estrecha asociación de los alvéolos con la extensa red de capilares confirma la íntima vinculación entre los aparatos respiratorio y cardiovascular. Los vasos sanguíneos cubren 80-90% de la superfide alveolar, lo que forma una lámina casi continua de sangre en estrecho contacto con los alvéolos llenos de aire. La·proximidad de la sangre capilar con el aire alveolar es esencial para el rápido intercambio de gases.

1

562

El aparato respiratorio

Capítulo 17 Mecánica de la respiración

-,--

563

-----··

~~~~~~------~~.

-~-

f

UJAYÓIVliCO

!

LOS PULMONES Y LA CAVIDAD TORÁCICA

1.. !

¡

LOS BRONQUIOS Y LOS ALVÉOLOS

{e) Ramificación de las vfas aéreas

1

t

{f} Estructura del lóbulo pulmonar

Cada grupo da alvéolos está rodeado por ñbras elásticas y una red de capilares.

(b) Músculos empleados para la ventilación

-:--Ramadelaarteria pulmonar

1

Vl•

''"'

"" '""'

linfático

Inferior

internos

abdominales

Músculos lnspiratotl~s

1

-~

MúsCUlOs espiratorios

1 .

(d} Corte transversal del tórax Cada pulmón está encerrado por dos membranas pleurales. 8 esófago y ~ aorta pasan por el t6mx entra bs dos sacos pleurales.

[e) Anatomfa externa de los pulmones

Ei pulmón derecho está .-. dividlckJ en tres lóbulos,. ·

(g) Estructura alveolar

'

"

8 ¡iulmón izqu!erdo está dMdldo en dos lóbulos.

La flecha azul rep~eSenta el Intercambio de gases entre el espacio aéreo alveolar y el plasma.

Vis~ superior

~'==---='""""==~~~~~~-~~-"-·

==•~•o•,·

01 FIGURA 17-2

0 FIGURA 17-2 (continuadón)

564

Capítulo 17 Mecánica de !a respiración.

Las leyes de los gases

El saco pleura! fonna una membrana doble que rodea al pulmón, semejante . a un balón l!eno de lfqufdo que rodea a un bal~.l!eno deai~

565

ffil FIGURA 17-3 Reladón entre el Saco pleural y el pulmón

t. La presión total de una: mezcla de gases es la suma de las presiones de los gases individuales (ley de Dalton).

·ª*

2. Los gases,. solos o en una mezcla, se desplazan desde áreas de ma-

yor presión hada áreas de menor presión. 3. Si se modifica el volumen de un redplente que contiene gas, la presión del gas cambiará de manera inversa {ley de Boyle}.

S líquido pleural tiene· un volumen mucho

menor que el sugerido por esta ilustración.

La circuladón pulmonar es un sistema de baja presión y alto flujo La circulación pulmonar empieza por el tronco de la arteria pulmonar, que recibe la sangre con baja concentración de oxígeno proveniente del ventriculo derecho. El tronco pulmonar se divide en dos arterias pulmonares, una para cada pulmón ( ~ Frg. 14-1). La sangre oxigenada pwvenient~ de los pulmones regresa a la atlrlcula izquierda a través de las venas pulmonares. Siempre hay al menqs 0,5 litros de sangre en Ja tirculación pulmonar, o sea un 10% del volumen sanguíneo total. Alrededor de 75 mL se enCuentran en los capilares, donde Ocurre el intercambio de gases, y el resto en las arterias y venas pulmonares. La velocidad de flujo sanguíneo a través de loS pulmones es mucho mayor que en otros tejidos (¡;p. 515), porque los pulmones reciben todo el volumen minuto del ventriculo derecho: S L/min. ¡Esto significa que en un minuto fluye tanta sangre por los pulmones ~omo lo hace a través del resto del organismo en el mismo período de tiempo!

Al nivel del mar, la presión atmosférica normal es de 760 mm Hg. Sin embargo, en este libro se seguirá la convención de designar a la preslón atmosférica como Onim Hg. Puesto que la presión atmosférica varia con la altitud y dado que muy pocas personas viven exactamente al nivel del mar, esta convención nos pennite comparar las diferencias de presión que existen durante la ventilación sin necesidad de corregirlas de acuerdo con la altitud. Los números negativos designan presiones subatmosféricas, y los números positivos denotan presiones mayores que la atmosférica. El cuadro 17-1 mresume las regÍas que rigen el comportamiento de los gases en el aire. Estas reglas proporcionan la base par.1 el intercambio de aire entre el ambiente externo y los alvéolos. Las leyes de los gases que gobiernan la solubilidad de los gases en soludón serán estudiadas en el capítulo 18.

Aunque la velocidad del flUjo pulmonar es alta su presión sanguinea es baja. La presión arterial pulmonar es en pwmedio 25/8 mm Hg, mucho menor que la presión arterial sistémica promedio de 120/80 mm Hg. El ventrículo derecho no debe bombear con tanta fuerza para que la sangre fluya a través de los pulmones porque la resistencia de la circulación pulmonar es baja. Fsta baja resistencia puede atribuirse a la menor longitud total de los vasos sanguíneos pulmonares y a la distensibilidad y gran área transversal de las iuteriolas pulmonares. Normalmente, la presión hj.drostática neta que filtra ellíqui- do desde un capilar pulmonar hada el espado intersticial es baja porque hay una menor presión arterial media (&:!p. 518). El sistema linfático elimina eficientemente el líquido filtrado, y el volumen de liquido intersticial pulinonar generalmente es mínimo. Como resultado, la distancia entre el espado aéteo alveolar y el endotelio capilar es pequeñ.a, y los gases difunden rápidamente entre ellos.

El aire es una mezda de gases

ISIÓN El flujo sangufneo a través del tronco pulmonar. ¿es

mayor, menor o igual al flujo san guineo a través de la -. aorta? 8.

Un individuo presenta una insuficiencia del ventriculo izquierdo y una función normal del ventrfcu!o dere-· cho. Como resultado, la sangre se acumula en la circulación pulmonar, duplicando la presión hidrostática de los capilares pulmonares. ¿Qué le sucede al flujo de Uquid o neto a través de las paredes de los capilares pulmonares?

9. Calcule la presión media de un individuo cuya presión arterial pulmonar es 25/8 mm Hg. ( §'! p. 506) Respuestas en la p, 585

LAS lEYES DE LOS GASES El flujo de aire respiratoño es, en muchos aspectos, muy similar al flujo sanguíneo en el aparato ~diovascular, aunque la sangre es un líquido no compresible y el aire una mezcla compresible de gases. Tailto la presión arterial como la presión del aire ambiental (presión atmosférica) se indican en milímetros de mercurio (mm Hg):

11!1

FIGURA 17-4 Ramificación de-las v/as
Los !ls!ólogos de la respiración se ruleren a veces a las presiones de ga.o; en unida· des d,e «'lltimetros de agua: t, mm Hg = 1,36 an HzO.

La atmósfera que rodea la Tieua es una mezcla de gases y vapor de agua. La ley de Dalton establece que la presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones ejercidas por los gases individuales. Asi, en el aire seco a una.presión atmosférica de 760 mm Hg, 78% de la presión total se debe al Nz, 21% al 0 2 y así sucesivamente (Oladro 17-2m). En la fisiología respiratoria nos interesan tanto la presión atmosférica total como las presiones individuales de oxígeno y dióxido de carbono. La presión de un único gas en una mezcla se conoce como su presión pardal (Pp.)· Para determinar la presión parcial de 01alquier gas en una mezcla de aire, multiplíquese la presión atmosférica (Patm) por la contn1ntd6n relativa del gas(%) ala Patm:

Presión pardal de un gas atmosférico=patm x %de gas en la atmósfera Presión parcial de oxígeno= 760 nÍm Hg x 21% Po2 = 760 x 0,21 = 160 mm Hg

Así, la presión pardal de oxígeno (Po~ en el aire seco al nivel del mar es de 160 mm Hg. La presión ejercida por un gas individual está determinada sólo por su abundancia relativa en la mezcla, y es independiente del tamafio molecular o de la masa del gas. Las presiones pardales de los gases en el aire varían levemente en función de cuánto vapOr de agua exista en el aire, porque la presión del vapor de agua "diluye" la contribución de los otros gases a la presión total. Para calcular la presión parcial de un gas

1

566

GAS Y SU PORCENTAJE.EN El AIRE

PGI1S EN AIRE SECO A 25 "C

567

la ventilación

Capítulo 17. Mecánica de la respiración

DE HUMEDAD

p61\S EN AIRE A 37 oc_ 100% DE HUMEDAD

PGAS EN AIRE A 25 "C, 100%

Inspiración Nitrógeno (N 2) 78% ·

593 mm Hg

574mmHg

556 mm Hg

OxigenO {01) 21.%

160 min Hg

155mm Hg

150mmHg

Dióxido de carbono (COJ 0,033%

0,25mmHg

0,24mmHg

0,235mmHg

Vapor d~ agua

OmmHg

24mm Hg

47mm Hg

Espiración Inspiración

Espiración 0,5 VoiUIJlel'l (l)

--Tiempo~

en el aire húmedo, debe sustraerse en primer lugar la presión de vapor de agua de la presión total. El cuadro 17-2 compara las presiones pardales de algunos gases en aire seco y con 100% de humedad. R 'Z;J

1S 1ó N Si el nitrógeno constituye el78% del aire atmosférico, ¿cuál es !a presión parcial de nitrógeno (PNJ en una muestra de aire seco ron una presión atmosférica de-

720mm Hg?

Por ejemplo, consi~érese un recipiente de 1 litro (V1) de un gas cuya presión es de 100 mm Hg (P1), como se muestra en la fi. gura 17-5 1!!1. ¿Qué le sucede a la presión del gas cuando la tapa del recipiente desdende disminuyendo el volumen a 0,5 L? De acuerdo con nuestra ecuación, · PlVl =PzVz 100mmHgx 1 L= P2 x0,5 L P2 =200mmHg

Respuesta en la p. 586

Los gases se (lesplazan desde áreas de mayor presión hada áreas de menor presión

Este cálculo nos dice que, si el volumen se reduce a la mitad, la presión se duplica. Si el volunien se duplicara, la presión se vetia reducida a la mitad. Esta reladón entre la presión y el volumen fue identificada por primera vez por Robert Boyle en el Siglo xvn, y ha sido llamada ley de Boyle de los gases. En el aparato respiratorio, los cambios en el volumen de la ca· vidad torácica durante la ventilación producen gradientes de presión que generan flujo de aire. Cuando aumenta el volumen del tórax, la presión alveolar cae y el aire fluye hacia el interior del aparato respiratorio. Cuando disminuye el volumen del tórax, aumenta la presión alveolar y el aire fluye hacia afuera,-hada la at· mósfera. Este movimiento de aire es flujo global porq~e toda la

Cada vez que haya un gradiente de presión habrá flujo de aire. El flujo de aire, al igual que el flujo sanguíneo, se dirige desde áreas de mayor presión hada áreas de menor preslón. Los meteorólogos predicen el clima Conociendo que áreas de mayor presión atmosférica se desplazan para reemplazar a ~eas de baja presión. En la ventilación, el flujo global de aire a favor de gradientes de presión explica cómo se intercambia el aire entre el ambiente extemo y los pulmones. El movimiento del tórax durante la respi· radón genera condiciones alternantes de presión alta y baja en los pulmones. El movimiento a favor de gradientes de presión también se · Ley de Boyle: P1V1 =P2V2 aplica a los gases individuales. Por ejeffiplo, el oxígeno se desplaza desde áreas de mayor presión patd¡ü de oxígeno hada áreas de la dismínución deJ volumen aumenta las colisiones e incrementa la prestón. menor presión pardal de oxígeno. La difusión de los gases indivi· duales resulta importante en íos intercambio~ de gas alvéolo-san· grey sangre-célula que se estudi~ en el capítulo 18.

La ley de Soy/e describe la relación

presión-volumen deJos gases La presión ejercida por un gas o mezcla de gases en un red· piente cenado se genexa por las colisiones de las moléculas de gas en movimiento contra las paredes del recipiente y entre sí. Si se r:educe el tamaño del recipiente, las colisiones entre las moléculas de gas y las paredes se vuelven más frecu,entes, y la presión aumenta. Esta reladón puede expresarse por la ecuadón: PlVI =PzVz

donde P representa la presión YV el volumen.

-· .

•"'\ • •

v1 ,1,oL P1 =100mmHg mi FIGURA 17-5 ley de Boyle

"" V2 =0,5L P2=200mm Hg

la ley de Boyle (P1V1 = P2VJ da por sentado que la temperatura y el número de moléculas de gas permanecen constantes.

Guando el sujeto inhala, el aire se desplaza hacia el interior de Jos pulmones. 8 volumen del cilindro disminuye, y el bo!fgrafo marca el trazado.

1m FIGURA 17-6 Espirómetro El sujeto se coloca una boquiUa que está unida a un cilindro cerrado lleno de aire u oxígeno. El volumen del cilindro y el volumen de la vra aérea del individuo crean un sistema cerrado porque el cilindro está suspendido en agua.

mezcla de gases está en movimiento, más que simplemente uno o dos de los tipos de gases contenidos en el aire.

LA VENTILACIÓN El primer intercambio en la fisiología respiratoria es la venti· · ladón, o sea el intercambio de flujo global de aire entre fa atmósfera y los alvéolos (Fig. 17-1).

Los volúmenes pulmonares se modifican durante la ventilación Los fisiólogos y los médicos estudian la función pulmonár de un individuo midiendo la cantidad de aire que la persona moviliza durante la respiración en reposo y con esfuerzo máximo. Es- · tas pruebas de la función pulmonar utilizan un espirón:ietro,

un instrumento que mide el volumen de aire que se desplaza con. cada respiración (Fíg. 17-6m). (La mayoría de los espirómet:é.os en el uso clínico actual son pequeñas máquinas computarizadas más que el espirómetro tradicional que aqui se ilustra.) Cuando el individuo se conecta al espirómetro tradldonal a través de una boquilla y se mantiene tapada su nariz, la vía aérea del individuo y el espirómetro forman un sistema cenado. CUan· do el sujeto inspira, el aire se mueve desde el espirómetro bada el interior de los pulmones, y el boügrafo registrador, que traza un gráfico sobre un cilindro rotatorio, asciende. Cuando el sujeto exhala, el aire se desplaza desde los pulmonés nuevamente hada el espirómetro, y el bolígrafo desciende. Volúmenes pulmOnares El aire que se moviliza duránte la respi· radón puede dividirse en cuatro volúmenes pulmonares: 1) volumen corriente, 2) volumen de reserva inspiratorio, 3) volumen de reserva espiratorio y 4) volumen residual. Los valores numéricos indicados en la figura 17-7m representan volúmenes prom~o para un hombre de 70 kg. Los volúmenes.para las muje-

res son generalmente 20-25% menores. Los volúmenes pulmo· nares varían considerablemente con la edad, el sexo y la altura. Cada uno de los párrafos siguientes comienza con las instrucciones que usted recibiría si se sometiera a una evaluación de dichos volúmenes. · "Respire tranquilamente." El volumen de aire que se desplaza durante una inspiración o espiración común se conoce como volumen corriente (VJ. El volumen corriente ptomedio durantt! la respiración _tranquila es de alrededor de 500 mL. "Ahora, luego de una inspiración tranquila, inspire todo el aire adidonal que pueda." El volumen adidonal que se inspira por sobre el volumen corriente es el volumen de :reServa inspiratorio (VRl). En un hombre de 70 kg, este volumen es de ab:ededot de 3 000 mL, un incremento de seis veces por sobre el volumen corriente normal. "Ahota deténgase al final de una exhalación normal y exhale todo el aire que pueda." La cantidad de aire que se exhala forza·
1

568

Capítulo 17 Mecánica de !a respiradón

la ventilación

los cilios desplazan el moco hacia fa fari.nga

Trazado de un espirómetro que muestra !os volúmenes y las capacidades pu!mónares 5800

"'

Los ctiatro vol¡jmenes pulmonares

VR = vo!utnen residual Vf!E volumen de reserva espiratorio

=

é'* .

569

Partlcu!a de polvo

""·

La capa da moco atrapa a las particulas inhaladas.

,..,

Ve- · =volumen coniente VR! =volumen de reserva inspiratorío

2300

Vo!íimenes pUlmonareS Hombres _ Muieres _. _ .

1200

VR! a ooo , 19001. .e~. ~ Ve 500. sooJ lllspirotarta { \'ita! VRE 1100 . 7001 =dad Volumen fflS!dr;3J 11Q{I -. 1.1QQJ funclooal

5800ml 4200ml

B FIGURA 17~7 Volúmenes y capaddades pulmonares

que inspire la mayor cantidad de aire posible y luego que lo espire en su totalidad. La capacidad vital disminuye con la edad. La capacidad vital más el volumen residual constituyen la ca. pacidad pulmonar total. Otras capacidades de importancia en la medicina pulmonar son la capacidad inspiratorla (volumen cotriente +volumen de reserva: inspiratorlo)-y la capacidad resi· dual fuficional (volumen de reserva espiratorio + volumen residual).

éKRt'VISIÓN

!,~0!? 11.¿Cómo se relacionan los volúmenes pulmonares con {~> las capacidades pulmonares?

12. ¿Oué volumen pulmonar no puede medirse directa· mente? · · 13. Si la capacidad vital disminuye con !a edad pero la ca· paddad pulmonar total no se modifica, ¿qué volumen pulmonar debe estar cambiando? ¿En qué dirección? Respuestas en la p. 586

Las vías aéreas calíentan, húmídífícan y fi1tran el aire inspirado Dutante la respiración, las vías aéreas superiores y los bronquios hacen más que simplemente actuar como corredores para el aire. Desempeñan un papel importante en el acondicionam.ien· to del aire antes de que alcance los alvéolos. Rl acop.dicionam.ien· to tiene tres componentes: 1. Calentamientn del aire a la temperatura corp_oral (37 ~q, de . manera tal que la temperatura corporal central no se modifique y los alvéolos no resulten dañados por el aire frío;

"""

----Tlempo----->Las capacidades son !a suma de dos o más volúmenes.

2. Agregado de vapor de agua basta que el aire alcanza 100% de humedad, de manera tal que el epitelio de intercambio húmedo no se seque, y 3. Filtraci6n de material extraño, de manera tal que los virus, las bacterias y las partículas inorgánicas no lleguen a los alvéolos. El aire inhalado se calienta por el calor del organismo y se humidifica por el agua que se evapora..del recubrimiento mucoso de las vías aéreas. Bajo circunstancias normales, cuando el aire alcanzala tráquea ha sido acondicionado al lOO% de humedad y 37 "C. La respiración por la boca no es tan efectiva en el calentamiento y la humidificación del aire como lo es la respiración por la nariz. Cuando se realiza ejercicio al aire Ubre en un clima muy frío, usted puede sentir un dolor en el pecho producto de la res· piradón de aire frío por la boca. La filtración del aire ocurre tanto en la tráquea como en los bronquios. Estas vías aéreas están reéubiertas por un epitelio cillado, que secreta moco y una solución salina diluida. Los cilios están bañados en una capa salina acuosa (Fig. 17-8 il). En la parte superior de ellos hay una capa pegajosa de moco que atrapa a la mayoría de las partículas inhaladas mayores de 2 Jl.ln. La capa de moco es secretada por las céfUJas calid(armes en el epitelio (Fig. 17-8). Los cilios se mueven hada arriba desplazando continuamente al moco hada Ja.faringe y generando lo que se co· noce como transporte mw:odliar. El moco contiene inmunaglobulinas que pueden inactiva! a muchos patógenos, y una vez que el moco alcanza la faringe y se traga, el ácido y las enzimas del estómago destruyen cualquier microorganismo remanente. La secreción de la capa salina acuosa por debajo del moco es

Eplteno cHiado de fa tráquea

mFIGURA 17..S Epitelio respiratorio dlíado El movimiento ciliar de la capa de moco hacia la faringe expulsa los patógenos y la materia particulada inhalados.

esendal para un transporte mucocilia.r funcional. En la enferme. dad fibrosis qufstica, por ejemplo, la secreción iónica inadecuada disminuye el movimiento déllíquidoen las víis aéreas. En ausencia de la capa salina, los cilios quedan atrapados ~ el moco denso y pegajoso. El moco no puede eliminarse, y las bacterias colo-nizan las vías aéreas, lo que provoca infecciones pulmonares recurrentes.

(:::, ~'-~_;zy' 1S 1ó N ~5;<':--·14.

'~""·

A medida que el aire inhalado se humidifica al pasar por las vfas aéreas, ¿qué le sucede a la Pe¡ del aire?·

15. Fumar cigarrillos paraliza a los cilios en las vfas aéreas. ¿Cuál es la causa de que la parálisis de los cilios provoque tos en Jos individuos fumadores? Respuestas en !a p. 586

Durante la ventilación, el aire fluye a causa- ·

de los gradientes de presión El aire fluye hada -los pulmones debido a los gradientes de presión creados por una bomba, al igual que la sangre fluye por la ac. dónde bombeo del corazón. En el aparato respiratorio, Ja mayor parte del tejido pulmonar es un deJiadq epitelio de intercambio, de manera tal que los músculos de la caja torácica y el diafragma deben funcionar como la bomba. Cuando estos músculos se contraen, los pulmones se expanden, pegados al interior de la pared torádca por el líquido pleural. La respiración es un proceso activo que utiliza la contracción muscular para generar un gradiente de presión.. Los principales mús,tulos involucrados en la respiración en estadq de reposo son

'

el diafragma, los intercostales externos y los escalenos.' Durante la respiración forzada pueden redutme otros músculos del tórax y del abdomen para prestar ayuda. EJemplos de situactones fisiológicaS en las cuales la respiración es 'forzada incluyen el ejercido fi. sico, tocar un instrumento de viento e inflar un balón. Como se indicó antes en este capítulo, el flujo de aire en las vías aéreas obedece las mismas reglas que el Bufo de sangre: Flujo"" I::.PJR

1

570

Capítulo 17 Mecánica de la respiración (a) En reposo, el diafragma está relajado.

La ventilación

571

(e} El dlafragma se relaja, el Volumen torácico disminuye.

{b) El diafragma se contrae, el volumem tor.lcico aumenta

')<Espacio pleural

Dlafragma §! FIGURA 17·9 Movimiento

del diafragma

Esta ecuadón significa que 1) el aire fluye en respuesta a un gradiente de presión (M) y 2) el flujo disminuye a medida que aumenta la resistenda {R) del sistema al flujo. Antes de examinar la resistencia, se considerará cómo crea el aparato respiratorio un gradiente de presión. Las presio.ries en el aparato respiratorio pueden medirse en los espacios aéreos de Jos pulmones {presión alveolar, PA) o en el Ji. quido pleural (presión intrapletual). Puesto que la presión at· mosférica es relativamente constante, la presión en los pulníones debe ser mayor o menor que la presión atmosférica para que el ai· re fluya entre la atmósfera y los alvéolos. El aire se desplaza hada el interior de los pulmones cuando se inhala y hacia afuera de ellos cuando se exhala. Un ciclo respira· torio es una irupiradón seguida de una espiración. Puesto que las vías respiratorias son un callejón sin salida, la dirección del flujo de aire debe invertirse. Las relaciones presión-volumen de la ley de Boyle son la base de la ventilación pulmonar.

músculos intercostales externos y los escalenos (véase Fig. 17·2) y titan a las costillas hada arriba y hada afuera. El movimiento de las costillas durante la inspiración ha sido asemejado al brazo de una bomba que se mueve hada arriba alejándose de ella Oas costillas moviéndose hada arriba y lejos dé la columna vertebral; fig. 17-lOa mi) y al del asa de un balde a medida que se levanta ale. jándose de los laterales del balde Oas costillas moviéndose hada fuera en dirección lateral; fig. 17-10b). La combinación de estos dos movimientos ensancha la caja torácica en todas las direcdo· nes. A medida que aumenta el volumen torácico, la presión disminuye y el aire fluye hada el Interior ~e los pulmones.

(a~

El movimiento similar al del brazo de una bOmba aumenta la dimensión anteroposterlor de !a caja torácica

......

...... ~......

&~16. Compare la dirección del movimiento del aire en un '%" ddo respiratorio con la dirección del flujo sanguíneo en uncido cardíaco.

17. Explique la relaáón entre tos pulmones, las membranas pleurales, el líquido pleural y la caja torácica. Respuestas en la p. 586

¡

ill

{b} 8 movimiento da tipo "asa de balde~ aumenta !a dimens!ón

lateral de !a caja torácica

Esternón 1:!1 FIGURA 11·10 Movimiento

PREGUNTAS o ¿En qué punto del ciclo es máxima !a presión alveolar?

¿Cuándo es mfnima? ¿Cuándo resulta igual a la presión atmosférica?

o Cuando lll volumen pulmonar es máximo, !a presión alveolar "' __ · _ _ y !a contraCGión de los múscu!os intercosta1es

externos es'.,,.--:--~ a) máxima -----Tiempo(s)----~

¡¡¡¡FIGURA 11~11 cambios de presión durante la respiración en reposo

La inspiradón se produce cuandO disminuye la presión alveolar Para que el aire ingrese en los pulmones la presión dentro de ellos debe ser menor que la presión atmosférica. De acuerdo con la ley de Boyle, un aumento del volumen producirá una disminu· dón de la presión. Durante la inspiia:dón, el volumen torácico aumenta cuando se contraen determinados músculos esqueléticos de las costillas y el diafragma. Cuando se contrae el diafragma, pierde su forma abovedada y se tensa hada el abdomen. En la respiración en reposo, el diafrag· mase desplaza alrededor de 1,5 cm. Este movimiento aumenta el volumen torácico porque su piso Se aplana (Fig. 17-9 ii). La contracción del diafragma produce entre el60 y el 75% del cambio del volumen.inspiratorio durante la respiradón en reposo normal. El movimiento de las costillas produce el cambio de volumen restante, del 25 al 40%. Durante la inhalación se contraen los

derecha

b)mfnlma e) moviéndose desde el máxlmo al mfnimo d) moviéndose desde el mínimo al máximo

""", >.;J

ffjR:~~ISIÓN

Cavidad pleural

de las costillas durante la ins·

piración El brazo de una bomba manual y el asa de un balde resultan buenos modelos de! movimiento de las costillas durante inspiración.

Durante muchos años, la respiración en reposo se atribuyó solamente a la acción del diafragma y de los músculos Intercostales · externos. Se creía que los músculos ~enos y estemodeidomastoideos estaban activos sólo durante la respiración profunda. Siri embargo, en los últimos afios los estudios han modificado nuestro conocimiento de cómo estos músculos. accesorios contribuyen a la respiración en reposo. Si se paralizan los escalenos, la inspiración se logra principalmente por contracción del diafragma. El_estudio de pacientes con trastornos neuromusculares ha demostrado que si bien la contracción del diafragma aumenta el volumen torádco por' desplazamiento hada la cavidad abdominal, también tiende a tirar hada adentro a las costillas inferiores, trabajando en contra de la inspiración. Sabemos que en individuos normales las costillas in· feriores se mueven hada arriba y h;ida abajo durante la inspira· dón, más que hada adentro. El hecho de que no haya un movimiento hada amOa y hada abajo en los pacientes que tienen los escalenos paralizados nos indica que estos músculos deben partidpar en la inspiración elevando el esternón y las costillas superiores. Nueva evidencia le resta importancia ai papel de los músculos intercostales externos durante la respiración en reposo. Sin em· bar~o, los músculos Intercostales desempeñan un papel de impor.

tanda creciente a medida que se incrementa la actividad respira· torta. Puesto que la contribudón exacta de los intercostales exter· nos y de los escalenos varía en función del tipo de respiración, los agruparemos y llamaremos músculos inspiratorios. A continuación se verá cómo varía la presión durante una ins· piración. A medida que estudie el proceso, siga los gráficos de la figura 17-llE!. Tiempo O. En la breve pausa que existe entre dos respiraciones, la presión alveolar es igual a la presión atmosférica (O mm Hg en el punto A1). Cuando las presiones son iguales, no existe flujo de aire. Tiempo 0-2 s: Inspiración. Cuando comienza la inspiración, los músculos inspiratorios se contraen y el volumen torádco se incrementa. junto con el aumento del volumen, la presión alveolar cae alrededor de 1 mm Hg por debajo de la presión atmosférica {-1 mm Hg, punto A;), y el aire fluye hada los alvéolos (punto C1 a punto C¡). Puesto que el volumen toráci· cose modifica más rápido de lo que puede fluir el aire, la presión alveolar alcanza su valor mínimo aproximadamente a mitad de camino durante la inspiración (punto AJ.

1

57Z

capítulo 17 Mecánica de la_respiradón

Amedida que el aire sigue fluyendo hada los alvéolos, la presión aumenta hasta que la caja torácica detiene su expansión, jus-to antes del final de la inspiración. El movim~ento de aire continúa durante una fracción de segundo más, hasta que la presión dentro de los pulmones se iguala con la presión atmosférica (punto A~. Al final de la inspiración, el volumen pulmonar se encuentra en su punto máximo para el ddo respiratorio (punto Cz>, y la presión alveolar es igual a la presión atmosférica. Usted puede confirmar este fenómeno tomando una respiración profunda y deteniendo el movimiento del tórax al final de la inspiración. {No "contenga la respiradón", puesto que al hacerlo derra la abertura de la faringe e impide el flujo de aire.) Si lo zealiza correctamente, notará que no hay flufo de aire al detenerse el movimiento inspiratorio. Este ejercido demuestra que, al final d_e la inspiradón, la presión alveolar es igual a la presión atmosférica.

La espiradón se produce cuando la presión alveolar

excede la presión atmosférica· Al final de la inspiractón cesaD. los impulsos provenientes de las neuronas motoras somáticas hada los músculos inspiratorios, y los músculos se relajan. El retroceso elástico de los pulmon,es y de la caja torádca regresa el diafragma y.las costillas a sus posiciones relajadas originales, al igual que un·a banda elástica estirada vuelve·a su dimensión original cuando se suelta. Como en la respiración en reposo la espiración involucra la retracción elástica pasiva más que una contracción muscular, reo'be el nombre de espiradón pasiva. Tiempo 2-4 s: espiración. A medida que disminuyen los volúmenes pulmonar y torácico durante la espiradón, la presión de aire en los pulmones aumenta, alcanzando un máximo de alrededor de 1 mm Hg sobre la presión atmosférica (Fig. 17-11, punto AJ. Ahora, la presión alveolar es mayor que la presión atmosférica, de maneta tal. que el flujo de aire se invierte y el aire se desplaza hada el exterior de los pulmones. Tiempo 4 s. Al final de la espiración, cesa el movimiento de aire cuando la presión alveolar es nuevamente iiual a la presión atmosférica (punto AJ. El volumen pulmonar alcanza su mínimo para el ddo respiratorio (punto e~. En este punto, el ciclo respiratorio ha finalizado y· está "preparado para comenzar nuevamente con el siguiente ciclo. Las diferend_as de presíón_que se muestran en la figura 17-11

se aplican a la respiración en repoSo. Durante el ejerdcio o en la respiración agitada forzada, estos valores se vuelven proporcionalmente mayores. La espiración activa tiene lugar durante las exhalaciones voluntarias ·y cuando la ventilación excede las 30-40 respiraciones portniriuto. (La frecuencia respiratoria en reposo normal es de 12--20 respiraciones por minuto para un adulto.) La espiradón activa emplea los músculos intercostales internos y los músculos abdominaleS (véase Fig. 17-2b), que no se utilizan durante la inspiración. En confunto, estos músculos reciben el nombre de músculos espiratorios. Los Íriús_culos intercostales internos recubren el interior de las costillas. Cuando se contraen, tiran de las costillas hada adentro, lo que zeduce el volumen de Ia cavidad torácica. Para sentir esté

la ventilación

efecto, coloque las manos sobre las costillas. De manera forzada, sople tanto aire como le sea posible hada afuera de los pulmones, y note el movimiento de las manos a medidá "que realiza esto. Los intercostales internos y externos funcionan como grupos de músculos antagonistas {~ p. 398) para modificar la posición y el volumen de la caja torácica -durante la ventilación. Pero el diafragma no tiene músculos antagonistas. En su lugar, los músculos abdominales se contraen durante la espiración activa para suplementar la actividad de los intercostales internos. La contracción abdominal tira de las costillas inferiores hada adentro y disminuye el volumen abdominal, acciones que desplazan los intestinos y el hígado hada arriba. Las vísceras desplazadas empujan el diafragma hacia arriba, hada el intérior de la cavidad toráctca, y, de manera pasiva, disminuyen aún más el volumen del tórax. La acción de los músculos abdominales durante 1~ espiradón forzada es la razón por la cual los profesores de gimnasia indican que se expulse el aire cuando se levantan la cabeza y Jos hombros durante los ejercidos abdominales. El proceso activo de expulsión de aire contribuye a la contracción de los abdominales, precisamente los músculos que se intenta fortalecer. Cualquier enfermedad neuromuscular que debilite a los músculos esqueléticos o dañe sus neuronas motoras puede afee. tar de manera adversa a la ventilación. Con una ventilación disminuida ingresa menos aire fresco a los pulmones. Además, la pérdida de la capacidad de toser incrementa el riesgo de contraer neumoiÚa y otras Infecciones. Entre los ejemplos de eruermeda-des que afectan el control motor de la ventilación están la miastmiagravis. (ii'm p. 274), una enfermedad en la cual se destruyen los receptores de acetilcolina de las placas tennini!les motoras de lqs músculos esqueléticos, y la poJW (poliomielitis), enfermedad viral que paraliza los músculos esqueléticos. ,,:

R,~V,ISI ó N

;-~~:-::2-18.

';{:y

Scar!ett O'Hara está tratando de ponerse un corsé de 46 cm de cintura. ¿le resultará más fádl si respira profundamente Ymantiene la respiración o sf libera todo

el aire que tiene en sus pulmones? ¿Por qué? 19. ¿Por qué aumenta el riesgo de infecciones respiratorias la pérdida de !a tapaddad de toser? (Sugerencia: ¿Cuál es el efecto de toser sobre el moco de las vfas

aéreas?)

Respuestas en la p. 536

La presión intrap/eural se modifica durante la ventilación La ventilación requiere que los pulmones, que no pueden expandirse y contraerse por sí mismos, se muevan con la contracción y la relajación del tórax. Como se indicó anteriormente en este capítulo, los pulmones están "adheridos(' a la caja torácica por fuerzas cohesivas ejercidas por el líquido pr~te entre las dos membranas pleurales. Por eso, si se mueve la caja torácica, los pulmones lo hacen con ella. La presión intrapleural del líquido entre las membranas pleurales es normalmente subatmosférica. Esta presión subatmosférica surge durante el desarrollo fetal, cuando la caja torácica con su membrana pleural asociada crece más rápidamente que el pulmón con su membrana pleural asociada. Las dos membranas pleurales se mantienen adheridas por el líquido pleural, de mane-

(a) Pulmón nonnal en reposo

513

{b) Neumotórax

El pu!món colapsa hasta su tamaño no estirado.

~

trap!eural "'"'"'

~

Membranas

pleurales

MembrnMs pleurales

'*'

8 retracción elástica de la 8 reb"acción elástica de! pulmón pared del tórax trata de tirar genera un empuje hacia adentro. a la pared torácica hacia afuera.

Si fa cavidad pleural sellada se abre a !a atmósfera, el aira fluye hacia su interior.

mFIGURA 17·12 Presión en la cavidad pleural ra tal que los pulmones elásticos se ven forzados a estirarse para ajustarse al mayor volumen de la cavidad torácica. Pero al mismo tiempo la retracción elástica de los pulmones crea una fuerza ha-da adentro que tiende a alejar los pulmones de la pared torácica - (Fg. 17-12a m). La combinación del empuje hada afuera de la caja torácica y la retracción hada adentro de Jos pulmones genera una presión intrapleural subatmosfética de alrededor de -3 mni Hg. Puede crearse una situadón similar llenando con agua una je-ringa hasta la mitad y tapándola con una aguja sellada. En este punto,. la presión dentro del cilindro es igual a la presión atm9sférica. Ahora, sostenga el cilindro de la jeringa (la pared torácica) con una mano mientras tira del émbolo (el pulmón elástico que. tira de la pared torádca). Cuando usted tira del émbolo, el-volumen dentro del dlindro aumenta leVemente, pero las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua hacen que ésta resista la ex~ pansión. La presión deritro del cilindro, que inicialmente era igual a la presión atmosférica, disminuye un poco cuando usted tracdona del émbolo. Si suelta el émbolo, éste retoma rápidamente a su posidón de reposo, restaurando la presión.atm.osférlca dentro de la jeringa. ¿Qué le sucede a "la presión intrapleural subatmosférica si se abre un orificio entre la cavidad plemal. sellada y la atmósfera? Un cuchillo clavado entre las costillas, unÚostilla rota que Perfora la membrana pleural o cualquier otro suceso que abre la cavidad pleural hacia la atmósfera permitirá que d. ~e fluya hada el interior a favor de su gradiente de presión, del mismo modo que ingresa el aire cuando se rompe el sello de una lata envasada al·vaáo. El aire en la cavidad pleural rompe el enlace líquido que manriene al pulmón unido a la pared del tórax. La pared torácica se expande hada afuera al tiempo que el pulmón elástico se colap-sa hada un estado no estirado, igual que un balón desinflado (Fig. 17--l~b). Esta condición, llamada neumotórax (¡neuma, aire), ori-

gina un pulmón colapsado que es incapaz de funcionar normalmente. El neumotórax también puede producirse espontáneamente si se rompe una bulla (o porción debilitada de tejido pulmonar) congénita, permitiendo que el aire del interior del pul· món ingr:ese a la cavidad pleural. La corrección de un neumotórax tiene dos componentes: la extracción de todo el aire de la cavidad pleural como sea posible por medio de una bomba de aspiradón, y el sellado. del orifido para impedir el ingreso de más aire. El aire remanente en la cavidad será absorbído gradualmente hada la sangre, lo que restaura el enlace de líquido pleural e insufla nuevamente al pulmón. Las presiones del líquido pleural varían durante un ciclo respiratorio. Al inicio de la inspiración, la presión intrapleuiat es de alrededor de -3 mm Hg (Fig. 17-11, punto B1). A medida qUe se realiza la inspiración, las membranas pleurales y los pulmones siguen a la caja torácica en expansión a causa del líquido pleural que _los une a ella, pero el tejido pulmonai elástico se resiste a ser estirado. Los pulmones -tratan de alejarse de la pared torácica, lo que hace que la presión intrapleural se vuelva aún más negativa (Fig. 17-11, punto Bz). Puesto que este proceso resulta difícil de visualizar, regrese a la analogía de la jeringa llena de agua con la aguja tapada. Puede tirarse el émbolo hada afuera un poco sin realizar demasiado esfuerzo, pero la cohesión del agua hace difícil tracdonar mucho más del émbolo. El aumento del trabajo que uste9- realiza al tratar de tirar el émbolo hacia afuera es similar al que deben realizar los músculos inspiratorios cuando se contraen durante la inspiración. Cuanto más profunda sea la respiración, más trabajo se necesita para estirar el pulmón elástico. Al final de una inspiración en reposo, cuando los pulmones están totalmente expandidos, la presión intrapleural cae a aproximadamente -6 mm Hg (Fig. 17-11, punto Bz). Durante el ejerci~

1

574

La ventilación

Capítulo 17 Mecánica de la respiración

do u otras inspíraciones potentes, la presión intrapleural puede alcanzar los -S mm Hg. Durante la espiradón, la caja torádca regresa a su posidón de reposo. Los pulmones se relajan de su posidón estirada, y la pre. sión intrapleural vuelve nuevamente a su valor nonnal de alrede· dor de -3 mm Hg (punto B~. Nótese que la presión intrapleural nunca se equilibra con la atmosférica, porque la cavidad pleural es un compartimento cerrado. Los gradientes de presión necesarios para que el aire fluya se generan por el trabajo de ~ontracdón del músculo esquelético. Nonnalmente, alrededor de 3-5% del gasto de energía corporal se utiliza para la respiración en reposo. Durante el ejercicio, la ener· gía requerida para la respiración aumenta sustancialmente. Los dos factores que tienen la mayor influencia sobre la cantidad de trabajo nécesario para_ la respiradón son la extensibilidad de los pulmones y la resistencia de las vías aéreas al flujo de aire. R,~'\i t"S-·1 ó N ".o-20. Una persona tiene contracciones espasmódicas esporá· dkas del diafragma, conocidas también como hipo. ¿Qué les sucede a las presiones intrapleural y alveolar cuando una persona.tien~ hipo? 21. la vlctima de una puñalada es llevada a la sala de

emergencias con una herida de cuchillo entre las costi· !las en el lado izquierdo dé su tórax. ¿Qué le ha suce-dido probablemente a su pulmón izquierdo? ¿Y al de-recho? ¿Por qué parece más grande e! lado izquierdo de la caja torácica que el !ado dered10? Respuestas en !a p. S&i

La distensibilidad y la elastancia pulmonares pueden cambiar en los estados patológicos La ventilación adecuada depende de la capactdad de los pulmones de expandirse de manera normal. La mayor parte del trabajo res:piratorio se aplica a vencer la resistencia al estiramiento ejercida por

los pulmones elásticos y la caja torádca Clínicamente, -Ia capacidad del pulmón de estirarse se denomina distensibilidad (cumplúmce). Un pulmón con alta distensibilidad se estira fácilmente, al igual que una persona complaciente resulta fácil de persuadir. Un pulmón de baja distensibilidad requiere más fuerza de los músculos inspiratorios para estirarse. Ladistensibilidad es diferente de la elasticidad (elastancta) (eJas.. ticidad). El hecho de que un pulmón se estire fácilmente (alta distensíbilidad) no significa necesariamente que retomará asu volumen de reposo cuando se libere la fuerza de es~ento. Usted puede haber visto algo semejante con los pantalones cortos de gimnasia viejos. Luego de muchos lavados, la cintura elástica resulta fá. cil de estirar (alta distensibilidad) pero carece de elastiddad, lo que hace impost'ble que permanezcan ajustados alrededor de la cintura. En el aparato respiratorio ocurren problemas análogos. Por ejemplo, como se indicó en Temas relacionados, el enfisema es una enfermedad en la que se destruyen las fibras de elastina que se encuentran normalmente en el tejido pulmonar. La consecuencia de la destruc· ción de la elastina es pulmones con alta distensibilidad, que se estiran fácilmente durante la ínspiradón. Pero estos pulmones tienen también una elastiddad disminuida, de manera tal que no tetroceden a su posición de reposo durante la espiración. Para comprender la importancia de la retracción elástica en la espiración, imagine un balón inflado y una bolsa plástica inflada. El balón es similar al pulmón normal. Sus paredes elásticas _aprietan el aire en su interior, aumentando así la presión de aire interna. Cuan· do el cuello del balón se abre hacia la atmósfeza, la retracdón elástica produce un flujo de aire hada afuera del balón. La bolsa plástica inflada, en cambio, se parece al pulmón de un individuo con enfisema. Tiene alta distensibilidad y se infla fácilmente, pero tiene

{a) la presión es mayor en la burbuja más pequeña.

{b) El tensioactivo reduCé !a tensión superficial {1).

LeY de t.aPiaoo: P-::i 2T/r

© -

'

Burbuja más grande r=2

To:::3 P={2x3)12

P=3

~

0

575

La presión en las burbujas más grandes y más pequeñas se equipara

. ··.p'=¡jÍesión T=.tensión superñclal r';, radio

oilaWi.rd~'cO!Úi!ey de:Laptace,

s! dOS iiúr!itÍjaS ü_enen -lariiísmá_ -, -teilslón ·superf¡c!al, la búrbüja máS

pe<¡;ueña teiid_rá iriayor presión, · Burbuja más pequeña ·

r=1 T=3 P={2x3}/1 Po:6

• • • :a

o. G

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600 ••• ••• •Q!i!!il9G•

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r"'2

T=

T=2 P=(2x2}12 P=2

P=(2x 1)/1 P=2

1

T:1

1!1 FIGURA 17·13 La ley de Laplace (a) Dado que res el denominador en la ecuación de lap!ace, la presión dentro de·una burbuja aumenta a medida que su radio disminuye. (b} la presencia de tensioactivo disminuye la tensión superficial en una película. De esta forma, el tensioactivo contribuye a equiparar la presión interior en las burbujas de diferentes tamaños.

poco retroceso elástico. Si la bolsa plástica inflada se abre hada la atmósfera, la mayor parte del aire permanece dentro de la bolsa; La disminudón de la distensibilidad pulmonar afecta la ventiladón, porque debe realizarse más trabajo para estirar un pul· món rigido. Las condiciones patológicas en las cuales está redudda la distensibilidad se denominan enfermedades pulmonares restrictivas. En estos trastornos, el gasto de energía necesario pa· ra estirar los pulmones menos distensibles puede exceder amplia· . mente el trabajo normal de la respiradón. Dos causas comunes de distensi'bilidad teducida son el tejido cicatrizal inelástico fonnado en las mfermedlldes fibróticas pulmonares y la producdón alveolar inadecuada de sustanda tensioactiva o surfactante, una sustancia química que facilita la expansión pulmonar.

La sustanda tensioactiva o surfactante disminuye el trabajo respiratorio Durante aftos los fisiólogos supUsieron que la elastina y otras fibras elásticas eran la fuente principal de la resistencia al estira·. miento en el pulmón. Sin embargo, estudios comparativos-entre el trabajo requerido para expandir pulmones llenos de aire ypul· mones llenos de soludón salina demostraron que los pulmones llenos de aire resultan mucho más difíciles de expandir. A partir de este resultado, los investigadores concluyeron que el tejido pulmonar propiamente dicho contribuye menos a la resístenda que lo que se había imaginado hasta el momento. Alguna otra propiedad del pulmón normal lleno de aire, una propiedad no presente en el pulmón lleno de solución salina, debía crear lamayor parte de la resistencia al es~ento. · Esta propiedad es la tensión superfi.cial (~p. 25) genezada por la fina capa de líquidO entre las células alveolares y el aire. En cualquier interfase aire-líquido, la superficie del líquido se en· cuentra bajo tensión, al igual que una fina membrana que está siendo estirada. Cuando el líquido es agua, la tensión superficW se origina a partir de los puentes de hidrógeno entre las molécu· las de agua. Las moléculas de agua en la superficie del liquido son atraí~as por otras moléculas de agua que se encuentran a los cos-

tados o por debajo de ellas, peto no por los gases presentes en el aire en la interfase aire-liquido. La tensión superficial alveolar es semejante a la que existe en una burbuja esférica. La tensión superficial creada por la delgada película de líquido está dirigida hada el centro de la burbuja y genera presión en el interior (Fig. 17·13a ~·La ley de Laplace es una expresión de dicha presión. Establece que la presión (P) dentro de una burbuja formada por una fina·película es fundón de dos factores: la tensión superficial del líquido (I) y el radio de la burbuja (r). Esta relación se expresa por medio de la ec.uadón: P= 2T/r

Si dos burbujas tienen diámetros diferentes peto están constituidas por líquidos que presentan la misma tensión superficial; la presión dentro de la burbuja más pequeña es mayor que la presión dentro de la burbuja de mayor tamaño (Fig. 17-13a). ¿Cómo se aplica esto al pulmón? En fisiología, la burbuja se equipara con un alvéolo recubierto de líquido (aunque los alvéolos no son esferas perfectas). El liquido que recubre todos los alvéolos crea la tensión superficial. Si la tensión superficial (I) del líquido fuera igual en los alvéolos pequeños y grandes, los alvéolos pequeños 'tendrían una mayor presión en su interior que los alvéolos más grandes, y por consiguiente mayor resistencia al es. tiramiento. Como resultado, sería necesario realizar más trabajo para expandir a los alvéolos más pequeños. Sin embargo, normalmente nuestros pulmones secretan una sustancia tensíoactiva o surfactante (sur(ace active agents) que re· duce la tensión superficial Las sustancias tensioactivas son moléculas que alteran las fuerzas cohesivas ~tre las moléculas de agua al ocupar su lugar en la superfide del líquido. Por ejemplo, el producto que se agrega al lavavajillas para facilitar el ciclo de enjuague es una sustancia tensíoactiva que evita que el agua de enfuague forme gotitas sobre los platos que deje manchas cuando se secan. En Jos pulmones, el surfactante disminuye la tensión superficial del líquido alv~olar y de esta maneza reduce la :resisten. cía del pulmón al estiramiento.

1

576

Capitulo 17 Mecánica de !a respiración

El tensioactivo está más concent:tado en los alvéolos más pe· queños, lo que permite que su tensión superficial sea menor que la de los alvéolos más grandes (Fig. 17·13b). La'disminución de la tensión superficial contribuye a igualar la presión entre los alvéolos de diferentes tamaños y hace más fácil la insuflación de los alvéolos más pequeftos. Con una menor tensión superficial, el tia· bajo necesario para expandir a los alvéolos con cada respíración se reduce notablemente. En el hombre, la sustancia tensioactiva es una mezcla que contiene proteínas y fosfolípidos, como la dipalmítoil{os{atidilcolintl, secretados hacia el espacio aéreo alveolar por las células alveolares tipo ll (véase Flg. 17·2g}. Normalmente, la sintesis de surfactante comienza alrededor de la vigesimoquinta semana del desarrollo fetal bajo la influencia de varias hormonas. La producción alcanza generalmente niveles adecuados en la trigesimocuarta semana (alrededor de seis semanas antes del parto a término). Los bebés que nacen prematuros sin concentraciones adecuadas de surfactante en sus alvéolos desarrollan el sfndrome de distrés respiratorio del recién nacido. Además de presentar pulmones ~gidos" (de baja distensfuilidad) los bebés con este sindrome tienen también alvéolos que colapsan cada vez que se produce una exhalación. Dichos bebés deben usar una enorme cantidad de energía para expandir sus pulm!)nes colapsados con cada respiración. A menos que se inicie un tratamiento rápidamente, alrededor de SO% ·de estos bebés muere. En el pasádo, todo lo que los médicos podían hacer por estos niñ.os era administrarles oxígeno. Sin embargo, en la actualidad el pronóstico de los bebés con síndroine de distrés respiratorio del recién nacido~ mucho mejor. Puede obtenerse una muéstra de liquido amniótico para determinar si los pulmones fetales están produdendo cantidades adecuadas de tensioactivo. Si no es así, y el parto no puede retrasarse, los bebés con este síndrome pueden tratarse con una administración de sustancia tensioactiva artifi. ctal en aerosol hasta que los pulmones maduren lo suficiente para prodUcir su propio tensioactivo. El tratamiento actual incluye también la ventilación artificial que fuerza la entrada de aire hada los pulmones y mantiene abiertos a los alvéolos.

El diámetro de las vias aéreas es el principal determinante de su resistencia Además de la distensibilidad, el ·otro factor que afecta el trabajo de la respiración es la resistencia del aparato respiratoño al flujo de aire. La reSistencia en el aparato respiratorio es semejante a la resistencia del aparato cat:diovascular desde muchos puntos de vista (~p. 462). Tres parámetros contnbuyen a la resistenda (R): la longitud del tubo (L), la viscosidad de la sustancia que fluye a través del mismo_(;¡) y el iadio de los tubos(r). Como su· cede con el ~jo en el aparato cru:diovascular, la ley de Poiseuille relaciona estos factores entre sí:

R' L~/<' Puesto que la longitud del aparato respl.Iatorio es constante, puede ignorarse Len la ecuación. La viscoSidad del aire es casi constante, aunqUe usted puede haber notado que resulta más dificil respirar en un sauna lleno de vapor que en un ambiente con humedad normaL Las gotitas de agua ~entes en el vapor aumentan la viscosi·

la ventilación

dad del aire, incrementando así su resistencia al flujo. La viscosidad se modifica también un poco según la presión atmosférica, de una manera directamente proporcional Una persoria a gran altitud puede sentir menos resistencia al flujo de aire que una persona a nivel del mar. A pesar de estas excepciones, la viscosidad desempeña un papel muy pequeño en la resistencia al flujo de aire. · Puesto que la longitud y la viscosidad son esencialmente constantes en el aparato respiratorio, el radio (o diámetro) de las vías aéreas se convierte en el principal determinante de su resistencia. Pero, en genera~ el trabajo requerido para vencer la resistencia de las vías aéreas al flujo de aire es mucho menor que el trabajo necesario para superar la resistencia de los pulmories y de la caja torácica al estiramiento. En condiciones normales. casi el 90% de la resistencia de las vías aéreas puede atribuirse a la tráquea y los bronquios, estructuras rígidas con la menor área transVersal. Puesto que estas estructuras están sostenidas por cartílago y hueso, en esas condiciones sus diámetros casi no cambian y su resistencia al flujo de aire es constante. Sin embargo, en alergiaS o infecCiones, la acumuladón de moco puede incrementar de manera notable la resistencia. Si alguna vez ha tenido que respirar por la nariz estando resfriado sabrá cómo el estrechamiento de la vía aérea superior limita el flujo de aire. Normalmente, los bronqWolos no contribuyen de manera significativa a la resistencia de las vías aéreas porque su área transversal total es casi 2 000 veces mayor que la de la tráquea. Sin embargo, puesto que los bronquíolos son tubos que pueden colapsarse, la disminución de su diámetro puede tomarlos abruptamente en una fuente significativa de resistencia de las vías aéreas. La broncoconstricdón incrementa la resistencia al flujo aéreo y disminuye la cantidad de aire fresco que alcanza los alvéolos. Los bronquíolos, al igual que las arteriolas, están sujetos al control reflejo por parte del sistema nervioso y de hormonas. Pero la mayoría de los cambios rápidos en el diámetro bronquiolar se deben a sustancias 'paracrinas. El dióxido de carbono presente en las vías ·aéreas es el principal paracrino que afecta el diámetro bronquiolar. El aumento de COz en el aire espirado relaja el músculo liSo bronquiolar y produce broncodilatactón: La histamina es un paracrino que actúa como potente broncoconstrictor. Esta sustancia química es liberada por los mastodtos ( ¡¡¡jp. 538) en respuesta al dat1o tisular o a reacciones alérgicas. En las reacciones alérgicas gt:aves, grandes cantidades de bistami· na pueden producir una broncoconstrtcctón masiva y dificultad respiratoña. El tratamiento médico ioniediato resulta imperativo en estos pacientes. Fl principal control neural de los bronquíoios proviene de las neuronas parasimpáticas que producen broncoconstrtcción, un reflejo diseñado para proteger al traCto respiratorio infeñor de los irritantes inhalatorios. En los seres humanos no existe inervación simpática significativa de los bronquíolos. Sin embargo, el músculo liso de los bronquíolos está bien provisto de receptores ~~ que responden a la adrenalina La estimulactón de los receptores Pz relaja el músculq liso de las vías aéreas y produce broncodilatadón. Este reflejo se utiliza terapéuticamente en el trata· miento del asma y de varias reacciones alérgicas caracterizadas por liberación de bistarnina y broncoconstricdón. El cuadro 17-3 !:ll resume los factores que afectan la resistencia de las vfas aéreas.

577

ventiladón pulmonar total = 12 tespiradOnes/min X SQQ roL/respiración :: 6 000 mL!min = 6 L/min FACTOR

AfECTADO POR

Longitud del sistema

Es constante; no cons-

Viscosidad del aire

· MEDIADO POR

tituye un factor Generalmente cons· tante; Ía humedad y la altitud puede~ alterar· la levemente

Diámetro de !as vfas aéreas

--Vlasaéreas superiores

Bronquiolos

Obstrucción física

Moco y otros factores

SroncO
Neuronas parasimpáticas (receptores muscarlnkos}, histamina,leucotrlenos Dióxido de carbono, adrenalina {receptores flzl

Sroncodilatadón

REJ¡iiSIÓN ~ ..@-~.En un individuo normal,¿qué contribuye más al traba·

~%_~:9

~

jo respiratorio: !a resistenda de las vlas aéreas o la distensibilidad de los pulmones y la pared torácica? 23.los trabajadores de las minas de carbón que pasan años inhalando fino polvo de carbón tienen gran parte de su superficie alveolar cubierta por tejido semejante a una cicatriz. ¿Qué le sucede a la distensibilidad de sus pulmones como consewenda de esto?

24. ¿Cómo se modifica el trabajo respiratorio cuando el surfactante no está presente en los pulmones?

25. Un tumor pulmonar maligno cre<:e en las paredes de

un grupo de bronquiolos, estrechando la luz de éstos. ¿Qué sucede con la resistencia al flujo de aire en di· chos bronquiolos? 26. Nombre el neurotransmisor y el receptor en la broncoconstricción parasimpática. Respuestas en !a p. 586

La frecuenda y la profundidad de la respiración

determinan su eficienda Usted recordará que la eficiencia del corazón se ¡;ntde por el volumen minuto, que se calcula multiplicando la frecUencia car. díaca por el volumen sistólico. Del mismo modo, puede estimar. se la efecttvidad de la ventilación calculando la ventilación pulmonar total, el.volumen de aire movilizado hada el interior y hada el exterior de los pulmones en un minuto. La ventilación pulmonar total, conocida también Como volwnen minuto, se cal· cula de la siguiente manera: · ventilación pulmonar total = frecuencia respiratoria x volumen corriente La frecuencia respiratoria normal para un adulto es de 12-20 respiraciones por minuto. Si se emplea el volumen corriente promedjo (SOO mL) y la frecuencia respiratoria más lenta, se obtiene:

La ventilación pulmonar total representa el mOVimiento físico de aire hada y desde el aparato respiratorio, pero ¿constituye un buen indicador de cuánto aire fresco alcanza la superficie de intercambio alveolar? No necesariamente. Parte del aire que ingresa en el aparato respiratorio no alcanza los alvéolos porque una porción de cada respiración pennane· ce en las vías aéreas, como la tráquea y los bronquios. PuestÓ que las vías aéreas no intercambian gases con la sangre, se conocen como espacio muerto anatómico. El espado muerto anatómico es en promedio de alrededor de I50 mL. A fin de ilustrar la diferencia entre el volumen total de aire que ingresa en las vias aéreas y el volumen de aire fresco que alctmza los alvéolos, considérese ahora una típica respiradón que moviliza SOO mL de aire durante un ddo respiratorio {F¡g. I7-14 m).

l. Al final de una inspiración, el volumen pulmonar es máxi·

mo, y el aire fresco llena el espado muerto. 2. Se exhala el volumen corriente de 500 roL. Sin embargo, la primera pOrción de estos SOO mL que sale de las vías aéreas . son los ISO mL de aire fresco que se encontraban en el es. pacto muerto, seguidos por 3SO mL de aire 11vídado~ proveniente de los alvéolos. Asi, aun cuando SOO mL salen de los alvéolos, sólo 350 mL de dicho volumen dejan el orga· nismo. Los 150 mL restantes de aire alveolar "viciado" per· manecen en el espado muerto. 3. Al final de la espiración, el volumen pulmonar se encuen-~ traen su nivel minimo, y el aire viciado de la última espi· ración llena el espado muerto anatómico. 4. Con la próxima inspiración, 500 mL de aire fresco ingresan en las vías aéreas. El aire entrante vuelve a ingresar los ISO mL de aire vídado en el espado muerto anatómico a los al· véolos, seguidos de los primeros 3SO mL de aire fresco. Los UJ.. timos 1SO mL de aire fresco inspirado peonanecen nuevamente en el espacio muerto y nunca a1caozan los alvéolos. Asi, a pesar de que ifliresaron SOO mL de aire a los alvéolos, sólo 350 mL de dicho volumen era aire fresco. El aire fresco que llega a los alvéolos es igual al volumen corriente menos el volumen del espacio muerto. Puesto que una pordón significativa del aire inspirado nunca alcanza una superficie de intercambio, un indicador m&s apropiado de la eficiencia de ventilactón es la ventilación alveolar, la cantidad de aire fresco que alcanza los alvéolos por minuto. La ventilación alveolar se calcula multiplicando la frecuencia respiratoria por el volumen de aire fresco que llega a los alvéolos:

ventilación alveolar= frecuencia respiratoria x (volumen cqrñente- espado muerto) Si se emplea la misnlit frecuencia respiratoria_ y el volumen corriente que antes, y un espado muerto de 150 roL, ent!)nces ventilación alveolar= 12respiraciones{mio x (500- 150 mL/respiradón) = 4 200 mL/m!n

579

la ventilación

578

Capítulo 17 Mednlca de la respiración Espacio mtrerto lleno con aire fresco

TipoS y patrónes de_ventilacióri ¡----~-~--·

8 primer aire exhalado proviene del espacio

muerto.Losalvéo!os fiberan sólo 350 mL

Q.\

~

\~

,lm:·,~;% ../ -;:;-

.

·;r~

8 E1$pa.cio muerto está lleno de aire fresco.

,]

¡:,_;-

\.

alvéolos corresponden a

éSe:;~~mL ; (volumen comente). L--·-···· ¡--·--~···

¡1 p~~~~--~e los alvéolos.

,......-····.

® Se exhalan 500 ml de aire fresco T (volumen comente).

é

~

"'. ··."' 160 mm Hg _ Q2:::100mmHg

a FIGURA 17~14 Ventiladón pulmonar total y ventilación alveolar En este ejemplo, la ventilación pulmonar total es de 500 mUrespíradón x frecuencia respiratoria, pero la ventilación alveolar es sólo de 350 mUrespiración x y por frecuencia respiratoria. mentar la ventilación pulmonar total hasta tanto como 170 mL/min. El cuadro 17·5 mdescribe varios patrones de ventilación, y el cuadro 17-6 mindica los valores noonales de ventil~ción.

La composición de gases en los ·alvéolos varía poco durante la respiración normal ¿Cuánto puede afectar un cambio en la ventilación alveolar a la cantidad de aire fresco que alcanza los alvéolos? r.a- figura 17-S m

:~~~j~~tttri·,~-~bre 1~ ve~rtilaciÓ~ ,áiJé~¡~-¡-, VENTILACIÓN PULMONAR TOTAL (mUMIN)

AIRE FRESCO HAOA LOS ALVÉOLOS (ml)

(VOLUMEN CORRIENTE-VOLUMEN DE ESPACIO MUERTOj

Hiperpnea

Frecuencia respiratoria yfo volurilen aumentados en res· puesta a un incremento del metabolismo

Ejerdcio

Hiperventilación

Frecuencia respiratoria y/o volumen aumentados sin in· cremento del metabolismo

Hiperventiladón emocional; inflado de un balón

Hipoventilación

Ventilación alveolar disminuida

Respiración superficial; asma; enfermedad pulmonar restrictiva

Taquipnea

Respiración rápida; generalmente frecuencia respiratoria aumentada con profundidad reducida

Jadeo

Disnea

Respiración dificultosa (sensación subjetiva descrita a veces como falta de aire}

Diversas enfermedades o ejercicio intenso

Apnea

Cese de la respiración

Mantenimiento voluntario de la respiración; depresión de !os centros de control de! SNC

muestra cómo varían las presiones parctales Po2 y Pco2 en los al~ véolos con la hiperventilación y la hipoventilación. A medida que aumenta la ventilación alveolar por sobre los niveles nonna· les (hiperventilación), la Po2 alveolar asciende hasta alrededor de 120 mm Hg, y la Pco2 alveolar cae hasta aproximadamente 20 . mm Hg. Durante la hlpoventilactón, cuando ingresa menos aire fresco a los alvéolos, la Po2 alveolar disminuye y la Pco2 alveolar aumenta. Aunque un cambio importante en el patrón de ventilación aJ. veolar puede afectar mucho las presiones pardales de los gases en los alvéolos, la Po2 y la Pco2 cambian sorprendentemente poco durante la respiración en reposo normal. La Po2 alveolar es bas. tan te constante en 100 mm Hg, y la Pco2 alveolar permanece cer· ca de los 40 mm Hg. Intuitivamente podría pensarse que la Po2 aumenta cuando el aire fresco ingresa por primera vez a los alvéolos y que luego disminuye constantemente a medida que el oxígeno se desprende para ingresar a la sangre. Pero en realidad se observan oscilado. nes muy pequeñas en la Po2• ¿Por qué? Las razones son: 1) la can· tidad de oxígeno que ingresa a los alvéolos con cada respiración es prácticamente igual a la cantidad de oxigeno que ingresa a la sangre y 2) la cantidad de aire fresco que ingresa a los pulmones

VENTilACIÓN ALVEOLAR {mUMIN)

500 (normal)

12_(normal)

6 000

350

4 200

300 (superficial)

20 (rápida}

6 000

150

750 (prOfundo)

8 (lenta)

6000

600

•El volu~en de espado muerto se(onsidera igual a 1SO mL

Respiración en reposp normal

•........

EFERENCIAS

@. .

VOLUMEN CORRIENTE TASA DE VENTILACIÓN (ml) (RESPJRAOONES!MIN)

Eupn~a

EJEMPLOS

J

""···. . ·-.·. /..· . ¡;

Así, a 12 respiraciones por minuto, la ventilación alveolar es de 4,2 Lfmin, A pesar de que 6 L/min de aire fresco ingresan al aparato respiratorio, sólo 4,2 L alcanzan los alvéolos, La ventilación alveolar puede verse drásticamente afectada por cambios en la frecuencia o en la profundidad de la respiración, El cuadro 174 mmuestra que tres individuos pueden tener la misma ventilación p_ulmonar total, pero una ventiladón alveolar notablemente diferente. La ventilación voluntaria máxima, que implica respirar tan profunda y rápidameÍlte Como sea posible, puede au-

DESCRIPCIÓN

~5>'-"''

Espacio muerto lleno

aire viciado proveniente del espacio muerto.

OENOMINAQÓN

"1' muerto está lleno de aire "viCiado"

v

Los primeros 150 mlde aire que ingresan a los

Y L--J-~------·-

@l Al final de !a espiración, el espacio

A

1~Q

® Fin de !a Inspiración

con cada respiración es sólo un poco más del lO% del volumen pulmonar total al final de la inspiración.

120 ~

6Umin

3 000

Ventilación alveolar total

4,2Umin

4800

Ventilación voluntaria máxima

125-170 Umin

Frecuencia respiratoria

12-20 respiracioneslrilin

1

:yt¡~

{ ; !

¡

1

100

~

e

•

80

1

60

"¡:• ~ ~

•eo ~ ~

Ventilación putmonartotal

j

40

20

3

4

5

8

9

10

Ventilación alveolar {Umin) l'!l FIGURA 17-15 Efecto de la modificación de la ventiladón

alveolar sobre Po2 y Pco2 M tos alvéolos

1

580

Capítulo 17 Mecánica de la resplradón

RE,if'ISIÓN ~;~"',-f[í7. Si un individuo incrementó su volumeQ. corriente, ¿qué i(f¿:Jf le sucederá a su presión alveolar? 28. Si aumenta !a frecuencia respiratoria, ¿qué le sucederá a su Po2 alveo!ar? Respuestas en la p. 585

La ventiladón y el flujo sanguíneo alveolar guardan correspondenda La movilizadón de oxígeno desde la atmósfera hasta la superfide de intercambio alveolar es sólo el primer paso de la respitadón externa. Luego debe producirse el intercambio de gases en la interfaz alveolocapüar. Finalmente, el flujo sanguíneo (perfusión) por los alvéolos debe ser suficientemente alto para recoger el oxígeno disponible. Correladonar la ventiladón en grupos de alvéolos con el flujo sanguíneo que pasa por ellos es Wl proceso de dos partes que implica una reguladón local tanto del flujo de aire como del flujo sanguíneo. Las modificadones del fluJo sanguíneo pulmonar dependen casi exclusivamente de propiedades de Jos capilares y de factores locales tales como la concentración de oxígeno y de dióxidO de carbono en el tejido pulmonar. Los capilares en los pulmones tienen características inusuales, porque pueden colapsarse. Si la presión de la sangre que fluye a través de los capilares cae por debajo de derto punto, los capilares se derran, desviando la sangre hada los ledlOS capilares pulmonares en los OJales la presión arte· ñal es más alta. En un individuo en reposo, algunos lechos capilares en el vértice (parte superior) del pulmón se cierran debido a la baja presión hidrostática. Los lechos capilares que se encuentran en la base del pulmón tienen mayor presión hidrostática como consecuenda de la gravedad, y por lo tanto permanecen abiertos. En consecuenda, el flujo sanguíneo se desvía hacia la base del pulmón. Durante el ejerddo, cuando aumenta la presión arterial, los lechos capilares apicales cerrados se abren, garantizando que el volumen minuto incrementado se oxigenará completamente cuando pase por los pulmones. la capaddad de los pulmones de

La venti!~dón

reclutar lechos capilares adidonales durante el ejercido es un ejemplo de la capacidad de reserva del organismo. A nivel local, el cuerpo trata de manteneÍ la correspondencia entre el flujo de aire y el flujo sanguíneo en cada pordón del pulmón regulando el diámetro de arteñolas y bronquiolos. El diámetro de los bronquiolos está mediado principalmente por los niveles de C0 2 en el aire exhalado que pasa a través de ellos (cuadro 17-7 [S). Un aumento de la Pco2 en el aire espirado produce una dilatación de los bronquiolos. La disminudón de la Pco2 en el aire espirado produce una constricdón de los bronquiolos. Si bien existe cierta inervadón autónoma de las arteñolas pulmonares, aparentemente el control neural del flujo sangufneo pulmonar es escaso. la resistencia de las arteriolas pulmonares al flujo de sangre está regulada prindpalmente por el contenido de oxígeno del liquido interstidal alrededor de la arteriola (Fig. 17161iii). Si disminuye la ventiladón de los alvéolos en un área del pulmón, la Po2 en esa área se reduce y las arteñolas responden contrayéndose (Fig. 17-16c). Esta vasoconstricción local es adaptativa, puesto que desvía el flujo lejos de la región no ventilada hada partes mejor ventiladas del pulmón. Por el otro lado, si la Po2 en alguna región del pulmón se toma mayor que la normal, los alvéolos en dicha región están siendo sobreventilados en relación con el flujo sanguíneo que pasa por ellos. Las arteriolas que drenan dichos alvéolos se dilatan. a fin de proporcionar un flujo adictonalquepueda recoger el oxígeno~ Nótese que la constrlcdón de Jai arteriolas pulmonares en respuesta a la baja Po2es lo opuesto a lo que oCurre en la drculadón sistémica ( l!li! p. 511). En la circulación sistémica, la disminución de la Po 2 de un tejido provoca la dilatadón de las arteriolas locales, aportando más sangre hada aquellos tejidos que están consumiendo oxigeno. Otro punto importante debe tenerse en OJenta aquí. Los mecanismos de control locales no son reguladores efectivos del flujo de aire y sangre en todas las drcunstandas. Si se bloquea el flujo sanguíneo en una arteria pulmonar, o si se bloquea el flujo de aire al nivel de las vías aéreas más grandes, las respuestas locales que desvían aire o sangre hada otras partes del pulmón no son efectivas, porque en tales casos ninguna parte del pulmón tiene ventilación o perfusión nonnal.

COMPOSIOÓN DEL GAS

SRONQU(OLOS

ARTERIOLAS PULMONARES

ARfERIOLAS SISTÉMICAS

Pco2 aumenta

Se di!atan

(Se contraen)*

~e

PCO:z disminuye·

Se contraen

(Se dilatan)

Se C!Jntra_en

PO¡ aumenta

{Se contraen)

Se dilatan

Se,ontraen

Po,_ disrilinuye

(Se dilatan}

Se contraen

Se dilatan

~La~ respuenas entre paréntei~ representa_n

respuestas débiles.

581

(a} La vefrtilaclón-en 10s al~éolos _Se:complementa _c_on la perfusión a través de los capilares pu!mor:tates.

1

. . .

!

(b~ Falta-d~ C~~~~Ó~ enke !a vel'ltifa_cl~~ Yla ~~~ó~ Si la ventilación disminuye en un grupo de alvéQ!os (azu~. la Peoz aumenta y la Pea d'ISmlnuye. la sangre que fluye por dichos alvéolos no se oxigena.

/

;S;I!!!f•VI S 1ó N f:~!lf:V 29. \:.J

Si un tumor pulmonar disminuye al mfnimo el flujo sangufneo en una pequeña pordón del pulmón, ¿qué le sucederá a la Po2 en los alvéolos de dicha porción y en el liquido intersticial que la rodea? ¿Qué le sucede a !a Pco2 en esa sección? ¿Cuál es fa respuesta com-

pensatoña de los bronquiolos en la perdón afectada? ¿la compensación llevará la ventilación nuevamente al nivel norma! en la sección afectada del pulmón nuevamente al nivel normal? Explique. Respuesta en !a p. 586

La auscultadón y la espirometría evalúan la ·tundón pulmonar La mayorla de las pruebas de fundón pulmonar son relativa~

{cf!.cls.,~_ls~-d~_co~Úócaf~n ~·mrujteherm::..·--· '; ~iT.Ei!aCI~~-e-~. ~~-~~ittflaC_lóñ Y!a_ ÍWjUS\ón:._''_.,,

La disminución de la Pea tisular alrededor de los alvéolos hipoventllados produce !a constricclón de sus arteriolas, desviando a la sangre a tos alvéolos mejor ventilados.

dilatan Au/o sangulneo desvladó hacia los alvéolos mejor

ventilados. 11 FIGURA 17~16 El control local complementa la vent#adón

y la perfusión

mente fáciles de realizar. La auscultación de los ruidos respiratorios es una importante técnica de diagnóstico en la neumonqlogía pulmonar, tal como la auscultadón de los ruidos cardiacos es una técnica importante en el diagnóstico cardiovascular ( i1i p. 486). Sin embargo, los ruidos respitatoños son más d.ifidles de in· teq>retar que los ruidos cardíacos, porque tienen un rango más amplio de vañadón nonnal. Normalmente, los ruidos respiratorios se distribuyen en forma pareja por los pulmones y se parecen al suave murmullo produddo por el aire. que fluye. Cuando el flujo de aire está reduddo, como en el neumotórax, los ruidos respiratorios pueden estar disminuidos o.ausentes. Dentro de los ruidos anormales hay sonidos como chirridos, chasquidos, silbidos y burbujeos causados por líquido y secreciones en las vías aéreas o en los alvéolos. La inflamación de la membrana pleural produce en un sonido crepitante y áspero conoddo como frote pleural. Está Causado por las membranas pleurales·inflamadas e hinchadas que se frotan entre si, y desaparece cuando el líquido las sePara nuevamente. Las enfermedades en las cuales está reducido el flujo de aire durante la espiración como resultado del estrechamiento de los bronquiolos se conocen como enfermedades pulmonares obstructivas. atando se les indica a los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva que exhalen forzadamente, el paso del aire a través de las vías aéreas inferiores estrechadas crea una sibilan-

1

582

Resumen del capítulo

Capítulo 17 Mecánica de la respiración

cia que puede escucharse aun sin estetoscopio. En función de la gravedad de la enfermedad, los bronquiolos pueden incluso colapsar y cerrarse aún antes de que se haya completado una espiración forzada, lo que reduce tanto la cantidad como la tasa de flujo de aire, que pueden medirse con un espirómetro. Dentro de las enfermedades pulmonares obstructivas están el asma, el enfisema y la bronquitiS crónica. A veces, las últimas dos reciben el nombre de enfermedad pulmonar obstructiva cr6nica (EPOC) debido a su naturaleza persistente, duradera o crónica. El asma es una enfermedad inflamatoria, asociada frecuentemente con alergias, que se caracteriza por broncoconstricdón y edema de las vías aéreas. El asma puede ser dt;Sencadenada por cl ejercido (asma inducida por el ejercido) y por cambios rápidos de la temperatura o humedad del aire inspirado. Los pacientes asmáticos padecen falta de aire y respiración dificultosa (disnea). La gravedad de los ataques de asma varía desde leve hasta riesgosa para la vida. Los estudios del asma a nivel celular muestran que hay una gran variedad de señales químicas que pueden ser responsables de la inducción de la broncoconstrtcdón-asmática, como la acetilcoli· na, la histamina, la sustancia P (un neuropéptido) y los leucotrienos secretados por mastocitos, macrófagos y eosinófilos. Los leuco-

inantener sus vi as aéreas tan abiertas como sea ¡)bSible.;·o·eiafortú:· nadamente, lonambÍos·j)U!mon~rei-qUe i1e-n~n !ugikéon: la EPo~ · no son reversibles, y necesitará tratamiento durante éfresto de su vida. Pe acuerdo cori la'AmeriCa~.Luflfi_AsSQ_~f_a_t_io~ (WvÍW._luhgu-.: sa.org),Ja. EPÓ( es: la_ cua!"!
~~EG~NTA

trienos son broncoconstrictores semejantes a lipidos que se liberan durante la respuesta inflamatoria. El asma se trata con medícamen. tos inhalatorios y orales que incluyen agoniStas de los receptores ~v agentes antiinflamatorios y antagonistas de leucotrienos.

RE-.VISIÓN --30. las enfermedades pulmonares restrictivas ( ifil p. 575) reducen la distensibi!idad pulmonar. ¿Cómo se modificará e! volumen de reserva inspiratorio en los pacientes que presenten una enfermedad pulmonar restrictiva?

31. La enfermedad pulmonar obstructiva crónica hace que los pacientes pierdan !a capacidad de realizar una exhalación completa. ¿Cómo se modifica e! volumen residual en estos pacientes? Respuestas en !a p. 586 Esto completa nuestro análisis de la mecánica de la ventilación. En el próximo capítulo pasaremos del flujo global de aire a la difusión y transporte de oxígeno y dióxido de carbono a medida que Se desplazan entre los espacios de aire de los alvéolos y las células del organismo.

-~e

.;e!_~ciOnadO; ust~:~_apr~ndi_6

En ,tema ióbfe·l_a enferrríedacr pulmonar. obstÍ1ictiya cróniia;~Ahoi-a; Verifique la_ co_mprensión de ·¡a fisio10Qfa en é!-p~oblema ~emparando sus i"espuestis_con !as · qUe ñgóian en ersígUie'nte" cuatlro;

EV!DENOAS. :··

. )NTEGAAcÍÓN'Y:ÁNAt.ls!5:);·

tQ_Ue eftdo. tí~f~e la _red~cCióti-dei: _t.á: réi~Mn ·entr~_:~~-rl;~¡_O_del tubP:_·Y _ia:res¡; ·__. ~~an~~-~~~eritá'iá:~~is~en~ici, '~¡_0t9anism~·d·e: diámetro__~_e lás~~ías a·ére~ e_n la·:, _ _ :~"-~j -~-!a ~js~a.·pa_~:--~~ Uu{o ~.e á_iré qUe pá.- ·~e utilizar ·más. éner9ra para generar un. flujo. resistenCia que éstas ofrecen -al ·_. _:r~_~Hiújo_?,e'_~_ngre:_:a_!ll~dida _qtied,ismiríuye flujo de· aire? · ·· ~1, rad.i_o_a~_.~!?r.t~ la:_re:s,istencia _( ii p; 463). ·

· ¿Por qué tieneri'!as peisonai ·(óri, · El hú_inOdeí éi9~iriuó par~l_íza_a !os (Jiios'qtre -- UiS b~cterias_ ati-apadas' en el_ mOCo pÚeden multiplicarse y~prodLidr infecciones .reSpiratorias: bronqUitis crónic3 ·una:tasa:ae iÓ·· __ barre_n_:l()s res,tos _ d=lu_Í~res Y_ ~J ,frloco hacia ;.:--: . feccione$ ~espira~Orias mayor (¡ue· .
.Jti~_~eré_-!_9úni1S~UloS:qUÉ!: ~tm~n .--:·_u··~Pira_~í~p :n·~~á:fa~~ild~:-d~!:;~t;ceso_ · :: . UJ~p_l_ ~~Cíóil. #)~d~:~~~~~~a:·a; i_o_s·rríúScu!Os _ili_, ios paci~n.tes cón:e!rfiséma para : '_ eÍáS:Íf~d de-I~S_r1;~sCÚ.JóS y'aéJ tejido.elástkó-eó 1étc_~_stallis.inte"mós y a _loS tnóSéil!os ábdominales.

· · :, '-.- ,.. · -{:/~ .4 ¿P9r'9U~ Edria- ~h~ Un: ;itientO -~~~bid~--~Ji-_EPót ~~:~~ri~t·s~_-~ó:)rle_ri_a_i";s _ 't< rel="nofollow">S _ni~~~~}ST~~~d~~-()XrQé_~~--~~~f_ia_l .1esenc~de- :. del h~matocríto}- · · · :'·._; ~ilia)tPrincipát·_éSifltlU_!O~_á,ra t_~·sr~Íés"is de·,· __.-~a-~_Ja.:~!~¡~·~,e ~~~~b~Iósf~i~s-~~icion_al~: _Est~' .·e 'exiia!
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583

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~ESUM~N DiEl CAI'!TUlO El proceso por el c.ual el aire fluye hacia y desde Jos pulmones es otro ejern· plo del principio de fluio de masas o flujo másico. Al igual que el flujo sanguí· neo, elllujo de aire requiere tma bomba para generar un gradiente de presión y enfrenta la resistencia proveniente principalmente de los cambios en el diámetro de los tubos a través de los cuales fluye. Las propiedades mecánicas de los sacos pleutales y !a retracdón elástica de la pared del tónx y del tejido pulmonar son esenciales para la ventilación normaL 1. El metabolismo aerobio en las células vivas consume oxígeno y pro. duce dióxido de carbono, (p. 559) 2. E! intercambio de gases requiere una superficie de intercambio extensa, delgada y húmeda; una bomba para movilizar el aire y un aparato circulatorio para transportar los gases hada las células. (p. 559) 3. Las functones del aparato respiratorio incluyen el intercambio de gases, la regulación del pH, la vocalización y la protecdón aiJ.te las SUS· tandas extrañas. (p. 559)

El aparato respiratorio Revisión anatómica 4. La respiración celular se refiere al metabolismo celular que consume oxígeno. La respitactón externa es el intercambio de gases entre la atmósfera y las células del organt<;mo. Comprende·a la ventilaCión, al intercambio de gases entre el pulmón y las c8ulas, y el transporte de gases en la sangre. La ventilación es el mcwimiento de aire hada y desde el interior de los pulmones. (pp. 559-560; Fig. 17·1) 5. El aparato respiratorio está compuesto por las estructuras anatómi· cas involucradas en la ventilación y el intercambio de gases.. (p. 560) 6. La vía aérea superior incluye la boca, la caVidad nasal, la faringe. y la laringe. La vía aérea inferior incluye la tráquea, los bronquios, los bronquiolos y las superficies de intercambió de los alvéolos. (p. 560; Fig. 17-Za) 7. La caja torácica está delimitada por las costillas, la columna vertebral y el diafragma. Dos grupos de músculos intercostales unen a las costillas. (p. 560; Fig. 17·2b) 8. Cada pulmón está encenado dentro de un saco pleural de doble pa· red que contiene una pequeña cantidad de liquido pleuraL (p. 560; Figs. 17-2d, 17-3) 9. Los dos bronquios principales entran en los pulmones. cada-bron· qulo principal se divide en bronquios progresivamente más pequeños y finalmente en bronq!Úolos que pueden coiaps
Las leyes de los gases Ventilación pulmonar 12. La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones de los gases individuales en la mezcla (Ley de Dalton). La presión par· ctal es la presión que aporta un gas Solo en una mezda. (p. 565; cuadros 17-1, 17-2) ·

13. El flujo global de aire se produce a favor de gradientes de presión, co-

molo hace el movimiento de cualquier gas individual que compone el aire. (p. 566} 14. La Ley de Boyle establece que, a medida que aumenta el volumen tUS· ponlble para un gas, la presión del gas disminuye. El cuerpo genera gradientes de presión mediante la modificación del volumen torácico. (p. 566; Fig. 17~5)

La venti/adón Ventilación pulmonar 15. El vohunen corriente es la cantidad de aire que se toma durante una inspiración normal. La capacidad vital es el volumen corriente más los volúmenes de reserva espilatorlo e inspiratorio. El volumen de aireen los pulmones al final de la espiración máxima es el volumen residual. {p. 567; Fig. 17-7) 16. El aparato .respiratorio superior filtra, calienta y humidifica el aire inhalado. (p. 568) 17. El flujo de aire en el aparato respiratorio es directamente proporcional al gradiente de presión y está relacionado de manera inversa con la re· siStencta al flujo de aire que ofrecen las vías aéreas. (p. 569) 18. Un ciclo respiratorio consiSte en una inspiración y una espiración. (p. 570} 19. Durante la inspiración, la presión alveolar disminuye, y el aire fluye hada los pulmones. La inspiración requiere la contracción de los músculos lnsplratorios y del diafragma. (p. 570; Fig. 17-9) 20. La espiración es generalmente pasiva, resultado de la retracdón elás· tica de los pulmones. (p. 572} 21. la espiración activa requiere la contracción de los músculos intercostales internos y de los músculos abdominales. (p. 572) 22. Las presiones intrapleurales son siempre subatmosférlcas porque la cavidad pleutal es un compartimento sellado. (p. 572; Fig. 17-11) 23. La distensibilidad es la facilidad con la que .re expanden la pared del tórax y los pulmones. La pérdida de diStensibllidad aumenta el trabajo respiratorio. La elasticidad o clastanda es la capacidad de un pul· món estirado de retomar a su volumen normal. (p. 574} 24. La sustancia tensioactiva o surfactante disminuye la tensión super-

ficial del liquido que recubre a los alvéolos. Esto evita que colapsen los-alvéolos más pequeños. (p. 575; Fig. 17-13) 25. El diámetro de los bronquíolos determina cuánta resistencia ofrecen éstos al flujo de aire. (p. 576) 26. Un aumento de C02 en el aire espirado dilata los bronquiolos. Neuronas parasimpáticas producen broncoconstricción en respuesta a los estímulos irritantes. No existe inervación simpática significativa de los bronquiolos, pero la adrenalina produce broncodllatactón. (p. 576; cuadro 17.J) 27. Ventilación pulmonar total "' volumen corriente x frecuencia respiratoria. Ventilación alveolar"' frecuencta respiratoria x (volumen corriente- volumen del espado muerto). (p. 577; Flg. 17-14} 28. La compoS!ctón del gas alveolar se modifica muy poco durante un d· do respiratorio normal. La hiperventiladón aumenta la Po2 alveolar y disminuye la Pco2 alveolar. La hipoventilación tiene el efecto opuesto. (p. 578¡ Fig.17-1S) 29. El flujo de aire está en correspondencia con el flujo sanguíneo alrededor de los alvéolos por medio de mecanismos locales. Los niveles aumentados de Co2 dilatan los bronquiolos, y la disminuctón del 0 2 produce la constricción de las arteriolas pulmonares. (p. 579; Hg. 1716, cuadto 17.6)

1

584

Respuestas

Capítulo 17 Mecánica de !a respiración -=•-"=<=--==·"oo=~.='-"-'~--===-~--=--=

-·--·

•.

.

-~-"c-.-~_,__.. =~==-· .-.=~·"''·,.,._,-.,,..,.._,===~-""'=~---'=-·""''~'==

Pll~GUII!TAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. I!n.mnere roatro funciones del aparato respiratorio. 2. Dé dos definiciones del término respirad6n, 3. ¿Qué grupos de músculos se utilizan pata la inspiración de reposo

normal? ¿Y para la espiración de reposo normal? ¿Thl qué tipo(s) de músculo son los diferentes músculos respiratorios (esquelético, cardíaco o liso)? 4. ¿Cuál es la función del üqU!do pleural? 5. Nombre las estructuras anatómicas por las que pasa una molécula de oxígeno en su camino desde la atmósfera hada la sangre. 6. Realire un diagrama de la estructura de un alvéolo, e indique la fun. ctón de cada parte. ¿Cómo se asocian· los capilares con los alvéolos? 7. Dibuje la ruta de la ctrruladón pulmonar. ¿Cuánta sangre hay aqW en cualquier momento dado? ¿Cuál es la presión arterial típica para el circuito pulmonar, y cómo se compara dicha presión con la de la circulación sistémica? 8. ¿Qué le sucede al aire Inspirado a medida que es: acomfictonado durante su paso a través de las vías aéreas? 9. Durante la inspiración, la mayor parte del cambio en el volumen torácico es el resultado del movimiento del---. 10. Describa los cambios de la presión atveol¡¡r e inttap!eural durante un ctdo respiratorio. 11. ¿Cuál es la función de Jos tensioactivos en general? ¿Y en_el aparato respiratorio? 12. De los tres factores que contribuyen a la resistencia al flujo de aire a través de un tubo, lcuái desempeña el papel más importante en la modifi. cación de la resistencia en el aparato respiiatorlo del ser humano? 13. Relacione los siguientes ítems con su efecto conecto sobre los bronqWolos: l. broncoconstricctón a) histamina 2. broncodilatact6n b) adrenalina 3. sin efecto e) acetilcolina d) -Pco2 aumentada 14. Sobre el esplrograma, indique: a) volumen corriente {Ve;), volúmenes de reserva inspiratoriO y espiratoriO {VRI y VRE), volumen residual (VR), capacidad vital, capacidad pulmonar total. b) ¿Cuál es el valor de cada uno de los volúmeries y capacidades que indicó? e) ¿Cuál es la fr&uencia respiratoria del individuo?

1

4

'

3

Volumen

V"'"'l

¡

<---¡

_i/ \1 V \1, ·¡ 1

2

V\!

o

"'

---po---~

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEI'l'OS 15. IncotpQre los siguientes términos en un mapa conceptual de la ventilación. Ut!llce flechas hada arriba, hada abajo, símbolos mayor{>) y menor (<) como modificadores. Puede agregar términos adicionales. músculos abdominales músculos inspiratorios ·

flujo de aire intercostales internos se conttaen P11 diafragma Patn músculos espiratorios Pirumkllr
24. El surfacta_nte pulmonar ¿aumentará, disminuirá o no cambiará los si·

guientes írems? a) trabajo requerido para respirar b) distens!bilidad pulmonar e) tensión superficial en los alvéolos

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS ZS. Suponga que una mujer normal tiene un voltunen _corriente en reposo de 400 mL,. una frecuencia respiratoria de 13 respiraciones{mln y un espado muerto anatómico de 125 mL. Cuando realiza ejercido, ¿cuál de las siguientes situaciones será más favo~ble para lncremen· tat su aporte de oxígeno a los pulmones? a) amnento de la frecuencia respiratoria a 20 respiractones/min pero sin afectar el volumen corriente · b) amnento del volmnen corriente a SSO mL pero sin cambios en la frecuenCia respiratoria. e) aumento del voltunen corriente a 500 mL y de la frecuencia respiratoña a 15 respiractones/min. ¿Cuál de estas situaciones es probable que suceda durante el ejercido en la VIda real? 26. Una programadora de ordenadores de 30 atlos ha padecido de asma durante 15 años. Cuando se acuesta por la noche, tiene períodos de sibilandas y tos. Alo largo de los atlas, ha descubierto que puede res· pirar mejor si duerme en posición de sentada casi vertical, En el exa· men médico, su doctor detecta que tiene un tórax agrandado. Sus pul· mones están hiperinSutlados en la inspección por rayos X. Se pí:esentan aqW los resultados del examen y de las pruebas de función pulmonar. Utilice los valores normales y las abreviaturas de la figura 17-7 para responder las preguntas. FrecuenCia respiratoria: 16 respiraciones/min Volumen comente; 600 mL VRE: IOOOmL VR:

3500mL

Capacidad lnspiratoria: 1 800 mL Capacidad vital: 2 800 mL Capacidad residual fundonal: 4 500 mL Capacidad pulmonar total: 6 300 mL Luego de la admlnlstradón de un broncodilatador, su capacidad vital amnentó a 3 650 mL. a) ¿Cuál es su volumen minuto? b) Explique el cambio de la capacidad vital con broncodilatadores. e) ¿Qué otros valores son anormales? ¿Puede explicar por qué Podrían serlo, dada la historia de la paciente y los hallazgos?

585

28. Usted dispone de una mezcla de gases en aire seco, con una presión

atmosférica de 760 mm Hg. Calcule la presión pardal de cada gas si !a composición del aire es: a) 21% OXÍgetlo, 78% nitrógeno, 0,3% dióxido de oubono b) 40% oxígeno, 13% nitrógeno, 4S% dióxido de carbono, Z% hi· drógeno e) 10% oxígeno, 15% nitrógeno, 1% argón, 25% dióxido de carbo· no 29. Lía es una mujer pequeña, con un volumen corriente de 400 mL y una frecuencia respiratoria de 12 respiraciones por minuto en reposo. ¿Cuál es su ventilación pulmonar total? justo antes de un examen de fisiología, su ventilación se incrementa a 18 respiraciones por minuto debido al nerviosismo. ¿CUál es ahora su ventilación pulmoriar total? Suponiendo que su espacio muerto anatómico es de IZO mL, ¿cuál es su ventilación alveolar en cada caso? 30. Usted obtuvo los siguientes valores de su compafiero de dase Nelson. Volumen minuto"' 5004 mL/mln Tasa respiratoria = 3 respi.radones/15 s Capacidad vital =4 800 mL Volumen de reserva espiratorio =1 000 mL ¿Cuáles son el volumen comente y el vo!mnen de reserva !nspiratorio de Nelson? 31. Utilire las ilustraciones que se presentan más abajo para resolver este problema Un espirómetro con un volumen de !litro (V1) se llena con una mezcla de oxígeno y helio, siendo la concentración de helio de 4g!L (C¡). E! helio no se desplaza desde los pulmones hacia la sangre ni de la sangre a los pulmones. Se le indica a un JndMduo que elimine todo el aire que pueda. Una vez que conCluye esa exhaladón, su volumen pul· monar es Vz· Entonces, se coloca el tubo del espirómetro en la boca y respira en reposo durante varias respiraciones. Al tenninar dicho tiempo, el helio está disperso regularmente en el espirómetro y en los pulmones del individuo. Una medición muestra que la nueva concentración de helio es de 1,9 giL. ¿Cuál era el vo!mnen pulmonar del individuo al Inicio del experimento? (Sugerencia: C¡V1 =C¡_V-)

c$> CI!;Ii!

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALiTICOS 27, Un recipiente de gas con un pistón móvil tiene un volmnen de so6 mL y una presión de 60 mm Hg. Se mueve el pistón, y la nueva presión es de 150 mm Hg. ¿Cuál es el nuevo volumen del recipiente?

~~~~~~~~~~~~~"'

--·

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RESPUESTAS

ti' Respuestas a las preguntas de revisión Página561 1. La respiración celular es Intracelular y utiliza 0 2 y sustratos orgánicos para ptoduclr ATP. la respiración externa es el intercambio y transporte de gases entre la atmósfera y las células. · Z. La vía aérea superior incluye la boca, la cavidad nasal, la faringe y la laringe. La vía aérea inferior incluye la tráquea, Jos bronquios, los

bronquíolos y la superficie de intercambio de los pulmones. 3. La velocidad es máxima en la tráquea y mínima en los bronqWolos. 4. E! líquido pleural reduce la fricción y mantiene a los pulmones adherjdos a la pared del tórax.

S. La caja torácica está compuesta por las costillas con sus músculos intercostales, la columna vertebral y el diafragma El tórax contiene dos pulmones en los sacos pleurales, el corazón y el saco pericárdico, el esófago y los vasos sanguíneos principales. 6. Los bronquiolos son colapsables. Página 564

7. El flujo sanguíneo es igual en el tronco pulmonar y en la aorta. 8. La presión hidrostátlca aumentada produce una mayor filtración neta hada afuera de los capllares y puede provocar edema pulmonar. 9. Presión media =8 mm Hg+ 1{3(25 -8) mmHg:8 + 17{3 mm Hg= 13,7mm.Hg.

1

586

Capítulo 17 Mecánica de !a resplración

Página 566

10. 720 mm Hg x 0,73"' 562 mm Hg Página 568 11. Las capacidades pulmonart:s son la suma de dOs o más volúmenes

pulmonares. 12. El volumen residual no puede medirse directamente. 13. Si a! envejecer los individuos tienen capacidad Vital reducida al tiempo que no se mo
crementarse el volumen residuaL Página 569 1
15. Si los cilios no pueden moviliZar el moco~ el moco acumulado desen· cadenará el reflejo de tos para que pueda ser eliminado. Página 570 16. El flujo de aire invierte su dirección durante un ciclo respiratorio, mientras que la sangre fluye en un bucle y nunca invierte su dUec· ctón. 17. Véanse las figuras 17-Zd y 17-3. Los pulmones están encerrados en un saco pleural. Una hoja de la membrana pleural se adhiere al pulmón, y la otra hoja recubre la caja torácica. El líquido pleural llena el saco pleural. Página 572 18. Scarlett tendrá más éxito Si exhala profundamente, ya que esto dísmi· nuirá su volumen torácico y empujará rus costillas inferiores hada adentro. 19. La incapacidad de toser disminuye !a posibilidad de expulsar e! material potencialmente dañino atrapado en el moco de las vías aéreas. Página 574 20. El hipo produce una rápida disminución de la presión intrapleural y de la presión alveolar. 2Ll.a herida de cuchillo haría colapsar al pulmón izquierdo si el cuchillo perforó la membnma pleural. la pérdida de adhesión entre el pulmón y !a pared del tórax liberarla la presión hacia adentro ejercida sobre la pared torácica., y las costillas se expandirían hacia afuera. El lado derecho no se verla afectado, ya que el pulmón derecho está contenido dentro de su propio saco plemal.

Pá.,<>ina 577 22. Normalmente, !a dlstensibilidad del pulmón y de !a pare
contribuyen más a! trabajo respiratorio. 23. El tejido cicatriza! reduce la distensibilidad pulmonar. 24. En ausencia de sustancia tensloactiva aumenta el trabajo respiratorio. 25. Cuando disminuye el diámetro bronquiolar aumenta la resistenti«. 26. El neurotransmisor es la aceti!colina, y el receptor es muscarínico. Página 580 27. El mayor volumen corriente incrementa la Po, alveolar. 28. La frecuencia respitatoria aumentada incrementa la Po 2 alveolar. El aumento de la frecuencia respiratoria o del volumen corriente produce un aumento de la ventHación alveolar. Página 581 29. La Po2en los alvéolos de la sección afectada aumentará, porque e! 0 1 no está abandonando los alvéolos. la Pco, disminuirá porque el CO, nuevo no está ingresando a los alvéolos desde la sangre. Los bron: quío!os sufren una constricción cuando disminuye la Pco2 (véase e! cuadro 17·6) y desvían el aire hacia las áreas del pulmón que presentan mejor flujo sanguíneo. Esta compensación no puede restaurar la ventilación norma! en esta porción del pulmón, y el control local re· sulta insuficiente para mantener la homeostasis. Página582 30. El volumen de reserva inspiratorio disminuye. 31. E.l volumen residual aumenta en los pacientes que no pueden exhalar completamente.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página 571 Fig. 17-11 La presión alveolar es máxima en la mitad de la :::.piración y mínima en !a mitad de la inspiración. Resulta igual a la presión atmosfe. rica al inido y al final de la inspiración y de la espiración. Cuando el volumen pulmonar es mínimo, la presión alveolar está (e) moviéndose desde el máximo hacia el mínimo y la contracción de los músculos intercostales es {b) mínima. ·

Intercambio y transporte de gases Difusión y solubilidad de los gases 589

La solubilidad de los gases en un líquido depende de !a presión, la solubilidad y !a temperatura

Intercambio de gases en los. pulmones y en íos tejidos 591 592

La disminución de la Po 2 alveolar reduce la captación de oxígeno a nivel pulmonar Los cambios en la membrana alveolar alteran el íntercambio de gases

Transporte de gases en la sangre 593 la hemoglobina transporta la mayor parte del oxígeno a los tejidos 595 Una molécula de hemoglobina une hasta cuatro de oxígeno 596 la unión del oxígeno a la hemoglobina obedece a la ley de acción de masas 596 La Po 2 determina la unión entre oxigeno y hemoglobina 597 la unión de! oxigeno se expresa como porcentaje 598 La temperatura, el pH y los metabolitos afectan la unión del oxígeno a la hemoglobina 599 El dióxido de carbono se transporta de tres maneras

Regulación de la ventilación 602 604 607 607

las neuronas del bulbo raquídeo controlan la respiración El dióxido de carbono, el oxígeno y el pH influyen en la ventilación los reflejos protectores resguardan a los pulmones los centros cerebrales superiores afectan los patrones de ventilación

INFORMACIÓN BÁSICA Epitelio de iOtercanlbio: 73; PH y soluciones_ reijt.lf<Ídoras:_ 38; leY de ac~ión ·de_·masas: 39; Uquicio cefalori-aquídeo: 296; Difusión simple: 133_; Neuronas motoraS autónomas y somáticas: 379; Estructura del tronco encefálico: 305; Hematíes y hemoglobina: 542; Barr.era hematoencefálíca: 299 -

S8U

Intercambio de gases en los· pulmon~:S y en los tejidos

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases (a) Estado iolcial: no hay

Oz en solución

{b)B oxigeno se disuelve.

(e) En el equilibrio, la P02 en el aire y en el agua se igualan. La baja solubllldad de! 0 2!m¡jllca que !as concentraciones no son iguales.

589 ·

{d) Cuando el C02 está en equilibrio

a la misma presión parcial, se disuelve más cantidad.

En 1981. un grupo de 20 fisiólogos, médicos y escaladores, apoya: dos por 42 sherpas formaron ta Expedición EstadOÚnidénse ce. -lnvéstigadón Médica al Monte Everest El objetivo de eSta_expedi~ dón eia estudiar la fuio!ogla humana a altitudes extremas, co-menzando con el campamento de la base a 5 400 m y tontinuan· do hasta la cima a 8 850 m. A partir del trabajo de estos y otros dent1fiCOs, tenemos hoy una buena _imagen de la flsiologla de aclimatación a la altitud.

j}

el FIGURA 18-2 Comportamiento de los gases en sóludón

IJé¡;[,,,,¡{,ú{ ,,,,

El libro Into Thin Air de]on Kr~Uer relata una expedición fa. llida a la cima del Monte Everest. Para llegar a ella, los escaladores deben pasar por una "zona de la muerte" ubicada a unos 8 000 metros de altura. De las miles de personas que han in-rentado. llegar, sólo unas 2 000 han tenido éxito, y más de 185 fallecieron. ¿Cuáles son los desafíos fisiológicos de fs'calar el Monte Everest (8 850 ffi), y por qué fueron necesarios tantos años antes de (¡_ue los seres humanos pudieran alcanzar la cima? La falta de oxígeno a máximas altitudes es parte de la respuesta. En el capítulo anteñor analizamos los mecanismos de la respiración, los eventos que producen el flujo de aire hada adentro y hacia afuera de Jos pulmones. En este capítulo nos abocaremos a los dos gases que son más importantes en fisiología, oxígeno y dióxido de carbono, y veremos cómo se mueven entre los espacios aéreos alveolares y las células del cuerpo. El proceso puede dividirse dos componentes: el intercambio de gases entre compartimentos, que hace necesaria la difusión a través de membranas celulares, y el transporte de gases en la sangre (Fig. 18-1 Bf).

Cuando la temperatura es constante, la cantidad de un gas que se disuelve en un lfquido depende de su solubllidad y de !a presión ¡jarcia! del gas.

La solubilidad de los gases en un liquido depende de la presión, la solubilidad y la temperatura

18-1 Resumen del intercambio y transporte del oxígeno y el dióxido de carbono Los gases llegan a la sangre y la abandonan en los capilares pulmonares {pasos 1 y 6) y en los capilares sistémicos (pasos 3 y 4).

~FIGURA

en

DIFUSIÓN Y SOLUBILIDAD DE LOS GASES La difusión simple del oxígeno y el dióxido de carbono a través de las capas celulares (entre los alvéolos Ylos capilares pulmonares, o entre los capilares sistémicos y las células) obedece a las reglas de la difuSión simple a través de membranas, que se resume en la Ley de di(usi6n de Fick ( im p. 135):

velocidad de Qifusión oc superfide x gradiente de concentración x permeabilidad de·membrana 1grosor de la membrana Si damos por sentado que la permeabilidad de la membrana es constante, entonces tres factores influyen en la difusión en los pulmones: l. El área de la superficie. La velocidad de difusión es directa-_

mente proporcional a la superficie disponible.

2. El gradiente de concentracWn. La velocidad de difuSión es directamente proporcional al gradiente de concentr~ción de la sustancia que está difundiendo. 3. El grosor de la membrana. La velocidad de difusión es inversamente proporcional al grósor de la membrana. Se puede agregar una cuarta influencia, a partir de las reglas generales de la difusión: la áistanda de 4i(usión; es más rápida cuando la distancia es más corta. · En la mayoría de las circunstancias, la distanda de difusión, el área y el grosor de la membrana son cOnstantes en el organismo, y están optimizadas para facilitar la difusión. Por lo tanto, la variable más importante para el intercambio de-gases en la fisiología normal es el gradiente de concentración. Cuando en fisiología pensamos en concentraciones, vienen a nuestra mente unidades como moles por litro o miliosmoles por litro. Sin embargo, los expertos en fisiología de la respiración usan generalmente las presiones pardales para expresar las concentraciones de los gases en sOlución. Esta medida permite una comparación dll:ecta con las presiones pardales de los gases en el aire, que son importantes para establecer si hay un gradiente entre los alvéolos y la sangre.

Cuando se coloca un gas en contacto con agua y hay un gradiente de presión, las moléatl.as del gas se mueven de una fase a la otra. Si la presión del gas es mayor en el agua que en la fase gaseosa, entonces sus moléculas abandonan el agua. Si la presión del gas es mayor en la fase gaseosa que en el agua, entonces sus moléculas se disuelven en el agua. El movimiento de las moléculas de gas desde el aire hacia el líquido es directamente proporcional a tres factores: 1) el gradiente de presión del gas,_ 2) la solubilidad del gas en el líquido y 3) la temperatura. Como la temperatura es relativamente constante en los mamífeios, no tendremos en cuenta su influencia en este análisis. La facilidad con la cual un gas se disuelve en un líquido es su solubilidad en éL Sí-un gas es muy soluble, un gran núméro-de moléculas entrarán en la solución a una presión pardal baja del gas. Con los gases menos solubles, aun una presión pardal eleva-. da puede lograr que sólo unas pocas moléculas se disuelvari en el líquido. Por ejemplo, considérese un redpiente de agua expuesta al aire con una Po2 de 100 mm Hg (Fig. 18--2a 9). Inicialmente, el agua no tiene oxígeno disuelto en ella {Po2 del agua= Omm Hg). A medida que el aire permanece en contacto con el agua, algunas de las moléculas de oxígeno en movimiento difunden dentro del agua y se disuelven (Fig. 18-Zb). Este proceso continúa hasta que se alcanza el equilib~o. En el equilibrio (Fig. 18-2c), la entrada del oxígeno al agua es igual a la salida de oxígeno hacia el aire. Nos referimos a la cantidad de oxígeno que se disuelve en el agua a cualquier Po2 como la presi6n pardal del gas en solud6n. En nuestro ejemplo, por lo tanto, si el aire tiene una Po2 de 100 mm Hg, en el equilibrio el agua tendrá también una Po2 de 100 mm Hg. Nótese que esto tw significa que la concentración de oxígeno sea la misma en él aire que en el agua. La concentración del oxígeno disuelto depende también de su salubilidtul en el agua. Por ejemplo, -cuando la Po2 es de 100 mm Hg tanto en el agua como en el aire, la concentración del oxígeno en el aire es de 5,2 mmol Oz!L, pero la concentración de oxígeno en el agua es de solamente O,;tS mmol 0 2/L (Fig. 18-2c). Como puede~· el oxígeno no

es muy soluble en el agua ni, por ende, en cualquier soludón acuosa. Su baja solubilidad es una de las razones para la evolución de las moléculas que lo transportan en la solución acuosa que llamamos sangre. Compárese ahora la solubilidad del oxígeno con la del C02 (Fig. 18-Zd). El dióxido de carbono es 20 veces más soluble en el agua que el oxígeno. A una Pco2 de 100 mm Hg. la concentración de C02 es de 5,2 mmol/L de aire, y de 3,0 mmol/L de agua. De esta fonna, aunque la Po2 y la Pco2 sean ambas de 100 mm Hg en el agua, la cantidad disuelta de cada gas es muy diferente. 6 ,R,e(\fl S 1 ó N

!ff.it§}'11. Una solución salina se expone a una mezcla de gases :t»'~'

nitrógeno e hidrógeno en la cual PH 2 "' PN 2• ¿Qué in· formación ne<:esita para predecir si se disuelven cantidades iguales de~ y N2 en la solución? 2. Sí el nitrógeno constituye el 78% de! aire de !a atmós· fera, ¿ruá! es su presión pardal cuando !a presión at· mosférica es de 720 mm Hg? 3. Diga si es verdadero o falso: el plasma con una Po2 de 40 mm Hg y una Pco2 de 40 mm Hg tiene concentradones iguales de oxfgeno y dióxido de carbono. Respuestas en !a p. 612

INTERCAMBIO DE GASES EN LOS PULMONES Y EN LOS TEJIDOS Las leyes de los gases establecen que cada gas fluye desde las reglones con elevada presión pardal hacia regiones con menor presión parcial, y esta regla rige el intercambio de oxígeno y de dióxido de carbono en los pulmones y los tejidos. La Po2 alveolar normal es de 100 mni Hg (Fig. Hi-3a m). La Po2 de la sangre venosa sistémica que llega a los pulmones es de 40 mm Hg. moxígeno por lo tanto se mueve siguiendo su gradiente de presiones parciales (o conc~tradón) desde el alvéolo a los capilares. La difusión avanza hasta el equilibrio, y la Po2 de la sangre arteñal que abandona los pulmones es la misma que la de los alvéolos: 100 mm Hg.

1

Intercambio de gases en los· pulmones y en !os tejidos 590

{a) D"lfuSión de! oxígeno

{b) Difusíón del

~

1

TIPO

DEFINIOÓN

CAUSAS TÍPICAS

Hipoxia hipóxica

Baja Po1 arterial

Altitud elevada; hipoventifación alveolar; dlsminución de la capacidad de difu· sión en el_ pulmón; refadón anormal entre ventilación y perfusión

Hipoxia anémica

Disminución del 0 2 total unido a la hemoglobina

Pérdida de sangre; anemia (baja {Hbl o alteración en la unión Hb01); intoxica· cJ?n por monóxido de carbono

Hipoxla Jsquémica

Reducción del flujo sangufneo

Insuficiencia cardiaca {hipoxla en todo el organismo); shock {hipoxia periférica)¡ trombosis {hipoxia de un solo órgano)

Hipoxia histotóxica Incapacidad de las células de utilizar ei 0 2 debido a la acción de tóxicos

!ntoxicadón con cianu_ro u otros tóxicos metabólicos

S IÓN Revisión del metabolismo celular. ¿cuáles de las vfas metabólicas (glucó!isis, cido del ácido cítrico y sistema de transporte de electrones) se asocia dírectamente con a) el consumo de 0 2 yb) la producción de COl-

5. ¿Por qué el movimiento de oxigeno desde e! alvéolo al plasma no disminuye la Po2 del alvéolo? Respuestas en la p. 612

Té¡ldo periférico

Te)tcio periférico

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(b) -Enflsema"i la deshUcclón de los a!véolós

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0 FIGURA 18w3/ntercambio de gases en Jos alvéolos y las células Los g.lses difunden siguiendo sus gradientes de presiones pardales {concentraciones).

CUando la sangre arterial llega a los capilares de los tejidos, el gradiente se invierte. Las células están utilizando continuamente oxígenO para la fosforilación oxidativa, En las células de una persona en reposo, la Fo2 intracelular es en promedio de 40 mm Hg. La sangre arterial que llega a ellas tiene una Fo2 de 100 mm Hg. Como la Po2 es menor eri las células, el oxígeno d~de siguiendo su gradiente de presiones pardales desde el plasma hada las células. Una vez más, la difusión continúa hasta llegar al equili- · bño, y coirio reSultado la sangre venosa tiene la misma Po2 que las células por las que pasó. · Por el contrarlo,la Po2 es mayor en los tejidos que en la sangre capilar sistémica, debido a su producdón-dmante el metabolismo (_Fig. 1S.3b). La Po2cclular de i.tna persona en reposo es de unos 46 mm Hg, en colnparadón con la Pco2 del plasma arterial de 40 mm Hg. El gradiente hace que el C02 q¡funda desde las células hada los capilares. La difusión avanza hasta el equilibrio, y la sangre venosa sistémica tiene en promedio una Pco2 de 46 mm Hg. En los capilares puimQnares, el proceso se invierte. La sangre venosa que trae COz de desecho de las células tiene una Pcoz de 46 mm Hg. La Pco alveolar es de 40 mm Hg. Como la Pco2 es mayor 2 en el plasma, el gas se mueve desde los capilares hada los alvéolos. Cuando la sangre abandona los alv~los, tiene una Pco2 de 40 mm Hg, ~a la de éstos (Fig. 18-3b). El cuadro 18-U!i resume las presiones pardales arteriales y venosas que hemos comen_tado. Si la difusión de los gases entre los alvéolos y la sangre está ~ig· nificativamente deteriorada se produce una hipOxia (un estado de

:1

591

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

déficit de oxígeno). La hipúxia frecuentemente, aunque no siempre, va de la mano de la hipercapnia, concentración elevada de dióxido de carbono. Estas dos alteraciones son signos clinicos, no enfermedades, y los médicos deben obtener más información pa· ra descubrir su causa. En el cuadro 18:2 5I se enumeran varios ti· pos de hipoxia y algunas de sus causas típicas. Tres categorías de problemas dan como resultado i.ma dismi· nución del contenido de oxígeno arterial: 1) cantidad inadecua· da de oxígeno que llega a los alvéolos, 2) problemas en el intercambio de oxígeno entre los alvéolos y los capilares pulmonares y 3) transporte inadecuado de oxígeno en la sangre. Considerare· mos estos temas en las siguientes secciones.

ARTERIAL

VENOSA

Po,

95 mm Hg {85-100)

40mm Hg

""'

40 mm Hg (3545)

46mm Hg

7,4 (7,3_8-7,42.)

7$1

pH

~:JiiJ·

La disminución de la Po2 alveolar reduce la captadón de oxígeno a nivel pulmonar El primer requerimiento para que la cantidad de oxígeno que llega a los tejidos sea adecuada es una buena captación desde la atmósfera, la cual se refleja en la Poz de los alvéolos.. Una dismi· nudón de la Po2 alveolar hará que menos oxigeno llegue a la san· gre. Hay dos causas posibles de reducción de la Poz alveolar: a) que el aire inspirado tenga un contenido de oxígeno anomlalmente bajo o b) que la ventilación alveolar sea inadecuada. El principal factor que afecta el contenido de oxígeno d~ aire· inspirado es la altitud. La presión parcial del oxígeno en el aire ¡fu.. minuye junto con la presión atmosférica total a medida que nos movemos del nivel del mar (donde la presión atmosférica normal es de 760 mm Hg) hada altitudes mayores. Por ejemplo, en Denver, ubicada a 1 609 m sobre el nivel del niar, la presión atmosférica es de unos 628 mm Hg. La Po2 del aire sero en Denver es de 132 mm Hg, a diferencia de los 160 mm Hg a nivel del mar. · Pero a menos que estemos viajando la altitud pennanece constante. Si la Po2 alVeolar es baja pero la composición del aire inspirado es normal, entonces el problema se encuentra en la ventilación alveolar. La ventilación alveolar baja se conoce como hipaventilaci6n y se caracteriza por una disminución en la llegada de aire .fresco a los alvéolos. Los factores patológicos que causan hipoventiladón alveolar (Fig. 18-41'1) incluyen la disminución de la función pulmonar {fibrosis¡ Fig. 184c), el aumento de la resis· tenda de las vías aéreas (asma; Flg. 18-4e} y las sobredosis de algunas drogas (p. ej., el alcohol) que deprimen al sistema nervio-so central y disminuyen la frecuencia y profundidad de las respi· raciones.

PO:¡ normal o baja

~Po,beje (e) Enfermedad fibrótica del pulmón: el engro-:i

sam!ento de la membrana alveolar enlentece f el intercambio de gases. la pérdlda de d"!S· ¡ tenslbilidad del pulmón puede reducir la ven-~ lilacfón alveolar. '

jl Po,OO<m.Obeje ~Po,beje (d} Edema pulmonar. el liquido en el espacio 1nterstrclal aumenta la distancia de difusión. la P~ -orterial puede ser normal debido a la mayor solubiüdad del C02 en el agua

.

e·~·. ~· ; ~.·s,,..o;,,, , .\• · .

;nt"""'b;o """"" P~ normal

;>. :::,~:_ Di~~:difusiónaumentada

(e) AsiDa: el'áuinento de la i'eSlsiencla de las vfas aéreas d"ISmlnuye la ventila<:ión en eUas.

k"-Constricckín de !os bronquiolos

~:::. m FIGURA 18-4 Enfermedades en las que se reduce la venti-

ladón alveolar y el intercambio de gases

1

592

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

TranspOrte de gases en la sangre

593 ·

exceso en el espado intersticial, formándose el edema pulmonar. En los casos _más graves, el liquido incluso se filtra a través de la membrana alveolar, acumulándose en el interior de los alvéolos. El oxígeno tiene baja solubilidad en los líquidos corporales, y tarda más en cruzar la distancia de difusión aumentada en el edema pulmonar; el resultado es una disminudón de la Po 2 arteriaL El dióxido de carbono, por el contrario, es relativamente soluble en estos líquidos, por lo que el aumento de la distancia de difusión puede no afectar significativamente su intercambio. En algunos casos de edema pulmonar, la Po2 arterial es baja pero la.Pco2 es normal, debido a la solubilidad diferente de ambos gases.

·"l Rg:Í)Ú 1Ó N

\{(j(,r;.-""7. ¿Por qué la insuficiencia ventricular izquierda o la ai~Y

teración de la válvula mitra! causan aumento de la presión arterial pulmonar? 8, Si aumenta la ventilación alveolar; ¿qué ocurrirá con la

POz arterial, la Pe<>¿ arterial, la Po1venosa y la Pco2venosa? ExpliqJle su respuesta. Respuestas en la p. 612

TRANSPORTE DE GASES EN LA SANG~E

éff

'~;o¡iVISIÓN

-,:..;__ ;;.·-· 6. En !a cima del Monte Everest, ron una altitud de 8850 m, ~7 la presión atmosférica es de solamente 250 mm Hg.

¿Cuál es la Po2 del aire atmosférico seco en ese lugar? Si el vapor de agua que se agrega al aire inhalado en la cima tiene una presión parcial de 47 mm Hg, ¿cuál es la Po2 del aire inhalado cuando llega al alvéolo? Respuesta en la p. 612

Los cambios en la membrana alveolar alteran el inteicambio de gases En las situadones en las cuales la composición del aire que llega a los alvéolos es normal pero la Poz de la sangre arterial que sale de los pulmones es baja, se encuentra alterado algún aspe~o del proceso de interca;mbio entre los alvéolos y la sari.gre. La trañsferenda del oxígeno de los alvéolos a la sangre requiere la difu. sión a través. de la barrera creada por las células alveolares de tipo I y por el endotelio capilar (Fig. 18;5 m,. Normalmente, la distancia de difusión es baja porque las células son delgadas y existe pocó o ningún liquido intersticial entre las dos capas celulares. Además, eJ oxigeno y el dióxido de carbono son solubles· tanto en agua como en lfpidos. El intercambio de gases en los pulmones es rápido, el flujo de sangre en los capilares pulmonares es lento, y la difusiOn alcanza el equilibrio en menos de 1 segundo. Los cambios patológicos que afectan negativamente el intercambio de gases son: 1) la disminución del área de la superficie alveolar disponible para el int~rcambio, 2) el aumento del grosor de la membrana alveolar, y 3) el aumento de la distanda de difu. sión entre los alvéolos y la sangre. La pérdida física de área alveolar-es marcada en el enfisema, una enfitrnedad degeneratiVa del pulmón cuya causa ~ común es el tabaquismo (Fig. 18-4b). El efecto irritante del humo en l9S alvéolos activa a los macrófagos de la zona, que libenm enzimas

~ AGURA 18-5 El oxigeno dffunde a través de laS células epiteliales del alvéolo y de ·las células endoteliales para entrar en el plasma

proteolíticas. Estas enzimas destruyen las fibras elásticas del pulmón e inducen la apoptosis celular, destruyendo las paredes de los alvéolos. Como resultado, el pulmón tiene mucha ~tensibi· Udad (campliance) y poca capacidad de retracción elástica, alvéo. los cada vez menos nUmerosos y más grandes y menor superficie para el intén:ambio de gases. Los cambios patológicos de la membtana alveolar q~e alteran sus propiedades enlentencen el intercambio de gases. Por ejem· plo, en las enfermedades pulmonares causadas por fibrosis, el depósito de tejido ctcatrizal engrosá. la membrana alveolar (F_¡g. 18· 4c). La difusión de gases a través del tejido cicatriza! es mucho más lenta que lo normal. Sin embargo, como los pulmones tienen una capactdad.de reserva. debe estar afectado un tercio del epitelio de intercambio para que la Po2disminuya significativamente. Una situación en la cual la distanda de difusión entre los alvéolos y la sangre aumenta es el ederita pulmonar, caracteñzado por un exceso de volumen del líquido intersticial en los pulmones (Fig. I8-4d). Normalmente, en los pulmones hay sólo cantidad_es pequeñas de liquido intersticial, como resultado de la baja presión arterial en la reglón y del eficaz drenaje linfático. Sin embargo, si aumenta la presión arterial en el pulmón por alguna causa, como en la insuficiencia ventricular izquierda o en la disfundón de la válvula mittal, el equilibrio normal entre filtradón y reabsorción en los capilares se interrumpe (Fig. 15-18, p. 518). Cuando la presión hidrostática capilar aumenta, más líquido se filtra hada afuera de los capilares. Si la filtración aumenta mucho, el sistema linfático es incapaz de drenar todo el líquido, y se acu-

Ahora que hemos descrito el intercambio de gases, dirigiremos nuestra atendón a cómo el oxígeno y el dióxido de carbono son transportados en la sangre. La ley de acción de masas ( fi p. 39) tiene un papel Importante en este proceso. Los cambios en las concentradones de oxígeno o de C02 alteran el equilibrio de las reacciones, impulsando cambios en el balance entre sustratos y productos.

La hemoglobina transporta la mayor parte del oxígeno a los tejidos El oxigeno es transportado de dos maneras en la sangre: disuelto en el plasma y unido a la hemoglobina (Hb). Este hecho puede resumirse de la siguiente manera: Contenido total de oxigeno= cantidad disuelta en plasma + cantidad unida a la hemoglobina La hemoglobina, proteína de unión al oxigeno de los eritrocitos, se une de manera reversible al oxigeno, como se resume en la ecuación:

Hb+02:;::=::Hb02

En los capilares pulmonares, donde la Po2 del plasma aumenta a medida que el oxígeno difunde desde los alvéolos, la hemoglobina capta oxígeno. En las células, donde el oxigeno se utiliza y la Po 2 del plasma disminuye, la hemoglobina cede el oxigeno. Dado que el oxigeno es poco soluble en soluciones acuosas, necesitamos tener cantidades adecUadas de hemoglobina en nuestra sangre para sobrevivix. La importancia de la hemoglobina en el transporte del oxígeno se resume en la figura 18-6m. Más del98% del oxígeno de un Volumen dado de sangre está unido a hemoglobina y es transportado dentro de Jos eritrocitos. El resto permanece disuelto en el plasma.

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594

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

Transporte de gases en !a sangre

tica de llitto de sangre arterial {Fig. I8-7a e). Así,- con lU1 volumen minuto de S Lde sangre, aproximadamente 15 mL de oxígeno llegarían a los tejidos sistémicos por..minuto. Esta pequeña cantidad no puede ni acercarse a las necesidades de los tejidos, porque el consumo de oxígeno en reposo es de unos 250 mL por minuto, cifra que se incrementa marcadamente en el ejexei.cto, Así, el oxígeno que llega a las células· diSuelto en el plasma provee menos del 10% de lo que consumen las células, por ende el organismo depende principalmente del oxígeno transportado por la hemoglobina. Con-concentraciones normales de hemoglobina, !os eritrocitos transportan unos 197 mL de oxígeno por litro de sangre (Fig. 18-7b). Entonces: Capactdad arterial total de transpOrte de 0 2 = 3 mL 0 2 disuelto/L sangre + 197 mL HbOiL sangre= 200 mL OiLsangre

~.REGUNTA

¿Cuántas membranas celulares debe- · cruzar el 02 en su paso entre el espacio aéreo del alvéolo y la unión a la hemoglobina?

¡¡¡¡ FIGURA 18-6 Resumen del transporte de oxígeno en la

sangre Más de! 98% del oxigeno de la sangre se une a la hemoglobina

en los e"rltrodtos; menos del2% se disuelve en el plasma, Para comprender lo baja que es la solubilidad del oxígeno, considérese el siguiente ejemplo: si la sangre no tuviera hemoglo. bina, solamente 3 mi de 0 2 se disolverían en la fracdón plasmá-

Si el volumen minuto se mantiene en S L, la cantidad de OXÍ· geno que llega a los tejidos con ayuda de la hemoglobina es de casi 1 000 mL/min, cuatr9 veces la cantidad que se consume en reposo. La cantidad de oxígeno que se une a la hemoglobina depende de dos factores: 1) de la Po2 del plasma que rodea a los eritrocitos y 2) del número de posibles sitios de unión dispombles en estas células sanguíneas. La Poz del plasma es el principal factor que determina cuántos de los sitios de unión disponibles de la hemoglobina están ocupa· dos por oxígeno. la figura 18-7c muestra qué pasa con el transpOr· te de oxígeno cuando la Po2 arterial y alveolar disminuye. Como aprendimos en las secciones previas, la Po2 arterial está dada por 1) la composición del aire inspirado, 2) la velocidad de ventiladón alveolar y 3) la eficacia del inten:ambio de gases entre el alvéolo y la sangr~

El número total de sitios de unión para el oxígeno depende del número de moléculas de hemoglobina en los eritrocitos. Clínicamente, este número se estima mediante el recuento de Jos eritrocitos y la cuantificación de la cantidad de hemoglobina en cada unO de ellos (hemoglobina CllTpuscular media) o mediante la determinación del contenido de hemoglobina promedio·en la san· gre (g Hb/dL de sangre entera). Cualquier enfermedad en la que

1{a) Trans~rie de oxígooo en la sangie sln ·

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mFIGURA 18-7 Papel de la hemoglobina en el transporte de oxigeno se reduzca la cantidad de hemoglobina de las células o el número de éstas afectará de manera negativa la capacidad de transporte de oxígeno de la sangre. Los padentes qUe han perdido grandes cantidades de sangre necesitan reemplazar la hemoglobina para normalizar el trans-porte de oxígeno. El reemplazo ideal para una pérdida de sangre . es la transfusión, pero en caso de urgen da no siempre es posible. La infusión de solución fisiológica permite reemplazar el volumen de sangre perdido, pew no puede (al igual que el plasma)· transportar cantidades suficientes de oxígeno como para mantener la respiradón celular. Frente a este problema, los investigadores están actualmente probando transportadores artificiales para el oxígeno, que puedan reemplazar a la hemoglobina.. En situadones de desastres, estos sustitutos de la hemoglobina eliminañan la necesidad de identificar el grupo sanguíneo del padente antes de administrarle una transfusión.

Una molécula de hemoglobina une hasta cuatro de oxígeno ¿Por qué la hemoglobina es tan eficaz como transportadora de oxígeno? La respuesta se encuentra en su estructura molecular. La hemoglobina es una proteína grande y compleja cuya estructura cuaternaria tiene cuatro cadenas globulares, cada una de las cuales rodea un grupo hemo que contiene hierro (Fig. 18--Sa m). Los cuatr? grupos hemo de la molécula son idénticos. ~da uno está

formado por unaniflo de por{irina que contiene carbono, hidróge· no y nitrógeno, con un átomo de hierro en el centro. Aproximadamente el 70% del hierro del organismo se encuentra en los gru· pos hemo de la hemoglobina. El átomo de hierro central de cada grupo hemo se puede unir de manera reversible con una molécula de oxígeno. Como hay cuatro átomos de hierro por cada molécula, ésta tiene la capad· dad de unir cuatro moléculas de oxígeno. La interacción entre el hierro y el oxígeno es un enlace débil que puede romperse fácilmente sin alterar a la hemoglobina ni al oxígeno. Existen varias formas de cadenas proteicas de globina en la hemoglobina.·Las fonnas más frecuentes se denominan alfa (a), beta $),gamma (')'}y delta (ó), según la estructura de la cadena. La mayor parte de la hemoglobina del adulto (que se designa HbA) tiene dos cadenas alfa y dos cadenas beta. Sin embargo, una pe· quefta parte (aproximadamente el2,5%) tiene dos cadenas alfa y dos cadenas delta (HbAz) • . El feto tiene una isoforma de hemoglobina diferente, adaptada para atraer oxígeno de la sangre materna a través de la pla· centa. Esta hemoglobina fetal (HbF) tiene· dos cadenas gamma en lugar de las dos beta que se encuentran en la hemoglobina del adulto. Poco tiempo después del nacimiento, la hemoglobina fetal- es reemplazada por la forma adulta a medida que se forman nuevos eritrocitos. Las diferentes propiedades de unión de la hemoglobina fetal y la adulta se presentan en la próxima sección;

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Transporte de gases en

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

La unión del oxigeno se expresa (omo porcentaje La cantidad de oyJgeno unido a la hemoglobina a cualquier

{a) Una molécula de hemoglobina está formada por cuatro cadenas proteicas de globfnas, cada una de las cuales rodea un grupo hamo central.

Po2 se expresa como un porcentaje: (cantidad de 0 2 unido/máxima cantidad que puede unirse) x 100 =porcentaje de saturación de la hemoglobina Fl porcentaje de sa~ción de la hemoglobina hace refe-

En la mayor parte de !a hemoglobina del adulto, hay dos cadenas alfa y dos cadenas beta, como se

muestra. (b) Gada grupo hemo está formado por un anillo de porlirina con un átomo de hierro en el centro.

minuye, la reacción se desplaza hacia la izquierda y la hemoglobina libera algo del oxigeno que transporta. Anillo de porfirina

A= grupoS adlcionalas C, H, O

mi FIGURA 18·8 Molécula de hemoglobina

La unión del oxigeno a_Ja hemoglobina Obedece a la ley de acción de masas La hem.ogl?bina unida al oxigeno se conoce como oxihemoglobina, y se abrevia como Hb02• Sería más exacto mostrar el número de moléculas de oxígeno que lleva cada molécula: Hb(Oz)141 pero utilizaremos la forma más simple porque el número de moléculas de oxígeno unidas-varía de una molécula_ de hemoglobina a otra). · .-__ La unión del oxígeno a la hemoglobina obedece la ley de acción de masas: Hb+02 ~

Hb02

Si la ·concentración de oxigeno aumenta,la reacción de unión entre oxígeno y henwglobina se mueve hada la derecha, y más oxigeno se une a la hemoglobina. Si la concentración de oxígeno dis-

La Po2 determina la unión entre oxigeno y hemoglobina Debido a la ley de acción de masas, la cantidad de oxigeno unido a la hemoglobina depende principalmente de la Po2 del plasma que rodea a los eritrocitos (Fig. 18-6). En los capilares pulmonares, el 0 2 disuelto en el plasma difunde dentro de los eritrocitos, donde se une a la hemoglobina. De esta forma retira el 0 2 disuelto del plasma, haciendo que más oxígeno difunda desde el alvéolo. La transferencia de oxigeno desde el aire alveolar al plasma, al eritrocito y a la hemoglobina ocurre tan rápidamente que la sangre de los capilares pulmonares normalmente recibe tanto oxígeno como lo permitan la Po 2 del plasma y lo permita el número de eritrocitos. Una vez que la sangre arterial llega a los tejidos, el proceso de intercambio que tuvo lugar en los pulmones se invierte. El oxígeno disuelto difunde desde los capilares hacia las células, y la disminución de la Po2 que se produce altera el equilibrio de la reacción de unión del oxígeno a la hemoglobina, sustrayendo oxígeno del miembro izquierdo de la ~ación. El equilibrio se desplaza a la izquierda de acuerdo con la ley de acción de masas, y las moléculas de hemoglobina liberan su réserva de oxígeno, como se representa en la mitad inferior de la figura 18-6m. Al igual que la entrada de oxigeno desde los pulmones, este proceso de transferencia del gas a las células es muy rápido y tiende al equilibrio. La Po2 de las células determina cuánto oxígeno se retira de la hemoglobina. A medida que las células au· mentan su actividad metabólica, su Po2 disminuye, y la hemoglobina libera más oxigeno para ellas.

rencia a los sitios de unión disponibles que están ocupados por oxígeno. Si todos los sitios de unión de las moléculas de hemoglobina están ocupados por mol~as de oxígeno, la sarigre está oxigenada al100%, o saturada con oxígeno. Si la mitad de los sitios de unión llevan oxígeno, la hemoglobina está saturada en un 50%, y así sucesivamente. La relación entre la Po 2 del plasma y el porcentaje de saturación de la hemoglobina puede explicarse con la siguiente analogía. Las moléculas de hemoglobina que llevan oxígeno son como estudiantes que mueven libros de una biblioteca vieja a una nueva. Cada estudiante (molécula de hemoglobina) puede acarrear un máximo de cuatro libros (saturación del100%). El bibliotecario a cargo controla cuántos libros (moléculas de Oz) lleva cada estudiante, al igual que la Po2 del plasma determina la cantidad de oxígeno que se une a la hemoglobina. · Al mismo tiempo, el número total de libros que se transportan depende del número de estudiantes disponible, al igual que la cantidad de oxígeno que llega a los tejidos depende del número de moléculas de hemoglobina. Por ejemplo, si hay 100 estudiantes, y el bibliotecario Ie da a cada uno cuatro libros (saturación del 100%}, entonces se transportarán 400 libros a la nueva bibllote. ca. Si el bibliotecario le da solamente tres h'bros a cada estudiante (disminución de la Po2 del plasma), entonces se transportarán 300 libros, a pesar de que cada estudiante podría llevar cuatro. (Los estudiantes que llevan tres libros de cuatro posibles, corresponden a un 75% de saturación de la hemoglobina). Si el bibliotecario le entrega cuatro libros a cada estudiante pero solamente 50 de ellos participan (menos moléculas de hemoglobina), entonces solamente 200 libros llegarán a la biblioteca nueva,. aunque . los estudiantes estén llevando el máximo número posible. La relación física entre la Po2 y la cantidad de oxígeno que se . une a la hemoglobina puede estudiarse in vitro. Los investigadores exponen muestras: de hemoglobina a varios niveles de Po2 y detenninan cuantitativamente la cantidad de o:dgeno que se une. Las curvas de disociación de la oxihemoglobina, como la que se muestra en la figura 18-9m, son el resultado de estos estudios de unión in vitro. La forma de la curva de disociación de la Hb02 refleja las propiedades de la molécula de hemoglobina y su afinidad por el oxígeno. Si se observa la curva, se verá que a Po2 alveolar y arterial normales (100 mm Hg), el 98% de la hemoglob_ina lleva oxígeno unido. En otras palabras, a medida que la sangre pasa. a través de los pulmones en condiciones normales, la hemoglobina recoge prácticamente la cantidad máxima de oxígeno que puede transportar. Nótese-que la curva es casi plana a niveles de Po2 mayores de 100 mm Hg (es decir, la pendiente tiende a cero). A Po2 supeñores a 100 mm Hg, aun cambios grandes en la Po2 generan sólo cambios peqúeñ.os en ·el porcentaje de saturación. De hecho, la hemqglobina recién tendrá un 100% de saturadón.cuando la POz

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PREGUNTAS a} Cuando la~ de 20 mm Hg. ¿cuál es el porcentaje de ~ción de ~de la hemoglobina? b} ¿A qué POt fa hemoglob!na está saturada en un 50% con oxigeno?

mFIGURA 18-9 Curva de disodadón de oxigeno y hemoglobina

llegue a casi 650 mm Hg, una presión pardal mudúsimo más alta que cualquiera que podamos encontrar en la vida diaria. El aplanamiento de la curva de disociación a Po2 elevada significa ta"~D:bién que la Po 2 alveolar puede caer bastante por debajo de los"lOO mm Hg sin reducir significativamente el porcentaje de saturación de la hemoglobina. Mientras que la Po2 de los al· véolos (y por ende de los capilares pulmonares) permanezca por sobre los 60 mm Hg, la hemoglobina tendrá una saturación superior al90% y mantendrá los niveles de transporte de oxígeno cercanos a los normales. Pero cuando la Po2 cae a menos de 60 mm Hg la pendiente de la curva se hace más pronunciada. Una pendiente marcada implica que una reducción pequeña de la Po2 generará una II"beractón de oxígeno relativamente grande. Por ejemplo, si la Po 2 cae de 100 mm Hg a 60 mm Hg, el por· centaje de saturación de la hemoglobina baja de 98% a aproximadamente 90%, una reducción deiS%. Fsto es equivalente a un cambio de saturación del2% por cada 10 mm Hg. Si la Po2 baja más, de 60 a 40 mm Hg, el porcentaje de saturación pasa del90% al75%, unadisminuctón del7,5%porcada 10 mm Hg. En el intervalo que va desde 40 a 20 mm Hg, la pendiente es aún más marcada. La saturación de la hemoglobina dismlnuye del 75% al 35%, un cambio del20% por cada 10 mm Hg. ¿Cuál es la importancia fisiológica de la forma de la curva de disociación? En la sangre que abandona los capilarenistémicos con una Po2 de 40 mm Hg Oa presión parcial normal de las células en reposo), la hemoglobina está aún. saturada en un 75%, lo

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Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

{a) Efecto del pH

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taje de Satyración de la hemoglobina arterial? {Sugerendá: véaSe la-Fíg. 17-15.) Repuestas en la p. 612

La temperatura, el pH y los metabo/itos afectan la

unión del oxigeno a la hemoglobina Cualquier factor que cambie la conformadón de la molécula de hemoglobina puede afectar su capaddad de unir oxígeno. En lo~ seres humanos, los cambios fisiológicos en el pH plasmático, la Pco¡ y.la temperatura alteran su afinidad de unión al oxígeno. Los cambiÓs en la afinidad de unión se reflejan en cambios en la forma de la curva de disoctacíón de la Hb02.

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El aumento de la temperatura, el aumento de la Pco2, y la disminudón del pH reducen la afinidad de la hemoglobina pqr el oxígeno y desplazan la curva de disociación hacía la derecha (Fig. 1S.10 lil). Cuando estos factores cambian en la dirección opuesta, la afinidad de unión aumenta, y la curva se desplaza a la izquierda. Nótese que cuando la curva se mueve en cualquier direcdón, los cambios son much9 más pronunciados en la parte más pendiente. Fisiológicamep.te esto significa que la unión del oxígeno en los pulmones (con Po2 de 90 a 100 mm Hg) no se.ve afectada mayormente, pero la cesión a los tejidos (en el intervalo de 20 a 40 mm Hg) se altera de manera significativa. Veamos como ejemplo el cambio de afinidad que tiene lugar cuando el pH disminuye de 7,4-(normal) a 7,2 (más ácido). {Los valores normales de pH de la sangre son de 7,38 a 7,42, pero un valor de 7,2 es compatible con la vida.) Véase el gráfico de la fi. gura 18-lOa. Auna Po2 de 40 mm Hg (equivalente a la de una célula en reposo) y un pH de 7,4, la hemoglobina está saturada aproximadamente en un 75%. A la misma Pov si el pH cae a 7,2, el porcentaje de saturactón disminuye a casi 62%. Esto significa que las molé<:ulas de hemoglobina liberan un 13% más de oxígeno a pH de 7,2 que a pH de 7,4. ¿Cuándo cambia el pH de la sangre? Una situación es el esfuerzo máximo que obliga a las células al metabolismo anaerobio. El metabolismo anaerobio en las fibras musculares en ejercido genera ácido láctico, que a su vez libera H+ al dtopiasrrla y al líquido extracelular. Amedida que la concentración de Ht aumenta, el pH cae, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuye, y la curva de disodadón de la Hb02 se desplaza hada la derecha. Se libera más oxígeno en los tejidos a medida que la sangre se torna más ádda (disminuctón del pH). El cambio de la curva de sa-

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la sangre almacenada en bancos

pierde su contenido norma! de 2,3-DPG. ¿Es esto bueno o malo? Justifique. 1!1 FIGURA 18-11 El 2,3·DPG altera la afinidad de la hemoglobina por el oxigeno

turación de la hemoglobina que surge como consecuencia de un cambio de pH se llama efecto Bohr. Otro factor que modifica la unión entre el oxígeno y la hemoglobina es el 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG; también IIaníado 2,3-bi{os{oglicerato o 2,3-BPG), un compuesto produddo a partir de un intermediario de la vía de la glucólisis. I.a hipoxia crónica (oxígeno bajo durante un peñodo prolongado) dispara un aumento de la producdón de 2,J..DPG en los eritrocitos. El aumento del nivel de esta molécula disminuye la afinidad de unión de la hemoglobina y desplaza la curva de disociación hada la derecha (Fig. 18-11 ffl). Dos situadones en las que aumenta la produc- · ción de 2,3-DPG son el ascenso a altitudes elevadas y la anemia. Los cambios en la estructura de la hemoglobina también mo-. difican su afinidad de unión al oxígeno. Por ejemplo, dos ~e las subunidades de la hemoglobina fetal son cadenas gamma. La presenda de cadenas gamma aumenta la capacidad de la hemoglobi· na fetal de captar oxígeno en el entorno bajo en este gas de la placenta. La afinidad de unión modificada se refleja en la forma de la curva de disociadón de la Hb0 2 fetal, que es diferente de la del adulto (Fig. 18-12 ID). La figura 18-131l1iresume los factores que influyen en el contenido total de oxígeno de la sangre arterial.

.4# f&\ft{E1fl S 1ó N WJY 11. Un músCulo que se está contrayendo activamente

puede tener una Po2 celular de 25 mm Hg. ¿Qué pasa con la unión de! oxigeno a !a hemoglobina a esta P~ baja? ¿Cuál es la :o2 de [a sangre venosa que abandona el músculo act1vo? Respuerta en !a p. 612 _

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PREGUNTA

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a) A una P~ de 20 mm Hg, ¿cuánto más oxigeno se libera en una célula mUscular en ejercicio cuyo pH es de 7,2, que en una célula con pH 7,4? b) ¿Qué pasa con la liberación de oxfgeno cuando la célula muscular en ejercicio aumenta su temperatura?

aeyislóN 8¡~\;1[19. ¿Una persona cjue respira ~x!geno al100% a nivel del

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PREGUNTAS

que significa qtie en las células liberó solamente la cuarta parte del oxígeno que puede transportar. El oxígeno que permanece unido sirve como una reserva que las células pueden utilizar si au~ ni.enta el metabolismo. Cuando los tejidos metabólicamente activos utilizan más oxí~ geno, su Po 2celular disminuye, y se liberan más moléculas de oxígenO d~ la hemoglobina. A una Po2 de 20 mm Hg (Valor promedio para un m~culo en el ejerddo), la saturación de la. hemoglobina cae hasta aproximadamente un 35%. Con esta reducción de 20 mm Hg en la Po2 (de 4~ a 20 mm Hg), la hemoglobina libera un 40% más del oxígeno que puede transportar. Éste es otro ejemplo de la capacidad de reserva propia del organismo.

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PREGUNTAS a) Dado el intercambio Incompleto de gases a través da las

gruesas membranas de la placenta, la hemoglobina de la sangre fetal abandona la misma con un 80% de saturación de oxigeno. ¿Cuál es la POzde esa sangre en la placenta? b) La sangre en la vena cava del fato tiene una P~ de aproximadamente 10 mm Hg. ¿Cuál es el porcentaje de saturación da 02 de la hemoglobina materna a la

misma FOz?

llil FIGURA 18-12 Diferencias en las propiedades de unión al oxigeno de la hemoglobina materna y la fetal ·

El dióxido de carbono se transporta de tres maneras El transporte de gases en la sangre incluye la remoción del dióxido de carbono de las células al igual que la cesión de oxígeno a ellas. La molécula de hemoglobina, como veremos, también tiene un papel importante en el transporte de COz· El dióxído de carbono es un subproducto de la respiración cell,llar (~p. 107). Es más soluble en los líquidos corporales que el oxígeno, pero las célulaS producen mucho más co2 que el que puede disolverse en el plasma. Solamente un 7% del C02 transportado por la sangre venosa lo hace disuelto en ella. Fl restante 93% difunde dentro de los eritrocitos, donde el70% se convierte en lón bicarbonato, como se explica más adelante, y el23% se une a la hemoglobina ~COz). La figura 18-14 e resume estos tres mecanismos-de transporte del dióxido de carbono en la sangre. ¿Por qué es tan importante eliminar el C02 del organismo? La razón es que la Pco2 elevada (hipercapnm) causa una alteración del pH conoctda como addosis. Los valores de pH extremos interfieren con los puentes de hidrógeno de las moléculas y pueden desnaturalizar proteínas ( f:!i!p. 37). Los niveles de Pco2 anormalmente altos también deprimen las funciones del sistema nervioso central, causando confusión, coma o incluso la muerte. Por lo tanto, el C02es un producto de desecho potendalmente tóxico que debeelinrln~eenlospubnones.

co2 y iones bicarbonato Como mendonamos redén, alrededor

del 70% del COz que llega a la sangre es transpo~do a los pul~ mones en forma de iones bicarbonato (HC03-) disueltos en el plasma. La conversión del COz a HC03- cumple con dos objeti-

[!í&UOTEQA -DE. G!ENCIMl OUiMiGM 1

1

600

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

Transporte de gases en la sangre

!&iiifEN,¡;crfof.
601

La amortiguactón de los H+ por acción de la hemoglobina es un paso importante que evita grandes cambios en el pH del orga. nismo. Sí la Pco2 de la sangre es mucho más alta de lo normal, la hemoglobina no puede absorber todos los H+ producidos en la reacdón del C02 y el agua. En estos casos, el exceso de H+ se acumula en el plasma, causando el cuadro que se conoce como ad· dosis respiratoria. Encontraremos más informadón sobre el papel del aparato respiratorio en el mantenimiento de la homeostasis del pH en el capítulo 20.

l DE 0 2ARTEÁIAL

Hemoglobina y C02 A pesar de que la mayor parte del dióxidO de carbono que entra en los eritrocitos se convierte en iones bicarbonato, alrededor del23% del C02 de la sangre venos¡¡. se une directamente a la hemoglobina. Cuando el oxígeno abandona sus sitios de unión en la molécula de hemoglobina, el C02 se une a ellas a través de sus grupos amino (-NHz) expuestos, formado carbaminohem~obina:

COz+ Hb ~ HbcC02 (carbaminohemoglobína) La formadón de carbamlnoheJlloglobina se ve fadlitada por la presencia de C02 y W, porque ambos factores disminuyen la afinl. dad de unión de la hemoglobina por el oxígeno (véase la Fig. 18-10).

mAGURA 1a.13 Factores que contribuyen al contenido total de oxigeno de la sangre arterial vos: 1) brinda una fonna más en la o.tal él C02 puede transportarse de las células a Jos pulmones y 2) el HC03- queda disponible para actuar como amortiguador del pH (buffer) frente a los ácidos meta· bólicos (!!!p. 38), ayudando a estabilizar este panlmetro. ¿Cómo se transforma el COz en HC03-? La conversión rápida depende de la presencia de la anhidrasa carbónica (CA), una en· zima que se encuentra concentrada en los eritrocitos. Veamos OO. mo ocurre. El C02 disuelto en el plasma difunde dentro de los erí· trocitos, donde reacciona con agua en presencia de anhidrasa car·

bónica formando áddo carbónico (parte superior de la Fig. 18-14). El ácido carbónico luego se disocia en un ión hidróget:to y un ión bicarbonato: anhidrrua

"""'""'

C02 +Hz0:;:=: HzC03 :;:::::::!: H++HC03áctdo carll6nico

Como el ácido carbónico se disocia rápidamente, en general se omite el paso intermedio y se resume la reacción de esta forma:

mFIGURA 18·14 Transporte de dióxido de carbono en la sangre AC = Anhidrasa carbónica

El!minadón de C02 en los pulmones Cuando la sangre venosa llega a los pulmones, el proceso que tuvo lugar en los capilares sistémicos se invierte (parte inferior de la Fig. 18-14). La Pco2 de los alvéolos es menot a la de la sangre venosa de los capilares pulmonares. Por lo La reacción es reversible. La velocidad en o.talquiera de las dos tanto, el C02 difunde siguiendo su gradiente de presión, desde el direcciones depende de la concentración relativa de los sustratos plasma al alvéolo, y la Pco 2 del plasma empieza a descen.det -y obedece la ley de acdón de masas. La distiñ.ni.tdón de la Pco2 del plasma permite que el C02 di· suelto difunda hada afuera de los eritrocitos. A. medida que los La conversión de dióxido de carbono aH+ y HC03- continúa niveles de C02 de estas células disminuyen, se altera el equilibrio hasta que se alcanza el equilibrio. (El agua siempre está en exceso, de la reacción C02-HCO¡, facilitando la producción de más C02• por lo que su concentración no afecta el equilibrio dinámico de es. La remoción del C02 hace que los H+ abandonen las moléculas de ta reacción). Para que la reacción continúe, los productos (H+ y hemoglobina, y el intercambio de cloruro se revierte: el a- retor. HC03·) deben retirarse del cttoplasma del eritrocito. Si las concen· na al plasma haciendo que más HC03- vuelva a los eritrocitos. El tradones de los productos se mantienen bajas, la reacción no pue.. de llegar al equilibrio. El dióxido de carbono continúa pasando del · HCO¡y los H+ recién formados vuelven a generar ácido carbónico, que se convierte luego en agua y COz- Este C02 queda entonplasma a los eritrocitos, lo que a su vez permite que difund<Í más ces libre para difundir fuera del eritrocito hada los alvéolos. COz de los te~dos a la sangre. La figura 18·15 a muestra el transporte combinado de co2 y Dos mecanismos diferentes retiran a los iones H+ y HCQ3-li0 2 en la sangre. En el alvéolo, el 0 2 difunde siguiendo su gradien· bres. En el primero, el bicarbonato abandona el eritrocito en una te de presión, desde el alvéolo hada el plasma, y desde éste hada proteína contratransportadora o cotrasportadora bidireccional el eritrocito. La hemoglobina se une al nv incrementando la can. (¡::,¡p. 139). Este proceso de transporte, llamado desplazamiento o tidad de oxígeno que puede transportarse a las células. intercambio de cloruro, cambia unión HCO¡ por unión a-. EsEn las células, el proceso se invierte. Como la Po2 es más baja en te cambio uno a uno mantiene la neutralidad eléctrica de manera las células que en la sangre arterial, el 0 2 difunde del plasma hada que el potencial de membrana de la célula no se altera. La transfe.. ellas. La reducdón de la Po2 del plasma hace que la het;noglobina lí· renda de HC03- al plasma hace que este amortiguador (m p. 38) esbere 0 21 dejando más oxígeno disponible para entrar en las células. té disponible para neutralizar cambios moderados del pH causados El dióxido de carbono del metabolismo aeróbico simultáneapor la producdón de áddos metabólicos. El bicarbonato es el amormente abandona las células y entra en la sangre, disolviéndose en tiguador d~ pH extracelular más importante del organismo. el plasma. Desde allí, el C02 entra en los ·entrocttos, donde lamayor parte se convierte en HCO¡ y H+. El HCO; retorna al plasma Hemoglobina y H+ El segundo mecanismo sustrae iones H+ libres intercambiándose con e¡-, mientras que el H+ se une a la hemo.. del dtoplasma de los eritrocitos. La hemoglobina dentro de estas globina. Una fracción del C02 que entta en el eritrocito se une células actúa como amortiguador del pH, y une iones hidrógeno también directamente a la hemoglobina. En los pulmones, el pro. en la reacctón ceso se invierte a medida que el C02 difunde desde los capilares H++Hb~Hb•H pulmonares a los alvéolos. C02 +Hz0

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H++HC03-

1 • •

602

Capítulo 1S Intercambio y transporte de gases Aira seco : 760 mm Hg Po2"' 160mmHg P002 = 0,25 mm Hg ~

Regulación de la ventilación

601

contraerse espontáneamente. En lugar de elló, su contrae.. ción debe ser iniciada por acción de neuronas somáticas motoras, que a su vez son controladas Por el sistema nervioso central. El ritmo intrínseco de'Ja ventilación está regula. do por varios factores, entre los que se cuentan los reflejos de los quimiorreceptores, las interacciones con el centrO de control cardiovascular, las emociones y el control consciente e inconsciente de los centros cerebrales superiores. En el aparato respiratorio, la contracción del diafragma y de los músculos intercostales es iniciada por grupos de neuronas de la protuberancia y bulbo raquídeo del tronco encefálico (Fig. 18-161i). Estas neuronas fonnan una red con un generador central de patrón que tiene una activt. dad rítmica intrínseca (~p. 445). Las investigaciones su. gíeren que la actividad rítmica surge de neuronas marcapa. sos que tienen potenciales de membrana inestables. El estudio directo de los centros cerebrales que controlan la ventilación es dificil debido a la complejidad de la red neuronal y su ubicación anatómica. r:n consecuencia, parte de nuestro conocimiento sobre el control de la ventilación ha surgido de la observación de pacientes con daño cerebral. Se ha obtenido además infonnación a partir de experimentos en animales en los cuales las conexiones neuronales entre las partes principales del tronco encefálico se encontraban interrumpidas. Sobre la base de estas observaciones y de las hipótesis formadas a partir de ellas, se ha propuesto el siguiente mo-delo para el control de la respiración. Aunque algunas par* tes de este modelo están sostenidas por las evidencias científicas, otros aspectos están aún bajo investigación. El modelo establece que: REFERENCIAS

l. Las neuronas respiratorias del bulbo raquídeo controlan

¡¡¡¡ FIGURA 18-15 Resumen del transporte de gases

Para comprender completamente cómo el sistema respiratorio coordina la llegada de oxígerio a los pulmones y el transporte por la circulación, veremos ahora -có~o es el control de la ventilación por parte del sistema nervioso central. · 'ISIÓN

. ¿Cómo se veríail afectados la ventilación alveolar, la Pco2 arterial y e!· pH del organismo con una obstrucción de las v!as aéreas?

Respuesta en la p. 612

REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN Ú t~iratión es un proceso rítmico que en general ocurre sin que lo pensemos conscientemente. En ese aspecto, se asemeja allatido rítmico del corazón. Sin embargo, los músculos esqueléticos, a diferencia de los músculos cardíacos, no son capaces de

la inspiración y la espiración. 2. Las neuronas de la protuberancia modulan la vent11adón. 3. El patrón rítmico de la respiración surge de una red de neuronas de descarga espontánea. · 4. La ventiladón está regulada por varios reflejos ligados a quimiorreceptores y por centros cerebrales superiores.

Las neuronas del bulbo raquídeo controlan la respiración Las descripciones clásicas de cómo el cerebro controla la ven. tilación dividlan a las neuronas en varios centros de control. las descripciones más recientes, sin embargo, son menos específicas al asignar funciones a centros en especial, y simplemente se refie• ren a la red de neuronas del tronco encefálléo como el generador central de patrón. El generador central de patrón funciona automáticamente durante toda la vida de una persona, pero también puede controlar* se voluntariamente, hasta cierto punto. Complejas interacciones sinápticas entre las neuronas de la red generan los ciclos rítmicos de inspiración y espiración, con la influencia continua de las señales sensitivas que llegan de los quimiorreceptores para C02, 0 2 y H+. El patrón de ventilación depende en gran medida de Jos ni· veles de estas tres sustancias en el líquido extracelular.

_O Estímulos . -(?',;;]

Re<:eptoressensitivos

·. O, Neuronas aferentes · : ~ Centros integradores

6.illJ Neuronas eferentes

p--REGUNTA Correlacione !os números da !a figura

y !os componentes del mapa.

G11il Efectores

mFIGURA 18-16 Control reflejo de la ventilaáón los quimiorreceptores controlan los gases de la sangre y el pH. los centros de control del tronco encefálico regulan la actividad de las neuronas motoras somáticas que ínervan Jos músculos respiratorios. ·

Am1que queda aún mucho por aprender sobre el generador central de patrón, sabemos que las neuronas respiratorias se concentran en dos centros del bulbo raq~deo. El grupo respiratorio dorsal contiene principalmente neuroTUlS tnspirarortas que controlan el diafragma (Fig. 18-16). El grupo respiratorio ventral controla los músculos que se usan en la espiración activa: y algunos músculos inspiratorios, especialmente aquellos activos durante las inspiraciones mayor~ que la normal, como ocurre en el ejerddo vigoroso. las fibras del grupo ventral inervan también a los músculos de la faringe, laiinge y lengua, para mantener las vías aéreas abi~ durante la respiración.

Durante una respiradón tranquila de 12 ciclos por minuto, las neuronas inspiratorias aumentan gradualmente la estlmuladón de los músculos de la inspiración por 2 segundos. Este aumento se llama a veces en rampa debido a la forma del gráfico de la actividad de las neuronas inspiratorias (Fig. 18-17 m). Unas pocas neuronas se activan al inicio de la rampa. El disparo de estas neuronas activa a otras, aparentemente en un bucle de retroalimentación positiva. A medida que más neuronas se disparan, se reclutan más fibras musculares esqueléticas. La caja torácica se expande lentamente a medida que el diafragma se contrae.

604

Capftufo 18 Intercambio y transporte de gases Regulación de la ventilación

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Vaso sangufneo

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Bulbo raqufdeo

Células del · glonio del cuerpo carotídeo

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REFERENCIAS

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e:_, Estímulo

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O Receptor C.J Vía aferente ~ Centro Integrador

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Espiráción

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3s

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@:! Respuesta sistémica

-Tiempo-+ Durante la inspiración, la actividad de !as neuronas lnspiretorias aumenta de manera sostenida, aparentemente a través de un mecanismo de retroalimentación positiva. PJ final de la insp!racfón,

mAGURA 18-19 Los quimiorreceptores centrales controlan los niveles de C02 en el líquido cefalorraquldeo

la actividad cesa abruptamente y !a espiración ocurre por el retroceso del tejido pulmonar elástico.

CA = Anhidrasa carbónica

mi FIGURA 18-.11 Actividad nerviosa durante la respiradón en reposo

Al cabo de dos segundos, las neuronas inspiratorias dejan abruptamente de estar activas, y los músculos respiratorios se relajan. En los 3 segundos siguientes, se produce la espiración pasi· · va, gradas a la retracción elástica de los músculos inspiratorios y del tejido elástico del pulmón. Sin embargo; dU!atlte la espiración pasiva, .cierta actividad M las neuronas motoras sugiere que quizás los músculos de las vías aéreas superiores se contraen para hacer más lento el flujo del aire que sale del aparato respiratorio. Las neuronas espiratofias del grupo ventral permanecen en general inactivas durante la respiración en reposo. Thabajan prin· dpalmente durante la respiración forzada, cuando los movimientos espiratorios son exagerados, y durante la espiración activa. En la reSpiración forzada, la actividad aumentada de las neuronas inspiratorias estimula a los músculos respiratorios accesorios, como el estemodcidomastoideo. La contracción de estos músculos aumenta la expansión de la caja torácica elevando el esternón y las CQstillas superiores. · Con la espiración activa, las neuronas del grupo ventral activan a los músculos intercostales y abdominales. Parece haber cierta inhibición reciproca entre las neuronas inspiratorias y las espiratorias, ya qUe las primeras se encuentran inhibidas durante la espicidón activa.

El dióxido de carbono, el oxigeno y el pH influyen en -la ventilación Las s~ales sensoriales de los quimiorreceptores centrales y periféricos (m p. 330) modifican el ritmo del generador central de patrón... El dióxido de carbono es el principal estímulo para los

cambios en la ventilación. El oxígeno y el pH del plasma tienen papeles menos importantes. Los quimiorreceptores para el oxígeno y el dióxido de carbono están ubicados estratégicamente con la circulación arterial. Si hay poco oxígeno en la sangre arterial del cerebro y otros tejidos, la velocidad y la profundidad de la respiración aumentan. Si la velocidad de producció.n de COz por parte de las. células excede la de su eliminación en los pulmones, la Pco2 arterial aumenta y la ventilación se intensifica para equilibrar. Estos reflejos homeostáticos trabajan en forma constante, manteniendo la Po-2 y la Pcoz arteriales dentro de un rango estrecho. Los quimiorreceptores periféricos ubicados en las arterias carótidas y aorta detectan los cambios de Poz, pH y Pco2 del plasma {Fig. 18-16). Estos cuerpos carotídeos y aórticos están cerca de los barorreceptores responsables del control reflejo de la pre· sión arterial (~p. 521). Los quimiorreceptores centrales del cerebro responden a cambios en la concentración de C02 en el líquido cefalorraquídeo. Estos receptores centrales están ubicados en la superficie ventral del bulbo raqUÍdeo, cerca de las neuronas · que participan en el control de la respiradó~. Quimiorreceptores periféricos Cuando las célulaS del glomo especializadas (glomus, con forma de bola) de los cuerpos carotídeos y aórticos son activadas por una disminución de la FOz o del pH, o por un aumento de la Pco21 disparan un aumento reflejo de Ia ventilación. Los detalles del funcionamiento de las células del glomo afui están en estudio, pero el mecanismo básico por el que estos quimioneceptores responden a la reducción del oxígeno es~ al mecanismo que se vio para la liberación de in-

masa

neurona sensitiva

un papel importante en la regulación diaria de la ventilación. Sin embargo, condiciones fisiológicas poco frecuentes, como el ascenso a grandes alturas, y enfermedades, como la enfermedad

·l

pulmonar obstructiva crónica (EPOC), pueden reducir la Po.2 a ni· veles suficientemente bajos como para activarlos. Los quimiorreceptores periféricos de los cuerpos carotideos y aórticos responden más a cambios en la Po2 que a cambios de la PCOz y el pH. Sin embargo, cualquier situadón que reduzca el p~ del pJas.. ma o aumente su Pco2 estimula la ventilación pqr medio de ellos. · li FIGURA 18-18 El sensor de oxigeno del cuerpo carotfdeo·

li4era un neurotransmisor cuando la Po2 dism;nuye sulina en las células beta del páncreas ( 5:1 p. 166) o para la trans~ ducdón del sabor en las papilas gustativas (~p. 345). En los tres ejemplos, un estímulo inactiva canales de K+, haciendo que el receptor se despolarice {Fig. 18·18 iil). La despolarización abre los canales de ea:~+ regulados por voltaje, y la entrada de este ión causa la exodtosis del neurotransmisor (probablemente doparnina en las células del glomo) hada la neurona sensitiva. En los cuerpos caroüdeos y aórticos, la dopamina inicia potencia· les de acción en las neuronas sensitivas que llegan hasta los centros respiratorios del tronco encefálico, haciendo que aumenten la ventilación. En la mayoña de los casos, el oxígeno no es un factor impartanteen la modul~ción de la ventilación, ya que la Pqz ar,terial debe caer a menos de 60 mm Hg antes de que se estimule la ventilación. F.sta gran caída de la Po2 es equivalente al ascenso hasta una altura de 3 000 m. (Como referencia, Denver se ubica a una altura de 1 609 m.) ~ado que los quimiorreceptores periféricos responden solamente a cambios muy importantes de la Po2 ~al, no tienen

Quimiorreceptores centrales La sustancia química más importante en el control de la ventilación es el dióxido de carbono, a través de su acción sobre los quimiorreceptores centrales ubicados en el bulbo raqUÍdeo (Fig. 18-19 !i!l). Estos receptores determinan el ritmo de la respiración, brindando señales continuamente al generador central de patrón. Cuando la Pco2 arterial aumenta, el C02·cruza la barren hematoencefálica bastante rápidamente y ac· tiva a los quiffiiorreceptores centrales. Estos receptores envían señales al generador de patrón central para que aumente la velocidad y la profundidad de la ventilación, incrementando así la ven~ tiladón alveolar y la remoción del COz de la sangre (Fig. 18-20 l!ii). Aunque decimos que los quimiorreceptores centrales controlan el nivel de C0 2, en realidad responden a cambios del pH en el líquido cefalorraquídeo. El dióxido de carbono que difunde a través de la barrera hematoencefálica hada el líquido cefalorraquídeo se convierte en bicarbonato y a>: C02 +~0~HzC03~~H++HC0 3-

Los experimentos indican que los H+produddos por esta reac· ción son los que en realidad inician el reflejo quimiorreceptor, más que el aumento del nivel de co2.

:

Regulación de la ventilación

606

607

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

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R:J FIGURA 18-20 Respuesta

de los quimiorreceptores_al aumento de la Pco2

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Retroalimentación negativtl ' Pco 2plasmática ---------------------- ___ .. ~

Nótese, sin embargo, que los cambios de pH del plasma en ge. neral no influyen en los quimioneceptores centrales directamen· te. Los H+ libres del plasma cruzan la barrera hematoencefálica muy len~ente y, por ende, tienen poco efecto sobre estos receptores. Cuando la Pco2 del plasma aumenta, los quimioneceptores centrales inicialmente responden inmediatamente aumentando la ventilación. Sin embargo; si la Pco2 permanece elevada duran· te varios dia:s, la ventilación vuelve a caer hada su frecuencia nor· mal a medida que los quimiorreceptores se adaptan. Esta adaptación ocun:e ·porque con el tiempo-eJ. plexo coroideo comienza a transportar HC03- hada elliquído cefalorraquídeo. Estos iones actúan como reguladores, neutralizando los_ H+ presentes y disminuyendo el estimulo de éstos sobre el generador central de patrón. Afortunadamente para las personas con enfermedades pulmonares crónicas, la respUesta de los quimiorreceptores periféricos a la disminución de la Po2 arterial permanece igual en el tiempo, aun cuando los quimiorreceptores centrales se adaptan a la Pco2 elevada. En algunas situaciones, la Po2 baja se transforma en el principal estímulo químico para Ia ventilación. Por ejemplo, los pacientes con enfermedades pulmonares crónicas graves, como el enfisema, tienen hipercaprüa e hipoxia crónicas. Su Pco2 arterial puede elevarse hasta 45-50 mn:t Hg (valores normales: 3545), mientras que su Poz cae a 45-50 mm Hg (valores normales: 75-100). Como estos niveles son crónicos, los quimiorreceptores. centrales_se adaptan a la Pco2 elevada. la mayoria de los estímulos quíniicos para la ventiladón en esta situación provienen en-

tonces de la baja Pov detectada por los por quimiorreceptores ca· wtídeos y aórticos. Si a estos pacientes se les administrase demasiado oxígeno, P.Odrían dejar de respirar porque se elimina su estímulo químico para la ventilación. Los quimiorreceptores centrales responden a la disminución de la Pco2 arterial, al iiual que a su aumento. Si la Pco2 alveolar disminuye, como puede ocurrir durante la hiperventi.lación, la

Pco2 plasmática y la del líquido cefalorraquídeo también lo hacen. Como resultado, la actividad de los quimiorreceptores cen~es declina, y el generador central de patrón disminuye la frecuencia respiratoria. Cuando la ventilación disminuye, el dióxido de carbono comienza a acwnularse en los alvéolos y en el plasma. Finalmente, la Pco2 arterial aumenta hasta el nivel umbral para los qui.miorreceptores. En ese punto, los receptom se activan, y el generador central aumenta la ventilación nuevamente.

Los reflejos protectores resguardan a los pulmones Además de los reflejos de los quimiorreceptores que ayudan a regular la ventilación, el organismo tiene reflejos protectores que responden a las lesiones físicas o la irritación del tracto respiratorio y a la hiperinsufladón de los pulmones. El principal reflejo protector es la broncoamstricd6n, mediada por neuronas parasimpáticas que inervan el músculo liso bronquiolar. Las partículas inhaladas o los gases nocivos estimulan a los receptores de irrita· ción de la mucosa de las vías aéreas. Estos receptores envían señales a través de neuronas sensoriales a Ios centros de control del sistema nervioso central que disparan la broncoconstricción. Las respuestas protectoras incluyen también la tos y el estornudo. El reflejo de insuflación de Hering-Breuer evita la sobreexpansión de los pulmones durante el ejercido extremo. Si el volumen corriente excede 1 litro, los receptores al estiramiento del pulmón envían una señal al tronco encefálico para finalizar la inspiradón. Sin embargo, como el·volumen corriente normal es de solamente 500 m.L, este reflejo no trabaja durante la respiración en reposo y el ejercido moderado.

Los centros cerebrales superiores afectan los patrones de ventilación Los procesos de pensamiento consciente e inconsciente también afectan las actividades respiratorias. Los centros superiores del hipotálamo y el cerebro pueden alterar la actividad del gene-

rador central de patrón y cambiar la frecuencia y profundidad de la respiradón. El control voluntario de la ventilación cae dentro de esta categOría. El control de los centros superiores no es necesario para la ventilación, sin embargo~ Aun si el tronco encefálico está gravemente dañado por encima de la protuberancia, los d· dos respiratorios normales continúan. La respiración también puede ser afectada por la estimuladón de partes del sistema limbico. Como resultado, las actividades emocionales y autónomas, como el miedo y la excitación, pueden afectar el ritmo y la profundidad de la respiración. En algunas de estas situaciones, la vía neuronal va directamente las neuronas motoras somáticas, pasando por alto el generador central de patrón del tronco encefálico. Aunque podemos alterar temporalmente nuestra actividad respiratoria, no podemos evitar los reflejos de los quimiorreceptores. Un buen ejemplo es cuando contenemos la respiración. Se puede dejar de respirar voluntariamente sólo hasta que la Pco1 elevada de la sangre y líquido cefalorraqtúdeo activa a los reflejos de los qui.miorreceptores, forzándonos a inhalar. Los niños pequeños, cuando tienen \lila rabieta, a veces tratan de manipular a sus padres amenazándolos con dejar de respirar hasta morir. Sin embargo, los reflejos de los quimiorreceptores hacen que sea imposible que el niño pueda lograrlo. Aun aquellos con mayor fuerza de voluntad pueden continuar conteniendo la respiración hasta ponerse azules y desmayarse por la hipoxia, pero una vez inconscientes, la respiración normal se reanuda automáticamente. La respiración está íntimamente ligada con la función cardiovascular. Los centros de integración de ambas funciones están lo· calizados en el tronco encefálico, y existen intemeuronas proyectadas entre ellos, lo que permite el paso de señales de ida y ta. En el capítulo 20 veremos la integración de las funciones cardiovascular, respiratoria y renal, dado que estos tres aparatos trabajan juntos en mantenimiento de la homeostasis de los líquidos y de los ácidos y bases. Primero, sin embargo, veiemos la fi. siología de Jos rifiones en el capítulo 19.

a

el

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el

•

•

60S

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

Resumen del capítulo

PREGUNTA El29 de mayo de 1953, Edmund Hillary yTenzing Norgay, de !a Expedición Británica al Everest:, fueron !os primeros seres humanos en llegar a la cima. llevaban con ellos oxigeno suplementario, ya que se creia que tal hazaña era imposible sin él. En 1978, sin embargo, Reinhold Messnery Peter Hebe!er lograron lo ~imposible''. El8 de mayo llegaron a la dma a pura fuerza de voluntad y sin oxfgeno_:extra.-Según las palabras 9e Messner, "no soy más que un enorme, ahogado y jadeante pulmón, flotando sobre la bruma y las rumbresn. Véase más sobre estas expediciones al Everest en In~ terne t. a través de una búsqueda con Google de las palabras Hl· /fary Everest o Messner Everest.

Para saber más sobre los distintos tipos de enfermedades pOr altitud, véanse n A!l about altittide illnessn, e"ti'Viww.high-a/titudfHfle- ~­ dicine.com, "High ·altituOe medidnen, AmericanFáfflily Physlcian 1998 Abr. 15, www.aafp.org/afp/98041_5aplharris.html; y ~High~al· titude- pulmonary edema_~; New Engl~~d 19umal_o{Medicine 346(21):1606-1607, 2002 May 23~ www.n_ejm.~rg. En este apartado se ·examinaron las respuestas riormales y·anorma!es a la altitud elevada. Controle sus t:onocimientos de !a fisiologfa comparando sus respuestas con la información de la siguierr te tabla.

DATOS El vapor de agua contribuye con una presión pardal de 47 mm Hg al aire Completamente húmedo. El oxigeno es e121% del aire seco. La presión atmosférica norma! a nivel ~el mar es de 760 mm Hg,.

Corre<:dórl p'o"r vapor' de- agUa: 542 ;_;-47'd 495 mrri_-Hg X 21%·~-'Pol ;:1()1\ m.m -~g: .En et_ itire Jl(¡. medo a nive!_del_,mar, ,P~2 ':':',~~~m~ H_g._ ·

2. ¿Por qué le falta el aliento a una El edema pulmonar aumenta la distancia persona cori edema pulmonar por al· de difusión del oxfgeno. titud {HAPE)?

El aumento de la diStancia de dif¡¡Sión empeora la hipoxia normal por la altitud.

--~~--~~~~~~------~~~--~ los niveles bajos de oxigeno producen la la constrlcdón de las arteriolas pulmonareS hace

3. Basándose en lo que ha aprendido sobre los mecanismos que coordinan la ventilación y la perfusión en el pulmón, ¿puede expli~r por qué los pacientes con HAPE tienen aumenta· da la presión arterial pulmonar? 4. ¿De qué manera la llegada de más

erit~ocitos a la sangre 'ayuda al indi· viduo a aclimatarse a la altitud?

constricción de las arteriolas pulmonares.

El 98% del oxigeno arterial se transporta unido a _!a hemoglobina.

S. ¿Cómo_ afecta el agregado de nuevos la suma de más células aumenta la viscoeritrocitos a la viscosidad de !a-san-· sidad de !a sangre, gre? ¿Qué efecto tendrá esté carribio de la viscosidad sobre el flujo sanguf· neo? 6. ¿Qué ocurre co\'1 el pH del plasma durante la hiperventilación? _

Aplfquese la ley de acción de masas a la ecuación: C02 + Hp :;;== w + HC03-.

7. ¿Cómo afecta este cambio del pH a la unión del ox[g_eno en los pulmones cuando Po2 es baja? ¿Cómo se modifica !a libe-ración de oxigeno en las célu· las?

Véase !a Figura

INTEGRAOÓN Y ANAUS!S

izquierda-_-~e)~

1;,-o;==-

El desplazainiento a la :airja implica que, a Cualquier Po~, 'má$_.02 ~;,vOe·a la hemoglobina Menos 0 2 se liberará en: tos tejidoS a _una dada_ Pol, pero _la Po2_de: l_aS.Cé. lulas es prob_ablemente menor <jue Jo nor; ·. ma_l, '/'!TI ~o_n_secuenda pue
la

8. ¿Por qué cree que la respiración

periódica o de Cheyne-Stokes ocurre con más frecuencia durante el sueño?

la respiración periódica alterna periodos de detención de la respiración (apnea) e hiper·_ . ventilación.

INTÉG~c;ÓN Y ÁNÁi.istS

PREGUNTA 1. ¿CUál es la Po2 del aire inspirado que

llega a los alvéolos a 2 500 m, donde la presión atmosférica seca es de 542 mm Hg? ¿Cómo es este valoren comparación con la Po2 del aire con. 100% de humedad a nivel del mar?

DATOS

~~-c--....;..__,__

que·fa sangre sé acumuté'eli"laS _arterias, -detrás de la constricción, Esto-íiunientci la-preSión iirte:. rial.

la hemoglobina adicion_al aumet~ta la capaddad

de transpórte de_ox~eÍlo de tasan~ re.

oé _a_cüe_fdo-,c~n- ~-_ley'-~· -~)~Ú\lle, él ~umento dé !a viscosidad incrementa !á resistencia al flujo, pOr lo (¡úe el fl~jo-d"e. Sári9~e d~itlirluirá_~-- ·_,

· ta.Canti~atl de ·c()i en:;et Pt;iSina.disrilillWe,au·~ rante la:hi~rV(!ntilai:ión; _lo qué,implj~ Q_U.e _la· ecuad6¡;_5_e. de"s~la_za hacia_la_ iz<¡uier#:__~ --,: . desplaZaÓlien*f-1 ?Isffiin_Uye !a
609

Una ¡x!rsoÍiil:despié~ ·próbab!~;;te hcirá 1.!1) esñ,tell!o·corn_dente ll?ra_ ~pirar~u'rante · .los pé~fodos de apn~a; \rnpidi~r:'ldo el ciclo de la ·respi_ración peri_ódka:

~·· ~IESUMEN

DEL CAPÍTULO

En este capitulo, se aprendió por qué escalar el Monte Everest produce di· ficultad respiratoria, y por qué las personas con enfisema experimentan los mismos problemas a nivel de! mar. El intercambio y el transporte de oxigeno y dióXido de carbono en el cuerpo ilustran el flujo de masas de Jos gases siguiendo gradientes de concentración. El equilibrio homrostático de estos gases en la sangre demuestra el e<JUilibrio de masas: la concentración en la sangre varía de acuerdo con lo que entra o sale de los pulmones y tejidos. La ley de accián de masas dirige las reacciones químicas a través de las cuales la hemoglobina y el oxígeno se unen, y la anhidrasa carbónica cataliza la conversión del COz en agua y áddo carbónico.

Difusión y solubilidad de los gases l. La difusión del oxfgeno y el COz está. influida por los gradientes_ del presión pardal, el área de la superficie, el grosor de la membrana y la

distanda de difustón. (p. 588) 2. La cantidad de gas que se disuelve en un líquido es proporcional a la presión pardal~ gas y a la solubilidad del gas en el liquido. El dióxido de carbono es 20 veces más soluble en soluciones aq¡osas que el oxígeno. (p. 589; Fig. 18-2)

Intercambio de gases en los pulmones y en los tejidos 3. La PO¡ normal alveolar y arterial es de unos 100 mm Hg. La Pcoz arterial normal es de 40 mm Hg. {p. 590; Fig. 18-3) 4. La Po2 venosa normal es de 40 mm Hg. y la Pco venosa normal es de 2 46 mm Hg. (p. 590; Fig. 18-3) S. Tanto la composición del aire Inspirado como la eficada de la ventilación alveolar afectan la Po2 en los alvéolos. (p. 591) 6. Los cambios en la superficte alveolar, en el grosor de su membrana y en la distancia intersticial entre el alvéolo y los capilares pulmonares afectan la eficacia del intercambio de gases y la Po2 arteriaL (p. 592; Flg. 18.4)

Transporte de gases en la sangre 7. El oxígeno se transporta disuelto en el plasma (<2%) o unido a la he·

moglobina ( rel="nofollow">98%). (p. 593; Flg. 18-6) 8. La Po2 del plasma determina cuánto oxígeno se Wlirá a la hemoglobi· na. (p. 596; Fig. 18·9) La unión del oxígeno a la hemoglobina está influida por e! pH, la temperatura, y e! 2,3-difosfoglicerato. (p. 598; Flg. 18-10, 18-11) 10. La sangre venosa transporta el 7% de su dióxido de carbono disuelto en el plasma, e! 23% como catbaminohemoglobina y el 70% como Ión bicarbonato. (p. 601; Fig.lS-14) 11. La anhidrasa carbónica de Jos eritrocitos convierte el C0 en -ácido 2 carbónico, el cual se disoda en H+ y HC03-, El W se Wle a !a hemoglobina, y el HC03- pasa al plasma mediante el desplazamiento o in· tercambio de cloruro. (p. 599)

Regulación_ de la ventiladón 12. El control de la respiración depende de un generador central de patrón, una red de neuronas del tronco encefálico. (p. 602) 13. El grupo respiratorio dorsal del bulbo raquídeo contiene neuronas lnsplratorias que controlan a las neuronas motoras somáticas del diafragma. El grupo respiratorio ventral de neuronas ayuda en la inspi· ración y la espiración activa. (p. 603; Fig. 18-16) 14. Los qulmlorreceptores perlfuicos de los cuerpos aórticos y caroti· deos controlan los niveles de Po21 Pco2 y pH. La ventilación aumenta cuando la Po2 cae por debajo de 60 mm Hg. (p. 604; Fig. 18-18) 15. El dióxido de carbono es el estímulo pri!icipal para los cambios de la ventilación. Los quimiozreceptores centrales del bulbo raquídeo responden a cambios de la Pco2• (p. 604; Fig. 18-19) 16. Los reflejos protectores controlados por receptores periféricos impiden el daño a Jos pulmones por hipertnsuflación o agentes frrttaotes. (p.

60n

17. los procesos de pensamiento consciente e inconsciente pueden afee. tar la actividad respiratoria. (p. 607)

1 :

610

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases ·~~~~~~~--~---~~

Preguntas

.

==·~==.o.-oc .,..·-·····"·=...--==<=,===>"''-'--=""-"===~==---~==

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL UNO: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l 2.

3.

4. S.

6. 7.

8. 9.

Enumere cinco factores que influyan en la difusión de los gases entre el alvéolo y la sangre. · Más del - - - % del oxfgeno de la sangre arterial se transporta unido a la hemoglobina. ¿Cómo se transporta el oxígeno restante a las células? Nombre cuatro factores que Influyan en la cantidad de oxígeno que se une a la hemoglobina. ¿Cuál M ellos es el más importante? Describa la estructura de la molécula de hemoglobina. ¿Qué elemento químico es esencial para su síntesis? Los centros del control de la ventilación se encuentran en e l - - y cl-·- - e n el encéfalo. ¿Qué controlan !os.grupos de neuronas respiratorias dorsal y ventral? ¿Qué es un generador central de patrón? Nombre los quimlorreceptotes que influyen en la ventilactón y expll· que cómo lo hacen. ¿Qué sustancia quúnka es la más importante en el control de la ventilación? Describa los reflejos protectores del sistema resplratorto. ¿Qué evita el reflejo de Hering-Breuer? ¿Cómo se inicta este reflejo? ¿Qué impulsa el ínterc:ambio de oxígeno y dióxido de catbono entre el alvéolo y la sangre o entre la sangre y las ctlulas? Enumere cinco posibles cambios químicos que podrían dar como resultado que llegue menos oxígeno a la sangre arterial.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 10. Mapa conceptual: construya un mapa del transporte de gases ut:!llzando los siguientes términos. Puede agregar más témlinos. Pco2 anhidrasa carbónica Po2 desplazamiento o intercambio de cloruro alvéolo C02 disuelto sangre arterial Oz disuelto carbaminohemoglobina hemoglobina saturadón de la hemoglobina gradiente de presión oxihemoglobina eritrocito plasma sangre venosa 11. En la fuiologia de la respiración, se acostumbra hablar de la Po2 del plasma. ¿Por qué no es ésta la forma más exacta de describir el conte· nido de oxígeno de la sangre? 12. Compa1e y contraste los conceptos de los Siguientes pates: a) transporte de oxígeno y de dióxido de carbono en la sangre arterial b) presió.r; pardal y concentración de un gas disuelto en un liquido 13. ¿La unión de la Hb0 0 aumenta, dismjnuye o no cambia con la disminución del pH? 14. Defina hlpoxia, EPOC e hlpercapnia. 15. ¿Por qué evolucionaron los pigmentos transportadores de oxígeno en los animales? 16. Dibuje los siguientes gráficos y colOque sus leyendas: a) Efecto de la ventiladón en la Poz arterial. b) Efecto de la Pco2 arterial en la v_entilactón. 17. Amedida que la P<>z del p_lasma aumenta: a) ¿Qué pasa con la cantidad de oxfgeno que se disuelve en el plasma? b) ¿Qué pasa con la cantidad de oxígeno que se une a la hemoglobina? 18. Si una persona es anémica y tiene un nivel de hemoglobina inferior al normal en-sus eritrocitos, ¿cómo será su Po2 arterial en comparación con la normal?

1

19. Diseñe las vias reflejas (estimulo, receptor, via aferente, etc.) para el control químico de la ventilación, comenzando con Jos siguientes estímulos: a) Aumento de la Pcoz arterial b) Paz arterial "' ss mm Hg Sea lo más específico que pueda en cuanto a ubicaciones anatómicas. Si lo sabe, incluya neurotransmisores y $US receptores.

d)

pH

a) alguien con una concentractón de hemoglobina normal de 15 g/dL y una Poz arterial de 80 mm Hg b} alguien con una concentración de hemoglobina reducida de 12 g/dL y una Poz arterial normal de 100 mm Hg 22. ¿Qué pasará con cada uno de los siguientes parámetros en una persa.. na que sufre un ataque de asma agudo (broncoconstricclón)? a) Po2 arterial b) saturación de la hemoglobina arterial e) ventilación alveolar 23. En las primeras ínvestlgaciones sobre el control de la respiración rít· · mica, los científicos hicieron las siguientes observaciones. ¿Qué hipótesis podrían haber formulado a partir de cada una de ellas? a) ObservacWn. Si el tronco encefálico está seccionado por debajo de la médula, cesa todo movimiento respiratorio. b) Observad6n. Si el tronco encefálico está seccionado por sobre el nivel de la protuberancia, la ventilación es normal. e) Observaci6n. Si el bulbo taquídeo está completamente separado de la protuberancia y de los centros superiores, la ventilación se torna jadeante pero~ rttmo se mantieile. 24. Un paciente internado con erúennedad pulmonar obstructiva crónica grave tiene una Pco2 de 55 mm Hg y una Po2 de SO nún Hg. Para elevar su oxígeno en sangre, se le administra este gas puro a través de una sonda nasal. El paciente de irunediato deja de respirar: Explique por qué puede ocurrir esto. 25. Usted es un fisiólogo en un viaje espacial hada un planeta lejano. En· cuentra criaturas humanotdes inteligentes en ese planeta, quienes acceden a someterse a sus pruebas. Algunos de los datos que obtiene se muestran más abajo. El primer gráfico muestra la curva de disociación del oxfgeno para el pigmento transportador de este gas presente en la sangre del humanoide llamado Boork. La Po2 alveolar normal de Bzork es de 85 mm Hg. Su Poz celular normal es de 20 mm Hg, pero se reduce a 10 mm Hg con el ejercido. a) ¿CUál es el porcentaje de saturacióñ del pigmento transportador de OXígeno de la sangre de Brork en la sangre en los alvéolos? ¿Y en la sangre en las células en ejercido? · · b) Basándose en el gráfico, ¿qué conclusiones puede sacar sobre los requerimientos de oxígeno de Bzork durante la actividad nonnal y durante el ejercido?

.e

,

~~30-

i--.

{liso _ j ~ 40 ~

20. Marcos trata de esconderse en el fondo de una piScina respirando a través de una manguera de jardín, lo cual ínaementa marcadamente su espado muerto anatómico. ¿Qué ocurre con los siguientes parámetros en su sangre arterial, y por qué? a) PCo2 b) Po• e) Ión bicarbonato

l1 ..

'

~·so'; ~

NIVEL TRES: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

21. ¿Qué persona tendrá más oxígeno en su sangre?

100 90 c)'80

~~870 +--J/.J 1 ;

20

10

:r T

+

·-'·--1

+·· '

+""'"

é_

20

40 60 80 Po2(mmHg)

100

26. El slguí~mte experimento con Bzork involucra su respuesta ventilatoria en diferentes condiciones. Los datos del experimento se gralican

más abajo. Interprete los resultados de Jos experimentos Ay C.

Po2 =SOmmHg PO:! =85 mm Hg

1

611

NIVEL CUATRO: PROBLEMAS ANALITICOS 27. Usted redbe la siguiente informadón sobre un paciente: Volumen de sangre: 5,2 litros Hematocrtto: 47% Concentración de hemoglobina: 12 g/dL de sangre entera

Cantidad total de oxígeno transportado por la sangre: 1 015 mL Po2 plasmática arterial: 100 mm Hg Usted sabe que a una PO¡ plasmática de 100 mm Hg. el plasma con. tiene 0,3 mL de oxígeno/dL, y que la hemoglobina está saturada en un 98%. Cada molécula de hemoglobina puede Unir un máxlmo de cuatro moléculas de oxígeno. Con esta irlformadón, calcule la capacidad máxima de transporte de oxígeno de la hemoglobina (100% de saturación). Las unidades deben ser mL de oxígeno/g de hemoglobina. · 28. Adolf Fick, ell'i$iólogo del siglo XIX que formuló Ia ley de Fick de la difusión, también desanolló la ecuación de Fick que relaciona el consumo de oxígeno, el volumen minuto, y la Po 2 de la sangre:Consumo de 0 _ 2-

volum_en minuto Po2 arterial- Po2 venosa

Una persona tiene un volumen minuto de 4,5 L/min, un contenido arterial de oxígeno de lOS mL de O¡L de sangre y un contenido de oxígeno en !a vena cava de 16 mL de O¡L de sangre. ¿Cuál es el consumo de oxígeno de esta persona? 29. Descrtba lo que pasa con la curva de disociación de la hemoglobina y el oxígeno de la figura 18-9 cuando la hemoglobina en la sangre baja de 15 g/dL a 10 g/di..

l

1 ~

-

P~p!asmática-¡,..

1

612

Capítulo 18 Intercambio y transporte de gases

RESPUESTAS

V Respuestas a las preguntas de revisión Página 589 l. El otro factor que afecta la cantidad de cada gas que se disuelve en la

solución salina es la solubiUdad del gas en esa soluCión. 2. 720mmHgx 0,78N2 =561,6mmHg 3. Falso. El plasma es principalmente agua, y la figura 18-2 muestra que el CO, es más soluble en agua que el 0 2•

Página 599 11. A medida que la Po2 del músculo en ejercicio cae, se libera m~s oxigeno de la hemoglobina. La Po1 de la sangre venosa que abandOna el

músculo sera de 2S mm Hg, al igual que ta Po, del músculo.

Página 602 12. Una obstrucción de las Vías aéreas disminuirá la ventilación alveolar e incrementará la Pco2 arterial. La Pco2 arterial elevada aumentará la concentración de H• en la sangre arterial y disminuirá el pH.

Página 591

4. a) sistema de transporte de electrones b) ciclo del ácido citrtco S. La Po, de los alvéolos no disminuye porque está recibiendo constan-

Respuestas a las preguntas de las figures

S78). Página 592 6. El aire tiene 21% de oxígeno. Por lo tanto, para el aire seco en el Everest, Po2 =0,21x 2S0mm Hg =53 mm Hg. Correcctón por PH;¡O: Po2=(250 mm Hg- 47 mm Hg) x 21%"' (203 mm Hg) x 0,21"' 43 mm Hg. Página593 . 7. Estas enfermedades hacen que la sangre se acurnule en los pulmones

Página S94 Flg. 18·6: El 02 debe cruzar ctnco membranas celulares: dos en la télula alveolar, dos en el endotelio capl!ar y una en el eritrocito. Página 597 Fig. 18-9: (a) Cuando la P~ es de 20 mm Hg, ta hemoglobina está satu. rada en un 34% con oxígeno. (b) La hemoglo\?ina está saturada en un SO% con oxígeno a una Po 2de 28 mm Hg. PáginaS98 F!g. 18-10: (a) Cuando el pH cae de 7,4 a 7,2, la saturación de la hemoglo-

temeñte aire freSco, inhalado del medio ambiente externo ( mp.

debido a que el lado izquierdo del corazón no puede bombear toda la sangre que le llega de la circulactón pulmonar. El aumento del volumen de sangre en los pulmones incrementa la presión arterial pulmonar. 8. Cuando la ventilación alveolar aumenta, la Po2 arterial se incrementa debido a que más aire fresco entra en los alv&llos. La Pco, arrerial disminuye porque la baja PCO¡; del aire fresco diluye a la Pco_¡ alveolar, llevándola por debajo de su valor normal (40 mm Hgl. El gradien· te de presión del C02 entre la sangre venosa (46 mm Hgl y el alvéolo aumenta, haciendo que más C02 abandone la sangre. La Po2 y la Pco2 venosas no cambian porque estas presiones están dadas por los niveles de consumo de oxígeno y de producCión de C0 2 en las célu·

'"·

Página598 9. Sí. La hemoglobina alcanza el lOO% de saturación a 650 mm Hg. Ani·

ve! ~1 mar, la presión atmosférica es de 760 mm Hg, y si la ~atmós­ fera" es un 100% oxígeno, entonces la Po2 es de 760 mm Hg. 10. La forma achatada de la parte superior de la curva de la Po1en !a figu· ra 17-15 indica que la hiperventiladón causa solamente un aumento mínimo en el porcentaje de saturación de la hemoglobina arteriaL

bina disminuye en un 13%, de un 37% a un 24%. (b) Cuando un músculo en ejercicio se calienta, !ibera más oxígeno a una Po 2 dada. Página 599 Fig. 18-11: La pérdida de 2,3·DPG no es buena porque entonces la hemoglobina se une con más fuerza al oxígeno a tos valores de Po2 que se encuentran en las células. Página 599 · Fig. 18-12: (a) La Po2 de la sangre de la placenta es de 28 mm Hg. (b) A una Po2 de 10 mm Hg, la sangre materna está saturada solamente en un 8% con oxígeno. Página 603 Fig. ~8-16: l. Protulmancia; 2. Grupo respiratorio ventral; 3. Quimiorreceptorbulbar; 4. Neurona sensitiva; S. Quimiorreceptor.carotídeo; 6. Neu-

rona motora somática (espiración)¡ 7. Quimiorreceptor aórtico; 8. Intercostales internos; 9. Músculos abdominales; 10. Diafragma; 11. lntercos. tales externos; 12. Escalenos y estemodeidomastoideos; 13. Neurona motora somática (inspiración); 14. Grupo respiratorio dorsal; lS. Sistema límbico; Hí. t:entros cerebrales superiores (emociones y control volunta· rlo)

los riñones Funciones de ios riñones

Anatomía de! aparato urinario 615 El aparato urinario está formado por !os riñones, los uréteres, !a vejiga y la uretra 615 la nefrona es la unidad funcional del riñón

Visión genera! de la fundón renal 618 619

Los tres procesos que ejecuta la nefrona son la filtración, la reabsorción y la secreción El volumen y la osmo!aridad varían a medida que el líquido circula a través de la nefrona

Filtración 620 621 623 623 625

El corpúsculo renal contiene tres barreras de filtración La filtración se produce como consecuencia de la presión hidrostática en los capilares La presión arterial y el flujo sanguíneo renal influyen en la TFG La TFG está sujeta a autorregulación las hormonas y las neuronas autónomas también influyen en la TFG

Reabsorción 626 La reabsorción puede ser activa o pasiva 628 la saturación del transporte renal desempeña un papel importante en la función renal 629 Las presiones en los capilares peritubulares favorecen la reabsorción

Secreción 631

la competencia disminuye la secreción de penicilina

EXCíedón 632 Erdearance (depuración) es un método no invasivo para medir la TFG 633 El clearance y la TFG permiten determinar el manejo renal de los solutos

Micción

INFORMACIÓN BÁSICA

Transportetiansepiteli~l: 150; •. Equilibrio de ~.,;i, 129; .Os~ÓÍarid~dy tonici~ap:JSS;

Filtración en los capilares: 517; Transcitosis: _1_53;_· -Satu_radón-: A-~;;_AUt9r"_regLiladóri deJa""resistend_avascular:-510; Transporte a:través de las membrana,s: ·u7; pH y_ a_rriortiguadó~e_s Cl~l- p~: 37;_: EPi~lio_ _<:ie transporte: _73; -(apilares fenestrados: _515; _Fosfocreatina: 410; COmpetencia: ;146 ,

614

Capítulo 19 Los rifiones

Anatomía del aparato urinario

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gueando,' al ridículo pór el prOb!efn_a mas,- el médico-pareció saber al "Me parece que usted tierie f¡Ota,"_dijo _el

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Alrededor del año 100 a. C., Areteo de Capadocia escribió: "La diabetes es una afección asombrosa, no muy frecuente entre los hombres, que funde la carne y a los núembros y los convierte en orina... Los pacientes no dejan de producir aguas (orina) y el flujo es incesante, como ruando se abren los acueductos". Los médicos saben desde hace dentos de años que la orina, el liquido de desecho producido por los riñones, refleja el funcionamiento del ruerpo. Para ayudarse a diagnosticar las enkrmedades, solían llevar consigo fras.. cos especiales para recolectar e inspeccionar la orina del paciente. El primer paso eil. el examen de una muestra de orina era determinar su color. ¿Era amarillo osruro (orina concentrada), amarillo pálido (diluida), rojo (lo que indicaba la presenda de sangre) o negro (que señalaba la presencia de metabolitos de la hemoglobina)? Una fonna de la malaria o paludismo fue denominada fiebre de aguas negras (hoy fiebre llemoglobinúrica) en la que los metabolitos de la hemoglobina provenientes de la degradadón anormal de los glóbulos rojos tornaban de color negro o rojo oscuro la orina del enfenno. Los médicos también inspeccionaban el aspecto de la orina, la presenda de espuma (que indica la exi.stenda anonnal de proteínas}, el olor y aun elsaboL Los que no querían probar el sabor de la orina ellos mismos, les otorgaban ese "privilegio" a sus alumnos. Cuando el médico no tenía alumnos podía exponer la orina a insectos y observar. su reacción. Es probable que la prueba del sabor de la orina para detectar diabetes mel!itus, históricamente conocida como la enfermedad de la orina dulce, sea el ejemplo más famoso de su uso como método de diagnóstico. La diabetes es una enfermedad endocrina caracte· rizada por la presencia de glucosa en la orina. La orina de los pacientes diabéticos tiene un sabor dulce y atrae a los insectos, lo que hace sencillo su diagnóstico. Aunque en la actualidad se dispone de pruebas más sofisticadas para detectar la presenda de glucosa en la orina, la primera etapa de un análisis de orina sigue siendo el examen del color, su aspecto y su olor. En este capítulo verá por qué se puede dedr mucho acerca del fundonamiento del cuerpo de acuerdo con lo que se enruentre en la orina.

FÚNCIONES DE LOS RIÑONES Si se les pregunta a las personas en la calle: "¿Cuál es la función prindpal del riñón?", es probable que respondan "la eliminación de los desechos orgánicos". En realidad, la función más importante del riñón es la regulación homeostática del conteni· do de agua y iones de la sangre, también llamada equilibrio hidrosalino o equilibrio /Jidroelectrolítico. La eliminación de los desechos orgánicos es importante, pero las alteradones del volumen de la sangre o de los niveles iónicos pueden causar problemas graves antes de que la acumulación de desechos metabólicos alcance niveles tóxicos. Los riñones mantienen las concentraciones sanguíneas de agua y iones en niveles normales a través del equilibrio entre la captadón de estas sustancias y su excreción urinaria, de acuerdo con el prindplo de equilibrio de masas {~ p. 129). La función renal se puede dividir en seis áreas generales: 1. Regulación del volumen del líquido extracelular y de la

2.

3.

4.

5.

presión arterial. Cuando el volumen del líquido extracelu!ar {LEC) disminuye, la presión arterial también se reduce ( ~ p. 508). Si ambos disminuyen demasiado, e! cuerpo no puede mantener un flujo sanguíneo adecuado para irrigar el cerebro y otros órganos esendales. Los riñones trabajan en conjunto con el aparato cardiovasrular para lograr que la presión arterial y la perfuSión tisular se mantengan dentro de valores aceptables. Regulación de la osmolaridad. El cuerpo integra el funcionamiento renal con dertos comportamientos, como la sed, para mantener la osmolaridad de la sangre en un valor cercano a 290 mOsm. En el capítulo 20 se analizarán las vías reflejas que regulan el volumen del LEC y la osmolaridad. Mantenimiento del equilibrio iórtico. Los riñones mantie· nen las concentraciones de los iones fundamentales dentro de un rango normal al equilibrar la captación de la ingesta y la eliminación urinaria. El sodio (Nat) es el principal ión que participa en la regulación del volumen del líquido extrace!ular y de la osmolaridad. Las concentraciones de potasio (K') y de caldo (Ca2+) también se regulan en fonna estricta. En el capítulo 20 se analizará el control renal del equilibrio entre el sodio y el potasio, pero el estudio del caldo se pospone hasta el capítulo 22, en el que se verán todos los aspectos de la homeostasis de este ión. Regulación homeostática del pH. En condidones nonnales, el pH del plasma se mantiene dentro de un rango estrecho ( ~ p. 37). Si el liquido extracelularse torna demasiado áddo, los riñones eliminan W y retienen iones bicarbonato (HC03~), que actúa como amortiguador o buffer del pH ( !1ii p. 38). Por el contrario, cuando el liquido extracelular $e torna muy alcalino, los riñones eliminan HC03- y retienen H+. Estos órganos desempeñan un papel fundamental en la homeostasis del pH, pero no corrigen sus alteraciones de manera tan rápida como lo hacen los pulmones, como se verá en el capítulo 20. Excreción de desechos. Los riñones eliminan los productos de desecho metabólicos y sustandas extraiías al organismo, como los fármacos y las toxinas ambientales. Los desechos metabólicos incluyen la creatinina proveniente del metabolismo muscular ( ~ p. 410) y la urea y el áddo úrico, que son de-

sechos nitrogenados ( ~ p. 111). Un metabolito de la hemoglobina llamado urobilin6geno le otorga a la orina su característico color amarillo. Las hormonas son otras sustanctas en· dógenas que los riñones elíminan de la sangre. Entre las sustandas extraiías que los riñones eliminan en forma activa, se encuentran Ia sacarina, un edulcorante artificial, y el anión benzoato, que fonna parte de un conservante llamado benzoato de potasio y que se ingiere cada vez que se bebe una gaseosa dietética. 6. Producción de hormonas. Aunque los riñones no son glándulas endocrinas, desempeñan un papel fundamental en tres procesos endocrinos. Las células renales sintetizan eritropayetina, la hormona/citoctna que regula la síntesis de glóbulos rojos ( ::l p. 541}. También liberan renina, una enzima que regula la producción de honnonas que participan en la homeostasis de la presión arterial y del equilibrio del sodio. Las enzi. mas renales ayudan a convertir la vitamina D3 en una honnona que regula el equilibrio del Ca2+. Los riñones, como muchos otros órganos del cuerpo, tienen una enonne capacidad de reserva. Según la mayoría de los cálculos, se debe perder casi las tres ruartas partes de la función renal antes de que comience a afectarse la homeostasis. Muchas personas tienen una función renal perfectamente normal con un solo riñón, entre ellas las personas (una por cada 1 000) que nacen con un riñón único (e! otro no se desarrolla durante la gestadón) y las que donan uno de sus riñones para trasplante. S IÓN

la regulación de los iones es una propiedad fundamenta! de la función renal. ¿Qué ocurre con el potencial de membrana en reposo de una neurona si disminuyen los niveles de K+ extrace!ular? {i! p. 269) 2. ¿Qué sucede con !a fuerza de contracción cardíaca si los niveles plasmcitkos de Ca 2• disminuyen en forma sustancial? ( ili1! p. 471)

Respuestas en la p. 639

ANATOMIA DEL APARATO URINARIO El aparato urinario está fonnado por los riñones y las estructuras accesorias (Fig. 19-la 11). El estudio del fundonamiento renal se denomina fisiología renal, que deriva de la palabra latina renes que Significa "riñones."

El aparato urinario está formado por los riñones, los uréteres, la vejiga y la uretra Para comenzar se puede seguir la ruta que sigue una gota de agua en su camino desde el plasma hasta su excreción en la orina. En la primera etapa de la producción de orina, el agua y los solutos pasan del plasma a los túbulos huecos (ne{ronas) que conforman la masa de ambos riñones. Estos túbulos modifican la composidón del liquido a medida que pasa a través de ellos. Ellíquído modifi· cado abandona el riñón y entra en un conducto llamado uréter. De cada riñón sale un uréter, que se dirige a Ia vejiga. É:;ta se expande y se llena con orina hasta que, por acción refleja, se contrae y expulsa la orina a través de un conducto único: la uretra.

615

En los hombres, la uretra atraviesa el cuerpo del pene para llegar hasta el exterior. En las mujeres el orifido uretral está delante de los orificios vaginal y anaL La micción, o acción de orinar, es el proceso por el cual se excreta la orina. Los riñones son el sitio donde se forma la orina. Se enruentran a cada lado de la columna vertebral a nivel de ias costillas undécima y duodécima, justo por endma de la cintura (Fig. 19-lb). Aunque se localizan debajo del diafragma, técnicamente están fuera de la cavidad abdominal, encerrados entre el peritoneo que recubre el abdomen y los huesos y músculos de la región dorsal. Debido a que se encuentran detrás de la cavidad peritoneal, suele describirse a los riñones como retroperitonea/es {retro-, detrás de). La superfide cóncava de cada riñón se orienta hada la columna vertebraL Los vasos sanguíneos, los nervios y los linfáticos renales y los uréteres emergen de esta cara del riñón. Las 51rterias renales, que son ramas de la aorta abdominal, irrigan a los riñones. Las venas renales llevan la sangre desde los riñones hasta la vena cava inferior. En todo momento los riñones reciben 20-25% del volumen minuto cardíaco, aun cuando constituyen sólo el 0,4% del peso corporal total (127-170 gramos cada uno}. Esta tasa de flujo sanguíneo elevada es fundamental para la functón renal.

La nefrona es la unidad funcional del riñón La sección transversal del riñón muestra que su interior está dispuesto en dos capas: una externa, la corteza, y otra interna, la médula {Fig, 19-1c). Estas capas están compuestas por una disposidón organizada de túbulos microscópicos denominados nefronas. Alrededor del SO% de ellas se encuentran casi en su totalidad dentro de la corteza (nefronas corticales), pero el 200k restante (las nefronas yuxtamedu!ares [yuxta-, cerca deD penetran en la médula {Fig. 19-li). La neftona es la unidad fundonal del riñón. (Una unidad fi-m· dona/ es la estructura más pequeña que puede llevar a cabo todas las funciones de un órgano.) Cada una del millón de nefronas

1 •

616

Capítulo 19 Los riñones

Anatomía del aparato urinario

617

ESTRUCTURA DE LA NEFRONA

UMEN ANATÓMICO:

ESTRUCTURA DEL RIÑÓN

!íJ Partes de una nefrona

EL APARATO URINARIO

{f) l!Js capilares de los gloméruloo forman una masa similar a un ovillo.

{a) El aparato urinario

arcuata Glomérulo

=""' colector

(g} cada nelrona tiene dos arteriolas y dos

grupos de capil31eS asociados.

Arte!iolaeferent~

{b) Los riiklnes se locafrzan en el retroperitone<~

a nivel de las costillas inferiores.

1

{dJ Las arterias renales llevan la sangre hacia la corteza renal.

Peritoneo (sección)

Vefiga

"""'

{sección}

{e) En la sección !l'ansversal se observa que el riñón

se divide en una corteza {externa) y una médula Qntema). La orina que sale de las nelronas circula por la pelvis renal an~ de pasar por el uréter ha::ia la v"ga

111 FIGURA 19-1

11!1

FIGURA 19-1 (continuación}

Visión genera! de la función renal 618

619

Capítulo 19 Los riñones

que hay en un riñón se divide en secciones (Fig. 19·1j) y cada sec· clón está estrechamente asociada con vasos sanguíneos especiali· zados {Fig. 19·1g, h). ,. Elementos vasculares d,el riñón La sangre ingresa a! riñón a través de la arteria renal antes de circular por las pequeñas arterias y luego por las arteriolas de la corteza (Fig. 19-ld, e}. Aqui, los vasos sanguíneos se convierten en un sistema porta, uno de los tres que existen en el cuerpo ( ffi p. 229). La sangre circula desde la arteriola aferente hacia el interior de una red de capilares con forma de ovillo conocida como glomérulo (glomus, masa con forma de balón) {Fig. 19-lf). La sangre que sale del glomérulo ingresa a la arteriola eferente y luego a un conjunto de capilares peritubu!ares (peri-, alrededor) que rodean a los tUbulos (Fig. 19-lg). En las nefronas yuxtamedulares, los largos capilares peritubulares que llegan hasta el interior de la médula se denominan vasos rectos (Fig. 19-1h). Por último, los capilares renales se unen para formar las vénulas y las venas de pequeño calibre, que transportan la sangre hasta la vena renal para que abandone el riñón. La fundón del sistema porta i:enal es primero filtrar el líquido que pasa de la sangre a la luz de las nefronas a nivel de los capilares glomerulares y luego reabsorberlo desde el túbulo de nuevo hacia la sangre en los capilares peritubulares. Las fuerzas que par· ticipan en el movimiento de los líquldos dentro del sistema por· ta renal son similares a las que regulan la filtración del agua y de las moléculas fuera de los capilares sistémicos en otros tejidos. S 1Ó N

se produce filtración completa fuera de los capilares glomerulares, entonces la presión hidrostátka capilar debe ser {mayor que/menor que/igual a} la presión coloidosmótka capilar. ( i1ii p. 517} 4. Si se produce reabsorción completa dentro de los capilares peritubu!ares, entonces la presión hidrostática capilar debe ser (mayor que/menor que/igual a} la presión wloidosmótica capilar.

Respuestas en la p. 639

Elementos tubulares del riñón La nefrona comienza con una estructura hueca, con forma de balón, llamada cápsula de Bowman, que todea al glomérulo (Fig. 19·1j). El endotelio del glomérnlo se fusiona con el de la cápsula de Bowman de manera tal que el líquido que se filtra de los capilares pasa directamente a la luz del túbulo. La combinación de la cápsula de Bowman con el glo· mérulo se denomina corpúsculo renal. Desde la cápsula de Bowman, el líquido filtrado fluye hada el túbulo proximal (proximal, cercano), luego hacia el asa de HenIe, un segmento con forma de horquilla que llega en profundidad hasta la mé
Arteriola eferente

Glomérulo

4,"'~~/~

Cápsula de

Tú bulo

Bowman

proximal

~

~ j .•:=.:::.::::·~.·t

¡------- -· t_.~_EFERENCIAS

·j

Asa de

[ _---=Filtración: des
;_

Hen!a

=•"'" '"' '" ' '1~

En la figura 19-1g, nótese cómo la nefrona se retuerce y se pliega sobre sí misma de manera tal que la parte final de la rama ascendente del asa de Henle pasa entre las arteriolas aferente y eferente. Esta región se conoce como el aparato yuxtaglomerular. La proximidad de la rama ascendente y de laj arteriolas permite una comunicación paracrina entre las dos estructuras, una característica ftmdamental de la autorreguladón jel riñón. Debido a que la configuración sinuosa de la nefrona hace dificil seguir el recorrido del líquido, en las figuras restantes de este capítulo se desplegará la nefrona de manera tal que el flujo se representa de izquierda a derecha a través del gráfico.

VISIÓN GENERAL DE LA FUNCIÓN RENAL Imagine que una persona bebe 350 mL de un refresco cada tres minutos: al final de las 24 hs habría consumido el equivalente a 90 botellas de 2litros. Sólo el hecho de pensar en introducir 180 litros de líquido en el aparato digestivo es impresionante; sin embargo, ¡ése es el volumen de plasma que pasa por las nefronas cada día! Pero dado que el volumen promedio de orina que sale del riñón es sólo 1,5 L/dia, más del99% del líquido que ingresa a las nefronas debe retomar a la sangre o, en caso contrario, el cuerpo se deshidrataría rápidamente.

Los tres procesos que ejecuta la nefrona son la filtración, la reabsorción y la secreción En la nefrona se llevan a cabo tres procesos básicos: illtración, reabsorción y secreción (Fig. 19-211). La filtración es el pasaje de líquido desde la sangre hada la luz de la nefrona. Se realiza sólo en el corpúsculo renal, donde las paredes de los capilares g!omerulares y de la cápsula de Bowman están modificadas para permitir el flujo de grandes volúmenes de líquido. Una vez que el líquido que se filtra (filtrado glomerolar) ingresa a la luz de la nefrona, pasa a fonnar parte del entorno externo

hoo• cl

~'""''

1

¡ ·Ala vena

"""

colector

dcl

ru""

E'

Ala vejiga y luego al exterior

11 FIGURA 19»2 Filtración, reabsorción, secreción y excreción

del cuerpo, tal como ocurre con las sustancias presentes en el tubo digestivo { ~ Fig. 1-2). Por lo tanto, todo lo que se filtra dentro de la nefrona está destinado a ser eliminado a través de la orina, a menos que sea reabsorbido. Después de que el filtrado glomeru!ar deja la cápsula de Bowman, se modifica a través de la reabsorción y la secreción. La reabsorción es el proceso de pasa¡e de sustandas presentes en el filtrado desde la luz del túbulo de nuevo al torrente sanguíneo a través de los capilares peritubulares. La secreción elimina de la sangre ciertas moléculas selecdonadas y las adiciona al filtrado en la luz tubular. Aunque tanto la secreción como la filtración gl
Después de abandonar el túbulo proximal, el filtrado pasa a! asa de Henle, el principal sitio de formación de orina diluida. A medida que el líquido atraviesa el asa se reabsorben proporcionalmente más solutos que agua y el illtrado entonces se convierte en hiposmótico en relación con el plasma. En el momento que el fil. trado sale del asa, su osmolaridad promedio es de 100 mOsm y su volumen disminuyó de 54 L/día a alrededor de 18 L/día. Entonces, el 90% del volumen ñltrado en la cápsula de Bowman se ha reabsorbido en los capilares. Desde el asa de Henle, e! filtrado pasa al túbulo distal y al túbulo colector. En estos dos segmentos se lleva a cabo la delicada regulación del equilibrio hidrosalino bajo el control de numerosas hormonas. La reabsorción y, en menor medida, la secreción determinan la composición final del filtrado. En el fmal del tú bulo colector, el illtrado tiene un volumen de 1,5 L/día y una osmo--

El volumen y la osmolaridad varían a medida que el líquido circula a través de la nefrona Ahora se seguirá el recorrido del filtrado a través de la nefrona para aprender lo que sucede en los diversos segmentos {cuadro 19-1 D). Los 180 litros de líquido que se filtran a la cápsula de Bowman cada día tienen una composición casi idéntica a la del plasma y son casi isosmóticos (alrededor de 300 mOsm) (m p. 156). Amedida que el illtrado circula por el túbulo proximal, se reabsorbe aproximadamente el 70% de su volumen, de modo que en la luz quedan 54 litros. La reabSorción se produce cuando las células del túbulo proximal transportan los solutos hacia afuera de la luz y el agua los sigue por ósmosis. El filtrado que deja el túbulo proximal tiene la misma osmolaridad que el filtrado que entra en éL Por lo tanto, se dice que la función primaria del túbulo proximal es la reabsorción de grandes volúmenes de líquido isosmótico.

lOCAUZAOÓN EN LA NEFRONA

VOLUMEN DELÚQUIDO

OSMOLAR!DAD DEL ÚQUIDO

Cápsula de Bowman

180 Vdía

300m0sm

Extremo distal d~l túbufo proximal

54Udía

300m0sm

Extremo distal del asa de Hen!e

18Udía

100m0sm

Extremo distal del conducto colector (orina final)

1,5 Udía (promedio)

50.1 ZOO mOsm

1

62:0

Capítulo 19 Los riíiones Filtración

REVISIÓN

G\omérulo

5.

Capi\ares

Arteriola eferente

peritubulares

A la vena renal

6. Una molécula de agua ingresa a! corpúsculo renal des-

\

Arteriola CB.psu!a aferente

filtrada

~

Ala vejiga y luego al axten'or

de Bowman

---------------Cantidad Cantldad

reabsOrbida +

tlill

de la sangre y finaliza en la orina. Mencione todas ias estructuras anatómicas que atraviesa en su viaje hacia. e! exterior.

'í

úbulo

Cantidad

Cantidad de scluto 1

secretada

excretada

mi

tlill

Mencione una vía en ia que la filtración y la secredón son similares. Mencione otra en la que son diferentes.

g:¡¡ FIGURA 19·3 La

excreción urinaria de una sustancia depende de su filtración, reabsorción y secreción

laridad que oscila entre 50 mOsm a 1 200 mOsm. El volumen y la osmolaridad finales de la orina dependen de la necesidad del organismo de conservar o excretar agua y solutos. Aquí se debe hacer una advertencia: es muy fácil confundir seaedón con ex.aedón. Es necesario tratar de recordar el origen de los dos prefijos. Se- significa alejarse, como cuando algo se aleja o se separa de su fuente. En la nefrona, los solutos secretados pasan del plasma a la luz tubular. Ex- significa fuera de o lejos de, y en este caso seria salir del cuerpo. La excreción hace referencia a la eliminación de una sustancia del cuerpo. Además de los riñones, los otros órganos que llevan a cabo procesos excretores son los pulmones (CO:J y los intestinos (alimentos no digeridos, bilirrubina). La figura 19-2 resume los procesos de filtración, reabsorción, secreción y excreción. La filtración se realiza en el corpúsculo renal a medida que el líquido pasa desde los capilares del glomérulo a la cápsula de Bowman. La reabsorción y la secreción tienen lugar a lo largo del resto del túbulo y producen transferencia de sustancias ~1,1tre la luz y los capilares peritubulares. La cantidad y la composición de las sustancias que son reabsorbidas y secretadas varían en los diferentes segmentos de la nefrona. El filtrado que permanece .::n la luz en el extremo distal de la nefrona se excreta como orina. La cantidad de una sustancia excretada en la orina refleja e(}. mo fue manejada durante su pasaje a través de la nefrona (Fig. 193 !m¡. El monto excretado es igual al monto filtrado en el túbulo, menos la cantidad reabsorbida por la sangre, más la cantidad secretada en la luz tubular: Cantidad excretada = cantidad filtrada- cantidad reabsorbida+ cantidad secretada Esta ecuación es una forma útil de pensar en el manejo renal de los solutos. En las siguientes secdones se analizarán con más detalle los importantes procesos de filtración, reabsorción, secreción y excreción.

(a) Las céMas de! epite,\0 que rodea a !os capilams glomerulares se convierten en podocllos.

(b) Microlotograifa que muestra los pies de :os podocitos rodeando al capilar glomerular.

Cápsura deBowman

Rama

6:21

Epitelio

Metrmla

7. ¿Qué le sucedería a! cuerpo si la filtración continúa a una tasa norma! pero !a reabsor
FILTRACIÓN La filtración del plasma hada el interior del tú bulo renal es ia primera etapa de la formación de orina. Este proceso relativamente inespecífico genera un filtrado cuya composiCión es similar a la del plasma pero sin la mayoría de las proteinas plasmáticas. En condiciones normales, las células sanguíneas permanecen dentro del capilar, de manera tal que el filtrado está compuesto sólo por agua y solutos.

El corpúsculo renal contiene tres barreras de filtración La filtración se lleva a cabo en el corpúsculo renal (Fig 19-4 §1), que está formado por los capilares glomeruiares rodeados por la cápsula de Bowman. I.as sustancias que salen del plasma deben pasar a través de tres barreras de fiitrad6n antes de entrar en la luz tubular: el endotelio del capilar glomerular, una lámina basal (membrana basal) y el epitelio de la cápsula de Bowman (Fig. 19-4d). La primera barrera es el endotelio capilar. Los capilares glomeru!ares son capilares {enestrados ( ~· p. 515) con grandes poros que permiten que la mayoría de los componentes del plasma fil. tren a través del endotelio, pero lo suficientemente pequeños como para evitar que las células sanguíneas salgan del capilar. Además, las proteínas con carga negativa que se encuentran sobre la superficie del poro ayudan a repeler a las proteínas plasmáticas que también tienen carga negativa. Las células mesangiales glomerulares se encuentran entre los capilares del glomérulo y a su alrededor {Flg. 19-4c). Estas células tienen proyecciones citoplasmáticas de filamentos similares a la actina que les permiten contraerse y modificar el flujo sanguíneo a través de los capilares. Además, las células mesangiales secretan citocinas que participan en los procesos inmunitarios e inflamatorios. Las alteraciones de la función de estas células producen muchos procesos patológicos que afectan al riñón. La segunda barrera de filtración es una capa acelular de matriz ex:tracelular denominada lámina basal, que separa el endotelio capilar del epitelio que recubre la cápsula de Bowman (Fig. 194d). Esta lámina está formada por glucoproteinas con carga negativa y una sustanda similar al colágeno que actúa como un tamiz grueso que separa la mayoría de las proteínas plasmáticas del U~ quid o que se filtra. La tercera barrera de filtración es el epitelio de la cápsula de Bowman. La pordón de epitelio capsular que rodea a cada capilar glomerular está formada por células espedalizadas llamadas podocitos ¡podos, pies) (Fig. 19-4c). Estas células tienen largas ex:ten-

luz de la cápsura deBowman

(e) Los pies de los pododlos rodean a cada ca~1ary dejan espacios a través de los cuales se produce la filtración.

,.,_ .. __ ,._

"'"''" "'""''

deSowman

1 mFIGURA 194 El corpúsculo renal El endotelio capilar glomerular, la lámina basal y el epitelio de la cápsula de Bowman forman una barrera de filtración de tres capas.

siones cttoplasmáticas denominadas pedicelos que nacen en el cuerpo principal de la célula (Fig. 19-4a, b). Estas prolongaciones citoplasmáticas envuelven a los capilares glomerulares y se entrelazan unos con otros, dejando unas. estrechas hendiduras de filtración cerradas por.una membrana. Los pedacitos, como las células mesangiales, contienen fibras contráctiles. Éstas están conectadas con la lámina basal por medio de integrinas. Cuando se imagina el plasma que filtra a través del capilar glomerular es fácil creer que todo su votumen pasa a la cápsula de Bowman. Sin embargo, la filtración de todo el plasma dejaría atrás un sedimento de células temáticas y p!oteínas que no podria.salir del glomérulo. En realidad sólo la quinta parte de todo

el plasma que circula por los riñones se filtra en las nefronas. El resto del plasma junto con la mayoría de las células hemáticas y las proteínas plasmáticas circula por los capilares peritubulares (Fig. 19-Siill). El porcentaje del volumen plasmático total que filtra hacia el interior del túbulo se denomina fracción de filtración.

La filtración se produce como consecuencia de la presión hidrostática en los capilares ¿Qué es lo que regula la filtración a través de las paredes de los capilares glomerulares? El proceso es similar en muchas maneras

622

Capítulo 19 Los riñones

Filtración fa FIGURA 19-5 La fracción de filtración

Sólo el 20% del plasma que atraviesa el g!oméru!o se filtra. Se excreta menos de! 1% del líquido filtrado.

!•

La autorregulación mantiene la

623

(a) Elllujo sangulneo renal y la TFG varían si la resiStencia en las arteriolas cambia.

TFG casi constante cuando la presión artertal media está entre

2

SO y 180 mm Hg.

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o

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Presión artelial media nonnal

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80

120

160

21)0

Presión arterial media [mm Hg) 11 FIGURA 19-7 La autorregulación de la filtración glomeru·

a la filtración del líquido de los capilares sistémicos ( ~ p. 517) y está influido por las siguientes fuerzas: 1. La presión hidrostática (PH) de !á sangre que circula a través de los capilares glomerulares empuja el líquido a través del endotelio permeable. La presión capilar promedia los SS mm Hg y favorece la b1tradón hacia la cápsula de Bowman. Aunque la presión disminuye a lo largo de los capilares, sigue siendo mayor que la presión opuesta. En consecuencia, se produce filtración en casi toda la longitud de los capilares glomerulares. 2. Dentro de los capilares glomerulares, la presión rofoidosmótica (!t) es mayor que la del líquido presente en la cápsula de Bowman. Este gradiente de presión se debe a la presencia de las proteínas plasmáticas. E! gradiente de presión osmótica promedia los 30 mm Hg y favorece el retomo del liquido hacia los capilares. 3. La cápsula de Bowman es un espacio cerrado y por ello la presencia de líquido dentro de ella crea una presión hidrostátiw del líquida (Pilqukl.), que se opone al pasaje hacia su interior. El !f. quido que sale de los capilares debe desplazar al líquido que ya está presente en la luz capsular. La presión hidrostática del líquido que se encuentra dentro de la cápsula es en promedio de 15 mm Hg y se opone a la filtración.

Las tres presiones que influyen en la filtración glomerular {presión arterial capilar, presión coloidosmótica capilar y presión del liquido capsular) se resumen en la figura 19-6 11. El gradiente neto es de 10 mm Hg a favor de la filtraCión. Aunque esta presión puede parecer no muy alta, cuando se combina con la naturaleza permeable de los capilares fenestrados da como resultado una rá· pida filtración de líquitb hacia los túbulos. El volumep. de líquido que se filtra hada la cápsula de Bowman por unidad de tiempo es la tasa de filtración glomerular (fFG). En promedio es de 125 mUroin o 180 L/día, una tasa increíble si se considera que el volumen pl~ático total es sólo 31itros. Esto significa que los riñones filtran el volumen plasmático completo 60 veces por dia o 2,5 veces por hoia. Si no se reabsorbiera la mayor parte del filtrado durante su pasaje a través de la nefrona, ¡se elimi· naría todo el plasma en apenas 24 minutos de filtración! Dos factores influyen en la TFG: la presión de filtración total ya descrita y el coeficiente de filtración. La presión de fl.l.tración

está determinada principalmente por el flujo sanguíneo renal y por la presión arteria!. El coeficiente de filtración tiene dos componentes: el área de la superficie de los capilares glomerulares disponible para la filtración y la permeabilldad de la interfase capilar-cápsula de Bowman. En este aspecto, la filtración glomerular es similar al intercambio gaseoso que se produce en los alvéolos, donde la tasa de intercambio depende de la diferenda entre las presiones pardales de los gases, el área de la superficie de los alvéolos y la permeabilidad de la membrana alveolar.

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~--~ RJ6Í 1 S 1 Ó N

'7.)_;:r 8. ¿Por qué la presión osmótica del plasma en las arterio"'""

las eferentes es mayor que en !as arteriolas aferentes? Respuesta en la p. 639

Glomérulo

de Bowman

·-··-----] 1t PIGuid
~

--------··---------·--·

j REFERENCIAS-~· PH

=presión hklrostática (presión arteria~

'11"

"

1

b

gradiente de presión coloidosmótica,

debido a que hay proteínas en el plasma pero no en la cápsula de Bowman

lar se lleva a cabo dentro de un amplio rango de presiones arteriales

(b) La vasoconstñcción de la arteriola aferente aumenta la resistencia y disminuye el flujo sanguíneo renal, la presión capilar (Pr;J y !a TFG.

La presión arterial y el flujo sanguíneo renal influyen en la TFG La presión arterial proporciona la presión hidrostática que regula la filtración glomerular. Por lo tanto, parece razonable pen. sar que si la presión arterial aumenta, también lo hará la TFG, y si la presión arterial disminuye, lo mismo sucederá con la TFG. Sin embargo, no suele ser así. En lugar de ello, la TFG se mantiene muy constante dentro de un amplio rango de presiones. Si la presión arterial media permanece entre 80 y 180 mm Hg, la TFG promedio es de 180 Lidia (Fig. 19-711). La TFG está regulada principalmente por el flujo sanguíneO que circula a través de las arteriolas renales (Fig. 19-811). Si la resistencia total de estas arteriolas aumenta, el flujo sanguíneo renal disminuye y la sangre se deriva a otros órganos ( ~ Fig. 1514), El efecto del aumento de la resistencia sobre la TFG depende de dónde orurre el cambio de resistencia, Si la resistenda aumenta en la arteriola aferente (Fig. 19-8b}, la presión hidrostática disminuye en e! lado glomerular de la cons-tricción. Esto implica una disminución de la TFG. Si la resistencia aumenta en la arteriola eferente, se forma un "dique" de sangre frente a la constricción y la presión hldrostática en el capilar glomerular se incrementa (Fig. 19-8c). El aumento de la presión g!omerular incrementa la TFG. Cuando la resistencia en las arte. riolas aferente o eferente disminuye se producen los cambios opuestos. La mayor parte de la regulación tiene lugar en la arte. riola aferente.

,f'R E(ffl S 1Ó N l~~jJY9. Si la presión arterial de una persona h1pertensa es \0~:,': 143/107 mm Hg y fa presión arterial media es igual a la presión diastólka + 113 de la presión dfferencial, ¿cuál es su presión arteria! media?¿ Cuál es la TFG de esta persona de acuerdo ¡;:on la figura 19·7?

(e) 6 aumento de la resistencia de las arteriolas eferentes disminuye el f.-ujo sanguíneo renal pero aumenta la Pfl y la TFG.

{~

PREGUNTA ¿Qué ocurre con la presiÓil arterial capilar, la TFG y el FSR cuando se

dilata la arteriola aferente?

Respuestas en fa p. 639

presión·""· . ·.da por la clpsula deBowman

l!l FIGURA 19-6 La presión de filtradón en el corpúsculo rtr-

La TFG está sujeta a autorregulación

nal depende de la presión hidrostática, de la presión coloi~ dosmótica y de la presión de/líquido

pro~so

La autorregulación de la tasa de filtración glomerular es un de control local en el que el riñón mantiene una TIG re-

l!ll FIGURA 19--8 Los cambios produddos en las arteriolas re-

nales modifícan la TFG y el flujo sanguíneo renal

1

624

Capítulo 19 Los riñones

filtración ramiento se abren y las células musculares primero se despolarizan y luego se contraen. La vasoconstricción aumenta la resistencia al flujo y, por ello, el flujo sanguíneo a través de la arteriola disminuye. La reducción del flujo sanguíneo disminuye la presión de filtración en el glomérulo. Si la presión arterial disminuye, el nivel tónico de la contrac. ción arteriolar degparece y la arteriola se dilata al máximo. Sin embargo, la vasodilatación no es tan eficaz para mantener la TFG como lo es la vasoconstricción debido a que en condiciones normales la arteriola aferente está muy relajada. Por eso cuando la presión arterial media cae por debajo de 80 mm Hg la TFG disminuye. Esta reducción es un mecanismo de adaptadón ya que si se filtra menos plasma, la posibiUdad de que se pierda líquido a través de la orina disminuye. En otras palabras, una disminución de la TFG ayuda a conservar la volemia.

!auvamente constante frente a fluctuaciones normales de la presión arterial. Este proceso no se comprende totalmente pero se sabe participan numerosos mecanismos. La respuesta miogénica es la capacidad intrínseca del músculo liSo vascular de responder a las variaciones de presión. La retroalimentación tubuloglomeruiar es un mecanismo de seña!izadón paracrino a través del cual las variaciones en el flujo del líquido que atraviesa el asa de Henle influyen en la TFG. Respuesta miogénica La respuesta miogénica de arteriola aferente es sinúlar a la autorregulación en otras arteriolas sistémicas. Cuando el músculo liso de una arteriola se estira debido al aumento de la presión arterial, los canales iónicos sensibles al esti-

1•1

Retroalimentación tubuloglomerular Es una vía de control local en la que el flujo de líquidos a través del túbulo influye en la TFG. La configuración sinuosa de la nefrona hace que la porción final de la rama ascendente del asa de Henle pase entre las arteriolas aferente y eferente {Hg. 19-9a !lj, Las paredes del túbulo y de las arteriolas están modificadas en las regiones en las que hacen contacto entre sí, y juntas forman el aparato yuxtaglomemlar. La porción modificada del epitelio tubular es una placa de células !!amada mácula densa (Fig. 19-9b). La pared adyacente a la arteriola aferente tiene células musculares lisas especializadas lla. madas células granulares (también conocidas como ce111las yuxtaglomernlares o YG). Las células granulares secretan renina, una enzima que participa en el mantenimiento del equilibrio hidrosalino. Cuando el transporte de NaCI más allá de la mácula densa aumenta como resultado del incremento de la TFG, las células maculares envían un mensaje paracrino a la arteriola aferente vecina (Fig. 19-10 11). Ésta se contrae, lo que incrementa la resistenda y disminuye la TFG. La evidencia experimental indica que las células de la mácula densa transportan NaCl y que variaciones en el transporte de sal dan inicio a la retroalimentación tubuloglomerular. La señaliza-

Arteriola

CápsuladeBowman

. i) Aumenta la TFG.

LT ~ Au~:ta el flujo a través del túlruio.

L,.··

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(¡ El flujo más allá de la mácula densa aumenta

L¡-··

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~ Las sustan:~ ~nas difunden desda

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~ La arte~~:a~~nte se contrae.

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deHen!e

Las células de la mácula densa sensan el flujo del túbulo distal y liberan sustanclas paracrinas que afectan el diámetro de la arteriola aferente.

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11 FIGURA 19·10 Retroalimentadón tubulaglomerular

ctón paracrina entre la mácula densa y la arteriola aferente es compleja y los detalles no están daros. Algunos experimentos confirman que muchas moléculas de señalización paracrina, como el ATP, la adenoslna y el óxido nítrico, pasan desde la mácula densa a la arteriola.

Las hormonas y las neuronas autónomas también influyen en la TFG

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1!1 FIGURA 19~9 El aparato yuxtaglomerular

Túbuto

625

Una de las principales funciones de los riñones es el control integrado de la presión arterial sistémica. Centros integradores que se encuentran fuera de los riñones pueden utilizar hormonas y al sistema nervioso autónomo para modificar la tasa de filtractón g!omerular. Estas señales nerviosas y hormonales actúan de dos formas: modificando la resistencia en las arteriolas y alterando el coeficiente de filtración. Las neuronas simpáticas que inervan a las arteriolas aferente y eferente llevan a cabo el control nervioso de la TFG. La inerva· ctón simpática de los receptores a: que se encuentran en el músculo liso vascular produce vasoconstricción (~ p. 512). Si la actividad simpática es moderada, el efecto sobre la TFG es pequeño. Sin embargo, si la presión arterial sistémica disminuye en forma abrupta, como ocurre cuando hay una hemorragia o deshidrataCión grave, la vasoconstricción de las arteriolas inducida por el sistema simpático reduce la tasa de filtración glomerular y el flu-

jo sanguineo renal. Ésta es una respuesta adaptativa que ayuda a conservar la volemia Varias hormonas también influyen sobre la resistencia art~o­ lar. Entre las más importantes están la angiotensina II, un potente vasoconstrictor, y las prostaglandinas, que actúan como vasodilatadores. Estas mismas hormonas pueden afectar el coeficiente de filtración al actuar sobre los podocitos o las células mesangiales. Los podocttos modifican el tamaño de las hendiduras de filtración glomerulares. Sí éstas se ensanchan, existe un área de superficie mayor disponible para la filtración y la TFG aumenta. La contracción de las células mesangiales parece causar cambios en el área de los capilares glomerulares disponible para la filtración. Todavía hay mucho por aprender acerca de estos procesos, y los fisiólogos están investigándolos activamente. ,Ji

cf¡R.,~VISIÓN ~:;:;}/"' 10. Si la presión arterial sistémica permanece constante '};V

pero la arteriola aferente de una nefrona se contrae ¿qué sucede con el flujo sangulneo renal y la TfG en esa nefrona? 11, Una

persona con cirrosis hepática tiene niveles de proteínas plasmáticas inferiores a lo normal y en conse. cuenda una TFG superior a lo normal. Explique por qué !a disminudón de !a concentración de proteínas en el plasma produce un aumento de la TFG, Respuestas en la p. 639

1

Reabsorción 626

627

capitulo 19 Los riñones !1 FIGURA 19~11

161 FIGURA 19-12 Reabsorción de sodio

Principios que rigen la reabsorción tubular del agua y

en el túbufo proximal

+"'

fos solutos Algunos so!utos y el agua ingresan a las células epiteliales y luego salen de ellas (transporte transce!ular o transepltelial), otros pasan a través de las uniones entre !as células del epitelio (vía paracelular).

Proteína de membrana

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JD El Na+ ingresa a la célufa a través de las proteínas

¡. de membrana, a favor de su gradiente e,'ectroquímico.

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é Er ~ r:~rbe medíante ¡_·-·--··--·· .---------·· G 8 gradiente electroquímico produce reabsorción Í

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de aniones.

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REABSORCIÓN Cada día pasan 180 litros de liquido filtrado desde los capilares glomerulares hada el interior de los túbulos, pero sólo se excretan alrededor de 1,5 litros de orina. Por lo tanto, a medida que el filtta· do attaviesa las nefronas se debe reabsorber hada la sangre más del 99% del líquido que ingresa a los túbulos. La mayor parte de esta reabsorción se lleva a cabo en el túbulo proximal y sólo una pequeña parte tiene lugar en los segmentos distales de las nefronas. La reabsordón regulada en la nefrona distal les peimite a los riflones devolver selectivamente a la sangre iones y agua, de acuerdo con lo que sea necesario para mantener la homeostasis. Una pregunta que es necesario hacerse es: "¿Por qué molestarse en filtraÍ 180 LJdía para luego reabsorber el 99% de ello? ¿Por qué no sólo filtrar y excretar el 1% que se necesita eliminar?". Existen dos razones. Primero, muchas sustandas ajenas al organismo se filtran al túbulo pero no se reabsorben. La alta tasa de filtración diaria elimina rápidamente del plasma esas sustancias. Segundo, la filtración de iones y agua en el túbulo simplifica su regulación. Si una parte del ffitrado que llega a la nefrona dis· tal no es necesaria para mantener la homeostasis, pasa a la Orina. Con una TFG alta, esta excreción puede producirse de manera bastante rápida. En cambio, si los iones y el agua se necesitan, se reabsorben.

La reabsorción puede ser activa o pasiva La reabsorción de agua y solutos desde la luz tubular hacia el

líquido extracelular depende del ttansporte activo. El ffitrado que sale de la cápsula de Bowman hada el túbulo proximal tiene la misma concentradón de solutos que el liquido extracelular. Para sacar los solutos de la luz, las células tubulares deben, por lo tan-

é El agua se mueve por ósmosis y stgue la !. reabs~:~:~~~ .soltrtos.

é' conc:-:~nes ¡ Los permeables se reabsorben

Las de otros solutos aumentan a medida que el volumen de líquido dentro de la luz disminuye. soltrtos por difusión.

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to, utilizar el transporte activo, creando gradientes de concentradón o electroqulmicos. El agua sigue a los solutos por ósmosis a medida que se reabsorben. La figura 19-1111 muestra un esquema general de la reabsorción. El ttansporte activo de Na~ desde la luz tubular hacia el líquido extracelular crea un gradiente eléctrico transepitelial en el que la luz es más negativa que el LEC. Entonces los aniones siguen a Jos iones Na+, de carga positiva, hada afuera de la luz. El movimiento neto de Na+ y aniones desde la luz hacia el líquido extra· celular hace que el agua los siga por ósmosis. La pérdida de volumen dentro de la luz aumenta la concentración de los solutos {entre ellos K+, CaZ+ y urea) que permanecen en el filtrado: la cantidad de solutos no modificada en un volumen más pequeño produce un aumento de la concentración. Cuando las concentraciones de solutos dentro de la luz son mayores que las concentradones de solutos en el liquido extracelular, los solutos están libres para difundir fuera de la luz si el epitelio tubular es permeable a eUos. La reabsorción se realiza tanto por transporte transepitelial (también llamado transporte transcelular), en el que las sustancias atraviesan !as membranas apical y basolateral de las células epiteliales del túbulo ( ~ p. 150), como por la vía paracelular, en la que las sustancias pasan a través de la unión entre dos células adyacentes. Qué ruta toma un soluto depende de la permeabilidad de las uniones epiteliales y del gradiente electroquímico para ese soluto. En el caso de los solutos que pasan a través de las células epiteliales, sus gradientes de concentración determinan los mecanismos de transporte. Los solutos que siguen su gradiente de concentradón (o electroquímico) utilizan canales permeables o transportadores por difusión facilitada para atravesar la membrana celular. Las moléculas que deben ser transportadas en contra de su gradiente de concentración se mueven por transporte acti-

vo primario o secundario. El sodio participa directa o indirectamente en numerosas instandas tanto del transporte activo como del transporte pasivo. Transporte activo de sodio Este tipo de transporte es !a principal fuerza que impulsa la mayor parte de la reabsorción renal. Como se mendonó antes, el filttado que ingresa al túbulo proximal tiene una composición iónica similar a la del plasma, con una concentración de Na"" más alta que la que se encuentra en las células. Por lo tanto, el Na" presente en el filtrado puede entrar en las células tubulares en forma pasiva a favor de su gradiente electroquímico (Fig. 19-12111). El transporte apical de Na+ utiliza varias proteínas simportadoras y

cottansportadoras bidireccionales o contratransportadoras ( ~ p. 139) o canales permeables. En el túbulo proximal, un contratransportador bidireccional Na+ -H+ desempeña un papel fundamental en la reabsordón de Na~. Una vez dentro de la célula tubular, la ATPasa de sodio y potasio transporta el Na+ hacia afuera en forma ac~ tiva a través de la membrana basolateral. El resultado final es la reabsorción de Na+ a través del epitelio tubular.

11 FIGURA 19~13 Reabsorción de glucosa

REFERENCIAS

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1

Transporte activo secundario: cotransporte con sodio En la ne~ frona, el transporte activo secundario ligado al sodio es responsa~ ble de la absordón de muchas sustancias, como glucosa, aminoácidos, iones y diversos metabo!itos orgánicos. La figura 19-13 m

dependiente del sodio en el túbulo proximal

Transportador activo

-. • Transportador activo secundario

,!J ;Trensportador por difusión facilitada

El Ni+ que pasa a favor de su gradiente electroquímico mediante la proteina SGLT atrae glucosa hacia el tnterior de !il Célula contra su gradiente de cor.centración.

·la glucosa difunda fuera de !a célula por su cara _basolateral mediante la proteína GLUT.

·~ATl'"' Nw-~:~el Na• de la oélola

628

Capítulo 19 Los riñones Reabsorción

muestra un ejemplo: la reabsorción de glucosa dependiente del Na~ a través del epitelio del túbulo proximal ( ~ Hg. 5-26}. La membrana apical contiene al cotransporta4or de Na~·giucosa lSGLTl que atrae glucosa hacía el citoplasma en contra de su gradiente de concentración aprovechando la energía del NaTque se mueve a favor de su gradiente electroquímico. En !a cara basolateral de la célula, la ATPasa NaT-KT saca Na~ mientras ia glucosa difunde hacia afuera con ayuda del transportador GLUT por difusión fadiítada. Para muchas otras moléculas absorbidas mediante el transporte dependiente de Na~ se map.tíene el mismo patrón básico: una proteína cotransportadora simportadora apical y un transportador de difusión facilitada baso!ateraL Reabsorctón pasiva: urea La urea, un producto de desecho nitrogenado, no tiene transportadores activos en el túbulo proximal síno que pasa a través del epitelio por difusión si existe un gradien· te de concentración para eUa. Al principio, las concentraciones de urea del filtrado y del líquido extracelular son iguales. Sin embargo, el transporte activo de Na• y de otros solutos presentes en el túbulo proximal crea un gradiente de concentracíón de urea a través de los procesos siguientes. Cuando se reabsorben el Na+ y !os otros solutos del tú bulo pro· ximal, la transferencia de partículas osmóticamente activas aumenta la concentración del líquido extracelular por encima de la del filtrado que permanece en la luz (véase la Fig. 19-11). En respuesta al gradiente osmótico, el agua pasa a través del epitelio por ósmosis. Hasta aquí las moléculas de urea no dejaron la luz debido a que no hubo un gradiente de concentración para el!as. Sin embargo, a partir del momento en que el agua sale de la luz tubular, la concentradón de urea en el filtrado aumenta debido a que la misma cantidad de urea está contenida en un volumen menor. Una vez establecido el gradiente de concentración para la urea, ésta difunde fuera de la luz hada el líquido extracelular. Transdtosis: las proteínas plasmáticas La ft1tración del plasma en el glomérulo normalmente deja a la mayor parte de las proteínas dentro de la sangre, pero algunas hormonas y enzimas proteicas pequeñas pueden pasar a través de la barrera de filtración. Lamayor parte de las proteínas filtradas se reabsorben en el túbulo pro-

ximal, lo que da como resultado que en la orina sólo aparezcan trazas de proteínas. A pesar de que son muy pequeñas, las proteínas filtradas son demasiado grandes para ser reabsorbidas mediante transportadores o a través de canales. En lugar de esto ingresan a las cé!uias del túbulo proximal por endocitosis en la membrana apical. Una vez dentro de la célula, las proteínas pueden ser digeridas y liberarse en Íorma de aminoácidos o se las puede transportar intactas hasta el líquido extracelular mediante transcitosis ( :g p. 153).

La saturación del transporte renal desempeña un papel importante en la función renal En la nefrona, la mayoría de los mecanismos de transporte utilizan proteínas de membrana y exhiben las tres características del transporte mediado: saturación, especificidad y competencia {~ p. 145). La saturación es la máxima velocidad de transporte, y se produce cuando todos los transportadores están ocupados por un sustrato (o están saturados con éste). Cuando las concentraciones de un sustrato son menores que la del punto de saturación, la velocidad de transporte se relaciona directamente con la concentración {Fig. 19-I41Bl). Cuando las concentraciones del sustrato son igua· les o mayores qu!! la del punto de saturación, el transporte se produce a la velocidad máxima. La velocidad de transporte en condiciones de saturación es el transporte máximo Tm ( ~ p. 147). La reabsorción de la glucosa en la nefrona es un ejemplo excelente de las consecuencias de la saturación. Cuando las concentraciones plasmáticas de glucosa son normales, toda la glucosa que ingresa a la nefrona se reabsorbe antes de que llegue al fmal del túbulo proximal. El epitelio tubular está bien provisto de transportadores para la glucosa a medida que el filtrado circula. Pero, ¿qué pasa si las concentraciones de glucosa se convierten en excesivas, como ocurre en la diabetes mellitus? En ese ca~ so, la rapidez de filtrado de la glucosa es mayor que la de reabsordón por parte de los transportadores. Éstos se saturan y son incapaces de reabsorber toda la glucosa que circula a través del túbulo. Como consecuencia, parte de !a glucosa escapa de la reabsor. ción y se excreta en la orina.

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Muchas de las personas qu"e tieñe_n tina _n-e_fio¡Jatr~_-9rá~e-d,ép~fí:: den de la diálisis, ur\ procedimie~to rrlédfc~_qué C9mP!é~~-~tá o__ . reemplaza completamente el fun(iorÍamíento d~ s~. ~ifi=~ñé_S. :lnÍa~ gine que intenta _crear una máqVina.o un proc~~Íf1IÍ~ni~:,G~eJ.!e-: ve a cabo !as fondones del.rifión~ ¿Qué tend~ía 9ú~:-h,2~-e~zia:díálisis se basa en_ la difusión a través de una metÚbra;n~ _S~miper· _ meabl~. _El a"gua y los so!utos pasan del liquido. extracel~!a~_del: paciente hada el_ líquido para diálisis a través de·ta iné1nbra?a-:La _hemo_diálisis hace pasar a la sangre provenientede! braz:O'
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~-ri;_ái¡~in_á tre~ ~f.is:~~r,-~mjria.:dur~~te.~S ·h~r~:~ y'se ulmz~ eñ los casos más·graves de:in_suficienda_ r~nat la diálisis peritonea(tam· bién se_ denomina diálisis perit~n_ea{.c?ntiñua_·am_~ufatoria (OPCA) debido a que_se.re~li_z:a mientraS~~ padeni:e sigue Con sus actividades diarias. En:·ta _DPcA se inyecta e(!í~uid~o r.a_ra diá_!isi_s dentro_ ·de la cav.ídad periton_eal, donde il.cu_~-~la:durante:~6 horas lo~ productos. de des&h() provenlen_teS de"t_a sangi-e_antes de ser evacuado._ Para obtef!eT más. inform~dón_ a_ce_rca de !a diálisis se puede ingresar al sitio del Ñ_ational lnstitute of Diabetes and Digestl· ve and Kidnéy Diseases (www.niddk.nih.gov) y buscar en Health !riformation: Kidney. . ,

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(Sustrato] en el p!asma (mg/ml)

PREGUNTA ¿CUál es !a tasa de transporte a las siguientes concentraciones pla$fTJálicas de un sustrato: 3 mg/mL. 5 mg/ml, 8 mglmL? ¿A qué concentración plasmática del sustrato la tasa de transporte es 4 mg/min?

11 FIGURA 19-14 Saturación del transporte mediado

La tasa de transporte de una sustancia es proporcional a su con· centración plasmática hasta la concentración a !a cual se saturan los transportadores. Al produdrse !a saturación, !a tasa de trans~ porte alcanza su máximo nive~ conocido como transporte máxi· mo. La concentración plasmática de un sustrato a la cual se produce e! transporte máximo se denomina umbral renal. Considere la siguiente analogía. Imagínese que los transporta· dores son como asientos de un tren de Disney World. En lugar de abordar el tren detenido desde una plataforma estacionaria, los pasajeros caminan sobre una cinta transportadora en movimiento junto al tren. Cuando los pasajeros ven un asiento libre, lotoman. Pero si sobre la cinta transportadora hay más personas que el número de asientos disponibles, algunas no podrán sentarse. Y como la cinta transporta a las personas más allá del tren hacia la salida, no pueden quedarse y esperar el próximo. En lugar de ello, son transportadas hacia la salida. De la misma manera, las moléculas de glucosa que ingresan a la cápsula de Bowman en el filtrado son como los pasajeros que caminan sobre la acera en movimiento. Para ser reabsorbida, cada molécula de glucosa debe unirse a un transportador a medida que el.fUtrado circula por el túbulo proximal. Si ingresan al túbulo sólo pocas moléculas, cada una de ellas encontrará un transportador libre y será reabsorbida, como cuando sobre la cinta transportadora caminan pocas personas y todas ellas encuentran asiento en el tren. Pero si las moléculas de glucosa filtran dentro del túbulo más rápido de lo que los transportadores pueden retirarlas, algunas de ellas permanecerán dentro de la luz y se excretarán en la orina. La figura 19-15 iil es una representación gráfica del manejo de la glucosa por el riñón. La figura 19-Sa muestra que la tasa de filtración de la glucosa desde el plasma hada la cápsula de Bowman

629

es proporcional a la concentración plasmática de glucosa. Debido a que la filtración no está saturada, el gráfico continúa en fonna indefinida como línea recta: la concentración de glucosa del filtrado es siempre igual a la concentración plasmática de glucosa. La figura 19-lSb grafica la tasa o velocidad de reabsorción de la glucosa en el túbulo proXimal versus la concentración plasmá· tica de glucosa. La reabsorción muestra una tasa de transporte máxima (fm) cuando los transportadores alcanzan la saturación. La figura 19-15c representa la tasa de excreción de !a glucosa en relación con las concentraciones plasmáticas de glucosa. Cuando éstas son tan bajas como para que se reabsorba el 100% de la glucosa filtrada, el azúcar no se excreta. La excreción de glucosa recién comienza cuando los transportadores alcanzan el nivel de saturación. La concentración plasmática necesaria para que la glucosa aparezca en la orina se denomina umbral renal para la glucosa. La figura 19-15d es un gráfico compuesto que compara la fil. tración, la reabsorción y la excredón de la glucosa. Recuérdese de nuestro análisis previo que Cantidad excretada= cantidad filtrada- cantidad reabsorbida+ cantidad secretada Para la glucosa, que no se secreta, !a ecuación puede eSCribirse así:

Glucosa excretada= glucosa filtrada- glucosa reabsorbida En condiciones normales, toda la glucosa filtrada se reabsor~ be. En otras palabras, la filtiación es igual a la reabsorción. Vea en la figura 19·15d que las lfueas que representan a la filtración y a la reabsorción son idénticas hasta que la concentración plasmática de glucosa es igual al umbral renal. Si la filtración es igual a la reabsorción, la diferencia algebraica entre las dos es cero y no hay excreción. Una vez que se alcanza el umbral, la filtración comienza a exceder a la reabsorción. En el gráfico las líneas que representan la filtración y la reabsorción divergen a partir de este punto. La diferencia entre la linea de filtración y la línea de reabsorción representa la tasa de excreción:

Excreción= filtradón- reabsorción (en aumento)

{constante}

La excreción de glucosa en la orina se denomina glucosuria (-uria, en la orina) y por lo general indica una concentradón de

glucosa en la sangre (glucemia) elevada, en muy raras ocasiones puede aparecer glucosa en la orina aun cuando la glucemia es normal. Esto se debe a una alteración genética en la que la nefrona no tiene transportadores suficientes.

Las presiones en los capilares peritubulares favorecen la reabsorción La reabsorción. que ya hemos visto se refiere al pasaje de los solutos y del agua desde la luz tubular al líquido Intersticial. ¿Cómo hace el líquido reabsorbido para entrar en los capilares? La respuesta es que la fuerza que impulsa la reabsorción desde el líquido intersticial hacia los capilares es la baja presión hidrostática que existe en toda la longitud de los capilares peritubulares. Esta presión baja favorece la reabsorción.

1

Excreción {b) la reabsOrción de glucosa es proporcional a su concentración plasmática hasta que se alcanZa e! transporte máximo (Tm}.

(a) la filtración de glucosa es proporcicna! a su concentra{;ión plasmática.

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La competencia disminuye la secreción de penicilina

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{e) La excreción de glucosa es cero hasta que se alcanZa e! umbral renal.

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100 200 300 500 Glucemia (mg/1 00 ml de plasma)

{d) El gráfico compuesto muestra la relación entre la filtración, la reabSOrción y la excreción de glucosa

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Umbral renal

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excretará en forma muy efectiva. Pero si se filtra en el túbulo, o se reabsorbe y Juego se secreta hada el tú bulo más cantidad de esa sustancia desde los capilares peritubulares, la excreción será aún más efectiva. La secreción es un proceso activo debido a que requiere la transferencia de sustancias en contra de sus gradientes de concentración. La mayoría de los compuestos orgánicos pasan a través del epitelio tubular hada la luz por transporte activo secundario.

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Glucemia (mg/100 mL de plasma)

Un ejemplo importante e interesante de una molécula orgánica secretada por la nefrona es la penidlina, un antibiótico. Hoy en día, de hecho, muchas personas toman antibióticos, pero hasta las primeras décadas del siglo xx, las infecciones eran una de las principales causas de muerte. En 1928, Alexander Fleming descubrió en el moho del pan llamado Penicillium una sustancia que retardaba el crecimiento de las bacterias. Pero el antibiótico era dificil de aislar, así que no estuvo disponible para el uso clínico hasta fines de la década de 1930. Durante la II Guerra Mundial, la penicilina produjo una enorme diferencia en el número de muertes y amputaciones debidas a heridas infectadas. Sin embargo, el único medio para producir penicilina era aislarlo del moho del pan, y el suministro era !imitado. La demanda de este fármaco era aún mayor porque los túbulos renales secretan penicilina. La secreción renal es tan eficiente para eliminar de la sangre las moléculas extrañas que dentro de las tres a cuatro horas posteriores a la administración de una dosis de penicilina ya se excretó en la orina cerca del SO%. Durante la guerra, las provisiones de este antibiótico eran tan escasas que {i;~~A(-:;l"'C >o':~; i:""~¡;;~ -h~~ ~-"'~~ ~-~T E"'MiA s" RE I!A:c 1 o~NA o os,

111 FIGURA 19-15 Manejo de la glucosa por la nefrona

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Los capilares peritubulares tienen una presión hidrostática promedio de 10 mm Hg (a diferencia de los capilares glomerulares en los que la presión hidrostática promedio es 55 mm Hg). La presión coloidosmótica, que favorece el pasaje del líquido hacia el interior de los capilares, es 30 mm Hg. Como resultado de esto, el gradiente de presión en los capilares peritubulares es de 20 mm Hg, lo que favorece la absorción de los líquidos por los capilares. El líquido que se reabsorbe pasa desde los capilares a la circulación venosa y retoma al corazón.

SECRECIÓN La secreción es la transferencia de moléculas desde el líquido extracelular hacia la luz de la nefrona {véase la Fig. 19-2), Igual que la reabsorción, depende en su mayor parte de sistemas de transporte de membrana. La secreción de K+ e H~ por la nefrona es importante para la regulación homeostática de estos iones (véase el capítulo 20). Además, se secretan numerosos compuestos orgánicos. Estos compuestos incluyen metabolitos producidos por el cuerpo y sustancias ajenas a él. La secreción permite a la nefrona incrementar la excreción de una sus tanda. Si cierta sustanda se filtra pero se no reabsorbe, se

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era un procedimiento habitual recolectar la orina de los pacientes que estaban siendo tratados con penicilina para aiSlarla y reutilizarla. Pero ésta no era una solución satisfactoria y, por ende, los investigadores buscaron una forma de hacer que la secredón de penicilina fuese más lenta. Esperaban encontrar una molécula capaz de competir con la penicilina por el anión orgánico transportador encargado de su secreción ( ~ p. 146). De esa forma, en presenda de ambos fármacos, el transportador se uniría en forma preferendal con el competidor y lo secretaría, dejando a la penicilina en la sangre. La solución fue un compuesto sintético llamado probenecid. Cuando se lo administra junto con la penicilina, el transportador prefiere eliminar el probenedd, lo que prolonga la actividad de la penicilina en el cuerpo. Cuando se dispuso de penidlina sintética producida en forma masiva y el suministro ya no fue más un problema, el uso clínico del probenecid disminuyó.

EXCRECIÓN La producción de orina es el resultado de todos los procesos que tienen lugar en el riñón. Para el momento en que el líquido llega al extremo distal de la nefrona, tiene muy poca semejanza con el filtrado que comenzó en la cápsula de Bowman. La glucosa, los aminoácidos y los metabolitos útiles desaparecieron porque se reabsorbieron hacia la sangre y los desechos orgánicos están más concentrados. Las concentraciones de iones y agua de la orina son muy variables y dependen del estado del cuerpo. Aunque la excreción expresa lo que el organismo está eliminando, por sí sola no puede mostrar los detalles de la función renal. Recuérdese que para cualquier sustancia,

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Excreción= filtración- reabsorción+ secreción

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Por lo tanto, la simple mirada a la tasa de excreción de una sustancia no proporciona ninguna información acerca de cómo el riñón maneja esa sustancia. La tasa de excreción de una sustancia depende de 1) su tasa de filtración y 2) si la sustancia se reabsorbe, se secreta o sufre ambos procesos a medida que atraviesa el túbulo. El manejo renal de una sustancia y la TFG por lo general son de gran interés clínico. Por ejemplo, los médicos clínicos utilizan la información referente a la tasa de filtración glomerular como un indicador de la fundón renal global. Ylas compañias farmacéuticas que desarrollan fármacos deben proporcionarle a la Food and Drug Adrninistratlon (Administración Federal de Fármacos y Alimentos de los EE.UU.) la información completa acerca de cómo el riñón humano maneja cada nuevo compuesto. Pero ¿cómo pueden los investigadores hacer para evaluar la filtración, la reabsorción y la secreción a nivel de cada nefrona en los seres humanos vivos? No hay manera de hacerlo en forma directa debido a que a los riñones no se accede con facilidad y !as nefronas son microscópicas. Por lo tanto, los ctentificos tuvieron que desarrollar técnicas que les permitiesen evaluar la función renal mediante análisis de sangre y de orina. De este trabajo surgió el concepto de clearance (depuración),

1

632

Excreción

Capítulo 19 los riñones TFG es de 100 mL de plasma filtrado por minuto, se-puede calcular la tasa de filtractón, o carga filtrada, de inulina mediante la ecuadón Carga filtrada de X= [Xlp~osma x TFG Carga filtrada de inuüna =(4 lnulinas/100 mL de plasma) x 100 mL de plasma filtrado/mio =4 inulinas/min · Amedida que la inulina y el plasma filtrados pasan por la nefrona,

se reabsorbe todo el plasma, pero toda la inulina queda en el túbu-

íRE;E~ENciAs ' 0=100mldap·"'"" o de filtrado 1 1 0) la concentración de 1

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TFG"' 100 mUmin

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@El 10·0·%. de la inuflnase excreta. asi el clearance de !nulinaes =100 mUrr.in

O FIGURA 19-16 Clearance (depuradón) de inulina

lo. El plasma reabsorbido no contiene inulina y por eso se puede decir fue totalmente depurado de inulina. El clearance (depumó6n) de inu/ina es, por lo tanto, de 100 mL de plasma depurado/min. Al mismo tiempo, la tasa de excrectón de la inulina es de 4 moléculas de inulina excretadas por minuto. ¿Por qué es útil esta informadón? Por esto: se puede utilizar para calcular la tasa de filtración glomerular. Vea en la figura 1916 que el clearance de inulina {100 mL de plasma depurado/min) es igual a la TFG (100 rnL de plasma filtrado/mio), Por lo tanto, el cfearance (depuradón) de atalquier SliStancía que filtre libremente pero 110 se reabsorba ni se secrete será igual a la TFG.

Ahora se demostrará desde el punto de vista matemático que el clearance de inu!ina es igual a la TFG. Ya se dijo que Carga filtrada de inulina = [inulina]plosma x TFG

También ya se explicó que el lOO% de la inulina que filtra dentro del túbulo se excreta. En otras palabras; Carga filtrada de inulina =tasa de excreción de inulina

El c/earance (depuración) es un método no invasívo para medir la TFG El clearonce o la depuradón de un soluto es la tasa a la cual ese soluto desaparece del organismo a trav:és de la excreción o de su metabo!ismo ( ~ p. 130). En el caso de cualquier soluto que se elimine sólo mediante excreción renal, el dearance se expresa como el volumen del plasma que atraviesa los riñones que fue depurado de dicho soluto completamente en un período de tiempo determinado. Debido a que ésta es una forma indirecta de interpretar la excreción (a cuánta sangre se le quitó X en vez de cuánto X se exqetó), el clearance suele ser un concepto muy dificil para los estudiantes. Antes de entrar de lleno en la expresión matemática del clearance, analicemos un ejemplo que muestra cómo el clearance se relaciona con la función renal. Para este ejemplo se utilizará la inuli· na, un polisacárido obtenido de la raíz tuberosa de d.ivmas plantas. La inulina no es lo mismo que la insulina, una hormona proteica que regula el metabolismo de la glucosa. A partir de experimentos con nefronas aisladas, los cientificos descubrieron que la inulina inyectada en el plasma se filtra libremente por la nefrona. Cuando atraviesa el túbulo renal, no se reabsorbe ni se secreta. Por lo tanto, se excreta el100% de la inulina que ingresa al túbulo. ¿Cómo se relaciona esto con el clearance? Para responder esta pregunta hay que mirar la figura 19-1611, en la que se da por sentado que el lOO% de un volumen de plasma filtrado se reabsorbe (esto no dista demasiado del valor real, que es mayor del99%). Se inyectó la dosis de inulina necesaria para que su concentración plasmática sea 4 moléculas de inulina cada 100 mL de plasma. Si la

{1)

(2)

En la ecuación (1) se puede sustituir la carga filtrada por la tasa de excreción aplicando la de álgebra si A= By A= C, entonces B"" C: Tasa de excreción de inulina"" [inulina]ftl=la x TFG

(3)

Esta ecuación se puede redistribuir así TFG =tasa de excreción de inulina [inulinaJplasma

(4)

Se observa que el miembro derecho de esta ecuación es idéntico a la fórmula del clearance de inulina. Por lo tanto, la ecuación general para el cálculo del dearance de una sustancia X (en mL de plasma depurado/min) es C!eaxance {depuradón) de x =tasa de excreción de X fen mgfminl (5) [Xlp~mno {mgfmL de plasma)

adecuada compresión del análisis precedente vea el ejemplo que se presenta en !a pregunta 12 de la Revisión. La inulina no es práctica para usar como método de diagnós· tíco clínico de rutina porque no se produce en el cuerpo y se la debe administrar mediante infusión intravenosa continua. Com9 consecuencia, sólo se la utiliza para tareas de investigación. Es la· mentable que el cuerpo humano no produzca ninguna sustancia que sea manejada por el riñón de la misma forma que la inulina. En la práctica clínica los médicos usan la creatinina para calcular la TFG. La creatinina es un producto de degradación de la fosfocreatina, un compuesto para almacenamiento de energía que se encuentra principalmente en los músculos { ~ p. 410). El cuerpo la produce constantemente y no es necesario adminiStrarla. En condiciones normales, las tasas de producción y degradación de la fosfocreatina son relativamente constantes y la concentración plasmática de -creatinina no varía demasíado. Aunque la creatinina siempre está presente en el plasma y es fácil de medir, no es la molécula perfecta para calcular la TFG ya que una pequeña cantidad se secreta en la orina. Sin embargo, la cantidad secretada es tan pequeña que, en la mayoría de las personas, el clearance de crentinílln se utiliza de rutina para determinar la TFG. RE·V IS 1 Ó N 12. Si la creatinina plasmática es= 1,8 mg/100 mlde plasma, la creatinina urinaria es= 1,5 mg/ml de orina y el volumen urinario es 1 100 ml en 24 horas ¿cuál es el

-~

Tres semanas después, Migue! vuelve a! consultorio del doctor Gareía. los fármacos antiinftamatorios y el probenecid ha· bían eliminado el dolor de su dedo, pero la noche anterior tuvo que ir al hospital por un intenso dolor producido por un cálculo renal. "Tenemos que esperar hasta que tengamos Jos resultados de los análisis de laboratorio", dijo e! doctor Garda, "pero creo que es un cálculo de ácido úríco. ¿Tomó mucha cantidad de agua como le dije?q Con timidez. Miguel admitió que tuvo buenas intenciones pero que nunca pudo en· centrar el momento de tomar su botella de agua en el trabajo. Mientras tome este medicamento, usted tiene que beber suficiente cantidad de agua como para producir 3 litros de orina por día o más. De otra manera puede terminar teniendo otro cálculo de ácido úrico.~ Migue! dijo que esta vez. seguirá !as instrucciones al pie de la letra,

Pregunta 5: Explíque por qué no tomar la cantidad de agua suficiente mientras se están tomando medicamentos uricosúricos puede produdr ca/culos de áddo úrico en el aparato urinario.

)>

dearance (depuración) de creatinina? ¿Cuál es la TFG? Repuestas en !a p. 640

El clearance y la TFG permiten determinar el manejo renal de los solutos · Una vez conocida la TFG de una persona, se puede detenninar cómo el riñón maneja cualquier soluto midiendo la concentración plasmática de ese soluto y su tasa de excreción. Si se da por sentado que el so luto filtta libremente en el glomérulo, se sabe a partir de la ecuación {1) que

Carga filtrada de X= (Xlp~asma x TFG

cUADRO 19·2

633

614

'"

630

631 •

"'

Mediante la comparación de la carga filtrada de un soluto con su tasa de excreción se puede decir cómo la nefrona maneja esa sustancia (cuadro 19-2 tg). Por ejemplo, si en la orina aparece una cantidad de sustancia menor que la que se filtró, quiere decir que se produjo reabsorción neta {excretado= filtrado- reabsorbido). Si, en cambio, aparece una cantidad mayor que la que se filtró, debe haberse producido secreción neta de la sustancia hacia la luz (excretado = filtrado+ secretado}. Si se filtró y se excretó la misma cantidad de sustancia, entonces la sustancia se comporta como la inulina (no se reabsorbe ni se secreta).

Manejo renal de solutos

En el caso de cualquier molécula X que filtre libremente al glomérulo:

En el caso de la inullna

Clearance de inulina tasa de excreción de inu!ina (6) [inu!inalp~asma

Los miembros derechos de las ecuaciones (4) y (6) son idénticos, por lo tanto, de acuerdo con la misma regla de álgebra, se puede decir que: TFG = ctearance de inulina

(7)

Entonces, ¿por qué esto es importante? Por una cosa: usted aprendió cómo se puede medir la TFG en un ser humano vivo con sólo obtener muestras de sangre y orina. Para saber si se logró una

Si la tasa de filtración es mayor que la tasa de excreción,

hay reabsorción neta de X

Si la tasa de excreción es mayor que !a tasa de filtración,

hay secreción neta de X

Si !as tasas de filtración y de excreción son iguales,

Xatraviesa !a nefrona sin reabsorción ni secreción netas.

Si el dearance de Xes menor que el dearance de inulina,

hay reabsorción neta de X

Si el dearance de Xes igual al dearance de inulina,

Xno se reabsorbe ni se secreta

Si el dearance de Xes mayor que e! dearance de inu!ina,

no hay secreción neta de X

1

634

Capítulo 19 Los riñones

(a) Clearance de glucosa

{b) Clearance de urna

{e) C!earance de penicilina

-,-

Micción

635

.!,

(músculo llso) se contlae en

fonna pasiva

F~ENC~"--.-~~"·-·

0

=100mLdep\asma

1

o de filtrado

G) La concentración

mFIGURA 19~17 Relación entre el dearance y la excreción

Suponga que la concentración de glucosa en el plasma es de 100 rog/dL de plasma y que la TFG calculada a partir del clearance de creatinina es 125 mUmin. Con estos valores la ecuación se expresa así: Carga filtrada de glucosa= (lOO mg de glucosa/lOO mL de plasma) x 125 mL de plasmalmin Carga filtrada de glucosa= 125 mg de glucosatmin Sin embargo, en la orina de los seres humanos no hay glucosa: la excreción de glucosa es cero. Dado que la glucosa se filtró a una tasa de 125 mgfmin pero se excretó a una tasa de Omg/min, debe haber sido reabsorbida completamente. Los valores de clearance también se pueden utilizar para determinar cómo la nefrona maneja un soluto filtrado. En este método los investigadores calculan el clearance de creatinina o de inu· lina y luego lo comparan con el dearance del soluto que están estudiando (cuadro 19-2}. Si el clearance del soluto es menor que el dearance de inulina, es porque el soluto se reabsorbió. Si es mayor, quiere decir que se secretó una cantidad adicional de soluto en la orina. Se depuró al plasma de una cantidad de soluto mayor que la filtrada, por lo tanto el soluto adicional debe haber sido eli· minado del plasma a través de su secreción. La figura 19·17 111 muestra el dearance de tres moléculas: glu· cosa, urea y penicilina. Todos los solutos tienen la misma concentración en la sangre que ingresa al glomérulo: 4 moléculas/lOO

1¡

plasmática es de4/100mL

¡-~-···

{&

fi

® Se reabsorben 100 mL

::~:·:;~rasimpát!cas

liberan su mulo. Las netJrones motoras cesan estimulación. b-~··-·--

de plasma

@ 8 c!earance depende del mane¡o renal del soluto

é mL de plasma. La TFG es 100 mL/min y para simplificar se da por sentado que los 100 mL de plasma se reabsorben completamente en el túbulo. En el caso de cualquier soluto, su clearance refleja cómo actúa el riñón con respecto a él. Por ejemplo, el100% de la glucosa que filtra se reabsorbe y el clearance de glucosa es cero (Fig. 19-17a). La urea se reabsorbe en forma incompleta; cuatro moléculas fil. tran pero sálo se reabsorben dos (Fig. 19-17b, ®).En consecuencia, el dearance de urea es 50 mL de plasma por minuto. Tanto el dearance de urea como el de glucosa son menores que el clearence de inulina, que es 100 mL/min, lo que muestra que la urea y la glucosa se reabsorbieron. La penicilina (Fig. 19-17c) se filtra pero no se reabsorbe y ade· más se secretan moléculas adicionales desde el plasma hacia los capilares peritubulares. En este ejemplo, se depuraron de penicilina 50 mL extra de plasma, además de los 100 mL que se filtra· ron originalmente. Por lo tanto, el clearance de penicilina es 150 mL de plasma por minuto. El clearance de este antibiótico es mayor que el clearance de inulina, que es de 100 mL/rnin, lo que deja en claro que se produjo secreción de penicilina. Nótese que la comparación de los valores de c!earance sólo proporciona infonnactón acerca del manejo neto del soluto. No discrimina si una molécula se reabsorbió o se secretó. Por ejem· plo, casi todo el K+ filtrado se reabsorbe en el túbu!o proximal y en el asa de Henle y luego se secreta de nuevo una pequeña can· tidad en la luz tubular en la porción distal de la nefrona. En el dearance de K~, parece que sólo hay reabsorción.

Loo receptores de estlramlento

L!:_sencad~:n,__e~_estímu!o.

@ TFG"' 100 mUmin

El múscu:·;;:;se contrae. El esfinter 'nterno se abre eo forma pasiva. esfínter externo se relaja

~

""""

~=~~·--~"---'.

mFIGURA 19-18 El almacenamiento de orina y el reflejo micciona/ Los cálculos de dearance son simples porque lo único que se necesita saber es la tasa de excreción urinaria y la concentración plasmática del soluto por investigar, y ambos valores se obtienen con facilidad. Si se conoce el clearance de inulina o de creatlnina, se puede determinar cómo maneja el ritlón cualquier compuesto.

MICCIÓN Una vez que el filtrado sale de los túbulos colectores, ya no puede ser modificado y su composición no varía. El filtrado, ahora llamado orina, circula por la pelvis renal y Juego desciende por el uréter hasta la vejiga con la ayuda de las contracciones rítmicas de su músculo liso. La vejiga es un órgano hueco cuyas paredes están formadas por capas bien desarrolladas de músculo liso. En ella se acumula la orina hasta el momento en que se !a libera en un proceso conocido como evacuación urinaria o más formalmente micción (micturire, deseo de orinar). La vejiga puede expandirse para mantener un volumen de al· rededor de 500 mL. Su cuello se continúa con la uretra, un conduc. to único a través del cual pasa la orina para alcanzar el exterior. El orificio que comunica la vejiga con la uretra se cierra mediante dos anillos musculares denominados es(futeres (Fig. 19-18a 11). El esfínter interno es una cop.tinuación de la pared de la ve-

jiga y está formado por músculo liso. Su tono normal lo mantiene contraído. El esfínter externo es un anillo de músculo esque. !ético controlado por neuronas motoras somáticas. La estimuladón tónica proveniente del sistema nervioso central mantiene la contracción del esfínter externo, excepto durante la micción. La micción es un reflejo espinal simple que está sujeto a control consdente e inconsciente por parte de los centros cerebrales superiores. A medida que la vejiga se llena con orina y su pared se expande, los receptores de estiramiento envían señales a la médula espinal a través de las neuronas sensitivas (Fig. 19-18b). Ahí la información se integra y se transfiere a dos grupos neuronales. El estímulo producido por la vejiga repleta exdta a las neuronas parasimpáticas que estimulan al músculo liso de la pared vesical. Este músculo se contrae e incrementa Ia presión sobre el contenido vesicaL Al mismo tiempo, se inhiben las neuronas motoras somáticas que inervan el esfínter externo. La contracción de la vejiga se produce en forma de onda que empuja la orina en dirección descendente hada la uretra. La presión ejercida por la orina fuerza la apertura del esfmter interno mientras se relaja el esfmter externo. La orina pasa a la uretra y luego sale al exterior ayudada por la fuerza de gravedad. Este reflejo de micción simple se produce principalmente en los lactantes a los que todavía no se les enseñó a controlar nece-

636

Capítulo 19 Los riñones

Resumen de! capítulo

sidades fisiológicas. Una persona que ya ha sido educada adquirió un reflejo aprendido que mantiene inhibido el reflejo de micción

hasta que desee orinar de manera consdente. ESte reflejo aprendido involucra a fibras sensitivas adicionales que parten de la vejiga y que informan su grado de repleción. Los centros del tronco encefálico y de la corteza cerebral reciben la información y anulan el reflejo micdonal básico inhibiendo directamente las fibras parasimpáticas y reforzando !a contracción del esfínter externo. Cuando llega el momento apropiado para orinar, €SOS mismos centros retiran la inhibi· ción y liberan el reflejo inh!biendo el esfínter externo.

Además del control consciente de la micción, diversos factores suOConscientes pueden afectar al reflejo míccional. La "vejiga tímida" es un trastorno en el que la persona es incapaz de orinar en presencia de otras personas a pesar de intentar hacerlo. E.! so. nido del agua que fluye estimula la micción y suele utilizarse pa. ra ayudar a orinar a los pacientes si la uretra está irritada Por la inserdón de una sonda, un catéter que se introduce dentro de la vejiga para evacuarla en forma pasiva.

GOTA En estos temas relacionados vimos que _la gota, que súele presen~ ·

tarse como un dolor intenso en el dedo gordo, es un trastorno me· tabólíco cuya causa y tratamiento pueden estar relacionados _con el funcionamiento renal. la gota es una de !as afecciones conod· das desde hace más tiempo y durante muchos años se la consideró como una enfermedad de los "hoffibres ricosn producida por e! ex· PREGUNTA

ceso de comida y alcohol. Thomas' Jeff_erson YBenjamiri Franklin padecieron de gota. Paraaprende'r más· acerca de sus cauSas, sínto-mas y tratamiento se puede_ coilsurtar lci página de la u.s. National Ubrary of Medicine·s Hea!th Jnformation {http:/fwww.nlm.nih.govlhinfo.html), Puede contrO!ar-la comprensión del tema comparan· do sus respuestaS con !a información de! cuadi'o siguiente:

HECHOS

los cálculos renales por íó general cálculos renales cuando se eJ((re- . se forman en la pelvis fenal: tan.

1. Describa !a ruta que siguen estos

INTEGRACIÓN YANÁLISiS Desde !a pelvis renaf, el cálculo deSciende por e! uréter hasta la vejiga y luegO a través de la uretra sale al exterior.

~----------·------~----------~~------· 2. ¿Por qué aumentan los niveles de las purinas incluyen a la adenina y Cuando una celula muere, el núcleo y otrOs componentes se ácido úrico cuando se incrementa la guanina, que foi'man-parte del convierten en biomo!éculas. la degradación del DNA, el RNA la destrucción celular? DNA, el RNA y el ATP ( ~ p. 32). y el ATP de la célula aumenta la producción de purina, lo que a su vez incrementa la producción de ácido úrico. 3. De acuerdo con lo que se explicó la hiperuricemia es el aumento de acerca del ácido úrico, describa las los niveles -de.ácido úrlco'en la san· dos formas en las que: una perso- gre. Este ácido se produce a partir de las purinás y Se fiftra; se reabsor· na p~ede desarrollar hiperuricemia. be y se secreta en los riñones.

la hiperuricemia resulta tanto del exceso de producción de ácido úrico como dE! la incapacidad del riñón para excre· tarlo. Dado que, en condiciOnes normales, el ácido úrico llega a la orina mediante seCreción, una Blteración en el mecanismo secretór renal !leva_ a la hiperuricemia.

El transporte mediado presenta 4. En el'túbu!o proximal un trans· portador de.membrana reabsOrbe · competencia, en que moléculas re-el ácido úrico. los agentes urico--. lacionadas compiten por un tran~ portador. Por lo general, una de las súricos son ácidos orgánicos. De acuerdo con ambas afirmaciones, tnotécú!as se une en forma prefe-explique Cómo estos agentes pu~ rencial y por !o tanto inhibe el den aumentar la excreción de ád· transporte de la otra. do úrico.

los fármacos uricosúricOs Pueden competir con el ácido úrico por el transportador del tú bulo proximal. la unión preferencial de los agentes uricosúricos bloquea er acceso del ácido úrico a! transportador; lo que hace que perma· nezca dentro de la !uz tubular y aUmente su excreción.

5. Explique por qué no tomar la can· tidad de agua suficiente mientras se están tomando medicamentos uricosúrkos puede producir cálculos de ácido úrico en el aparato urinario.

637

RESUMEN DEL CAPÍTULO El aparato urinario, como los pulmones, utiliza el principio de equilibrio de masru para mantener la homeostasiS. Los componentes de la orina va-

rían en forma constante y reflejan las funciones de regulación hidroelectro!itlca y de eliminación de desechos orgánicos del riñón. Uno de los tres sistemas porta que existen en el cuerpo se encuentra en el riñón {cada uno de ellos incluye dos l&hos apilares). La filtración se produce en el primer l&ho y la reabsorción el segundo. La relación resistencia-flujo-presi6n estudiada en los aparatos cardiovascular y respiratorio también desempeña un papel en la filtración glomeru\ar y en la excredón urinaria. La compartimentación se ilustra con el mOVlmiento del agua y de los sol utos entre los medios interno y externo a medida que el filtrado se modifica en su pasaje a través de la nefrona. La reabsorción y !a secredón de solutos dependen de interacciOnes moleculateS y de! moviiniimto de las molécu. las a tmvis de las membranas de las células tubulares.

Fundones de los riñones l. Los riñones regulan el volumen del líquido extrace!u!ar, !a presión ar-

terial y la osmo!aridad, mantienen el equilibrio iónico, regulan el pH, excretan los desechos orgánicos y las sustancias ajenas al organismo y participan en ciertas vías endocrinas. (p. 614)

Anatomfa del aparato urinario 2. El aparato urinario está compuesto por !os dos riñones, los dos Ufé. ~res, !a vejiga y la uretra. (p. 615; Fig. 19-la) 3. Cada riñón tiene alrededor de 1 millón de nefronas. En un corte transversal un riñón se dispone en una corteza externa y una médula interna. (p. 615; Fig.19·1c) 4. El flujo sanguíneo renal circula desde la arteriola aferente al glomérulo, de éste a !a arteriola eferente y de ahí a los capilares peritubulares. Los vasos rectos son capilares que !legan en profundidad hasta la médula (p. 618; Fig. 19-111, l} 5. E! liquido filtra desde el glomérulo hacta la cápsula de Bowman. Desde ahí ctrcula por el túbulo proximal, el asa de Henle, el tú bulo distal y el túbulo colector, que desemboca en la pelvis renal, La orina !lega a la vejiga a través del uréter. (p. 618; Fig. 19-k, j)

Visión general de la funáón renal 6. La filtración es el pasaje de líquido desde el plasma a la cápsula de Bowman. La reabsorción es el transporte de las sustancias filtradas desde los túbulos hada la sangre. La secreción es el pasaje de ciertas molérulasSI:!lecctonadas desde la sangre hada el túbulo. (pp. 618-619; Fig. 19·2) 7. El volumen urinario promedio es 1,5 Udia. Su osmolatidad varia en. tre 50 y l 200 mOsm. (p. 619; cuadro 19·1) 8. La cantidad de un soluto excretada es igual a la cantidad fittrada menos la 'cantidad reabsorbida más !a cantidad secretada. (p. 620; Flg. 19·3)

generan hendiduras de filtración. Las células mesangiales están asociadas con los capilares glomerulares. (p. 620; fig. 19-4) 12. La quinta parte del flujo plasmático renal filtra dentro de la luz tubulat El porcentaje total del volumen plasmático renal que se filtra se denomina fracción de filtración. (p. 621; Fig. 19-S) 13. Dentro del capilar glomerutar !a presión hidrostática promedio es de 55 mm Hg, lo que favorece la filtración. La presión coloidosmótica, que es de alrededor de 30 mm Hg y la presión hidrostática dellíqu.ido de la cápsula, que promedia los 15 mm Hg, se oponen a la filtración. La fuerza impulsora neta es de 10 mm Hg, lo que favorece a la filtración. (pp. 621-622; Fig. 19-6) 14. La tasa de filtración glomerular (TFG} es la cantidad de líquido que filtra dentro de !a cápsula de Bowman por unidad de tiempo. La TFG promedio es de 125 mUmin o 180 Udía. (p. 622¡ 15. La presión hidrostátia dentro de los apilares glomerulares puede alterarse medianle la modificación de la resistencia en las arteriolas afe. rente y eferente. (p. 624; Fig. 19-8) 16. La autorreguladón de la filtración glomeru!ar se logra a través de la respuesta miogénica del mUsculo liso vascular que se produce en función de las variaciones de la presión y mediante la retroalimenta· ctón tubuloglomerular. Cuando el líquido que circula a través del túbulo diStal aumenta, las células de la mácula densa envían señales paracrinas a la arteriola aferente, que se contrae. (p. 624; Fig. 19-10) 17. El control reflejo de !a TFG está mediado por señales sistémicas, como las hormonas, y a través del sistema nervioso autónomo. (p. 625)

Reabsorción 18. La mayor parte de !a reabsotctón se lleva a abo en el túbu!o prOxi· mal. La reabsorción regulada más selectiva, se realiza en las porciones más distales de la nefrona. (p. 626) 19. El transporte activo de Na+ y otros so!utos genera gradientes de con-~ centración para la reabsorción pasiva de la urea y otros solutos. (p. 626; Fig. 19·11) 20. En general, la reabsorctóñ se realiza por transporte transepitelial, pero algunos solutos y el agua se reabsorben a través de vías paracelulares. (p, 626) 21. La glucosa, los aminoácidos, iones y diversos metabolitos orgánicos se • reabsorben mediante transporte activo secundario ligado al Na+. (p. 627; Fig.19·13) 22. La mayor parte de! transporte renal está mediado por proteínas de membrana y presenta saturación, especificidad y competencia. El transporte máximo Tm es la tasa de transporte a concentración de saturación. (p. 628; Fig. 19·14) 23. El umbral renal esta concentración plasmática ata cual una sustan· da aparece por primera vez en la orina, (p. 629; Fig. 19·14) 24. Los capilares peñtubulares reabsorben líquidos en toda su extensión. (p. 629)

Secreción Filtraáón

los cálculos de ácido úrico se for· Si una per5ona toma grandes cantidades de agua, el exce· man cuando-las concentraciones de só de !fquldo se excretará a través de los riñones. los gran· este ácido excede'n el nivel crítico. des volúmenes h!dricos diluyen la orina y por ende evitan !_as altas concentraciones de ácido úrico necesarias para la form
:::w, :cllll!l!li ::~,~--~-·:~~;;?~-----

p·~.

9. Los solutos filtrados deben pasar primero a través del endotelio capi· lar giomerular, luego a través de la lámina basal y por último, atta. vesar el epitelio de !a cápsula de Bowman antes de !legar a la luz de ésta. (p. 620; Fig. 19-4) 10. La filtración permite que la mayoría de los componente del plasma ingresen al túbulo con excepción de las células sanguíneas y de la mayoría de las proteínas plasmáticas. (p. 620) 11. El epi~lio de la cápsula de Bowman posee células especializadas, de. nominadas podocttos, que envuelven a los capilares glomeru!ares y

25. La secreción aumenta la excrec:ión al remover solutos de Jos capilares peritubulares. Iones como el K+ y el W y diversos compuestos orgáni· cos se secretan. (p. 631) 26. Las moléculas que compiten por los transportadores renales lentifican la secreción de otra molécula. (p. 631)

Excreáón 27. La tasa de excreción de un soluto depende de 1) su carga filtrada y 2) si se reabsorbe o se secreta a medida que atraviesa la nefrona. (p. 631)

638

Respuestas

Capítulo 19 Los riñones

28. El c!earance (depuración) expresa cuántos mililitros del plasma que pasa por los riñones se depuraron completamente de un soluto en un período determinado. {p. 632) ,. 29. El dearance de inulina es igual a la TFG. En la práctica dínica se usa la creatinima para medir la TFG. (p. 632; Fig.19·16) 30. El dearance se puede utiliZar para determinar cómo el riñón actúa sobre un soluto filtrado. (p. 633; Fig. 19-17)

Micción 3!. E! esfínter externo de la vejiga es un músculo esquelético que se encuentra contraído en forma tónica, excepto durante la micción. (p.

inulina? ¿Hay secreción neta? b} Dibuje sobre el gráfico en forma predsa una línea que indique la reabsorción o la secreción netas. (Sugerencia: excreción "' filtración - reabsorción + secreción)

635; Fig. 19-18) 32. La micción es un reflejo espinal simple sujet
639

normales del líquido extraceluiar y sus concentraciones {véase el cuadro ron los valores normales de los componentes sanguíneos en la contratapa de este libro). ¿Que ocurrirá con !as concentraciones de esos solutos en la insuficiencia renal? ¿Cuáles de esos so lutos colocaría dentro del líquido de diálisis y cuáles deberían ser SllS concentraciones? (Sugerencia: ¿quiere que haya difusión hacia el líquido de diálisis, fuera del líquido o que no haya pasa¡e de so!utos?) ¿Cómo modificaría el líquido de diálisis si el paciente estuviera reteniendo demasiada agua?

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALíTICOS 24. Diana p¡:sa SO kg. Se sabe que su volemia es el 8% de su peso corpo-

PREGUNTAS Concentración plasmática de lnu!ina

(Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Enumere y explique la importanda de las dnco características de la

orina que se pueden encontrar a través del examen físico. 2. Enumere y explique !as seis fundones prindpa!es del riñón. 3. ¿Qué porcentaje del volumen minuto cardiaco !lega a los riñones en un momento dado? 4. Mendone las principales estructuras del aparato urinario en su secuencia anatómica, desde Jos riñones hasta la orina que sale del cuerpo. Describa la fundón de cada estructura. 5. Ordene las estructuras siguientes según !as encuentra una gota de agua que ingresa en la nefrona: a) arteriola aferente e) g!omérulo b) cápsula de Bowman f) asa de Henle e) túbulo colector g) túbulo proximal d) túbulo distal h) pelvis renal 6. Mendone las tres barreras de ftlttación que debe atravesar un so!uto a medida que pasa del plasma a la luz de la cápsula de Bowman. ¿Qué componentes de la sangre suelen ser excluidos por estas barreras? 7. ¿Cuáles son las fuerzas que promueVEn la fi!tradón glomerolar?¿Cuáles son las que se oponen a ella?¿Que sígnifica el término filma matriz neta? 8. ¿Qué significa la abreviatura TFG?¿Cuál es el valor numérico típico de la TFG en mililitros por minuto?¿ Yen litros por día? 9. Identifique las siguientes estructuras, luego explique su importancia en la fisiología renal; a) aparato yuxtaglomerular d) pododto b) mácula densa e) esfínteres vesicales e) célula mesangia! f) corteza renal 10. ¿En que segmento de la nefrona se produce la reabsorción? Cuando una molécula o unión se reabsorbe de la luz de la nefrona ¿adónde va? Si un soluto filtta pero no se reabsorbe en el túbu!o ¿adónde va? ll. Relacione cada uno de los iones o mol&u!as siguientes con su principal modo de transporte a través del epitelio renal. a) Na• l. transcttosis b) glucosa 2. transporte activo primario e) urea 3. transporte activo secundario d) proteínas plasmáticas 4.difusión facilitada e) agua S.pasaje a través de canales permeables 6.difusión simple a través de la blcapa de fosfolípidos 12. Mencione los tres solutos secretados en la luz tubular.

13. ¿Qué soluto que está presente en el cuerpo en condiciones nom1ales se usa para ca!Ollar la TFG en los seres humanos?

14. ¿Que es la micción?

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 15. Correlacione en un mapa conceptual los términos siguientes. Si se desea, se pueden agregar términos adicionales. Receptor u glomérulo arteriola aferente células YG mácula densa autorregulación célula mesangial lámina basal autorregulación miogénica cápsula de Bowman noradrenalina presión capilar presión del liquido de la cápsula paracrino presión co!oidosmótica (osmótica coloidal) proteínas plasmáticas pododto arteriola eferente resistencia endotelio vasoconstricctón epitelio

22. Dibuje un corte del epitelio tubular renal que muestre tres células uni-

das a través de las uniones celulares. Rotule las membranas apical y basolateral, la luz tubular y el líquido extrace!ular. Use la siguiente descripción de los procesos que se producen en el túbulo proximal para diseñar una célula modelo: Las células del túbulo proXimal contienen anhidrasa carbónica, que promueve la conversión de C02 y agua en ácido carbónico. Este se disocia en W y HC03-. El sodio se reabsorbe mediante un contratransportador bidifffdonal Na•-w apical y una ATPasa Na•-K• basolatera!. El doro se reabsorbe en forma pasiva mediante el pasa¡e a través de vías paracelu!ares. El bicarbonato produddo en el citoplasma sale de la célula con un cotransportador simportador Na• -HCO;. 23. Lea el recuadro Bioteroología de la p. 628 (sobre la hemodiá!isis) y trate de crear un sistema modelo que pueda servir para la diálisis. Dibuje dos compartimentos (uno que represente a la sangre y el otro que represente al líquido de diálisis) separados por una membrana semipermeable. En el compartimento sanguíneo, mencione los solutos

ral, su corazón impulsa su volemia completa una vez por minuto y su flujo sanguíneo renal es eiZS% de su volumen minuto cardíaco. Calcule el volumen de sangre que círcula a través de los tlñones de Diana en cada minuto. ZS. Dario estaba compitiendo por un lugar en el equipo olímpico de equitación. Cuando su caballo Nitro saltó, trastabilló, y esto hizo que diera una vuelta en el aire y que cayese sobre Darío y lo aplastara. El médico temió que pudiese tener daño renal y solicitó muchos estudios. El nivel plasmático de creatínima de Dario era de 2 mg/100 mL. Su volumen urinario en 24 hs fue 1 L y !a concentración de creatinina en la orina de 24 hs fue de 20 mg/mL La segunda muestra de sangr(' y de orina obtenidas después de 24 hs contenía Jos mismos valores de creatinina plasmática y el mismo volumen urinario, pero la concentración urinaria de creatinina era de 4 mg/mL ¿Cuántos mg de creatinina hay en cada muestra? ¿Cuál es el dearancede creatinina de Darío en cada prueba de laboratorio? ¿Cuál es su TFG? Evalúe estos resultados y haga un análisis sobre la función renal de Darlo. 26. Un fisiólogo participa en una expedidón arqueológica que busca la At!ántida. Uno de los submarinos volvió con una sirena y el fisiólogo le está tomando una serie de muestras. Determinó que su TFG es de 2SO mLJmin y que sus rii'iones reabsorben glucosa con un transporte máXimo de 50 mglmin. ¿Cuál es el umbral renal de la sirena para la glucosa? Cuando su glucemia es de 15 mgfmL¿cuál es su clearance de glucosa?

TFG !6. Defina, compare y contraste los términos de cada uno de los conjun-

tos siguientes; a) filtración, secreción y excreción b saturadón, transporte máximo y umbral renal e) probenecid, creatinlna, inulina y penicilina d) clearance, excreción y tasa de filtración glomerular 17. ¿Cuáles son !as ventajas de que un riñón filtre un gran volumen de líquido y luego reabsorba el 99% de e!? 18. Si la arteriola aferente de una nefrona se contrae, ¿que ocurre con la TFG en esa nefrona? Ysi se contrae la arteriola eferente ¿qué sucede con la TFG? De por sentado que no hay autorregulación. 19. Haga un esquema del reflejo micdonal. ¿Cómo se modifica este reflejo con el aprendizaje del control de esfínteres? ¿Cómo influyen en la micdón los centros cerebrales superiores? 20. Los fármacos antimuscarinicos son el tratamiento de elección para el síndrome de vejiga hiperactiva. Explique por qué son útiles para esta afecdón,

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 21. A usted le pidieron que estudie el fundonamiento renal en una nueva especie de roedor enconttado en la selva amazónica. Aisló algunas nefronas y las expuso a la inu!ína. El gráfico siguiente muestra los resultados de sus estudios. a) ¿Cómo se comporta la inulina en la nefrona del roedor? ¿Filtra? ¿Se excreta? ¿Hay reabsorción completa de la

RESPUESTAS

V Respuestas a las preguntas de revisión Página 615 1. Si el !(• extrace!u\ar disminuye, una mayor cantidad de K• sale de las

neuronas y el potencial de membrana se hiperpo!ariza {se hace más negativo, aumenta}. 2. Si el cat• plasmático disminuye, la fuerza de contraCción disminuye. Página 618

3. Cuando se produce filtración neta hacia afuera de los capilares glomerulares, la presión hidrostática capilar debe ser mayor que la presión coloidosmótica capilar. 4. Cuando se produce reabsorción neta en los capilares peritubulares, la presión hidrostática capilar debe ser menor que la presión coloidosmótica capilar. Página 620

S. La filttación y la secreción tepresentan e! pasaje desde el liquido extracelular hacia la luz del túbulo. La fiitración se lleva a cabo sólo en la cápsula de Bowman y la secreción se realiza a lo largo de todo el resto del túbulo.

6. Glomérulo ~cápsula de Bowman ~ túbulo proximal~ asa de Hen-

le ~ túbu\o distal ~ túbulo colector~ pelvis renal ~uréter~ vejiga ~uretra. 7. Si la reabsordón disminuyese a !a mitad de su tasa normal, el cuerpo perdería todo el plasma en menos de una hora. Página 622 8. la presión osmótica es mayor en las arteriolas eferentes debido a que ahí el volumen de líquido disminuye, lo que hace que haya la misma cantidad de proteínas en un volumen menor. Página 624 9. La presión arterial media de esta persona es 119 mm Hg. Su TFG es 180 L/día. Página 625 10. Si la arteriola aferente se contrae, la resistencia en esa arteriola aumenta y el flujo sanguíneo que circula por e!la se deriva hacia otras arteriolas con menor resistencia. En la nefrona cuya arteriola está contraída la TFG disminuirá. 11. La principal fuerza motriz para la TFG es la presión arterial, y se le oponen la presión del liquido dentro de la cápsula de Bowman y la

1

640

Capítulo 19 Los riñones

presión coloidosmótica producida por las proteínas plasmáticas (Fig, 19-6). Cuando hay pocas proteinas, el plasma tiene una presión ooloidosmótica menor a lo normal. Si esta presión, que se opone a la TFG, es menor, la TFG aumenta. ·· Página 633 12. C!earance de aeatinina =tasa de excreción de creatíninaJ[creatinínalp;.,...,"' (l,S mg de creatinínaimL de orina x 1,1 L de orinaldía)f(1,8

mg de creatininaJlDO mL de plasma). El clearance de creatinina es aproximadamente 92 !Jdía y la TFG es igual al dearance de creatinina.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página 623 Figura 19-8: La presión capilar, la TFG y el flujo sanguíneo renal aumen-

tan. Página 629 Figura 19-14: La tasa de transporte a 3 mg/mL es de 3 mglmin, a 5 y a 8 mg/mL es de 4 mgfmin. Esta tasa es de 4 mg/min para cualquier concéntradón plasmática del sustrato igual a 4 mg/mL (umbral renal para ESta sustancia) o mayor.

Fisiología integrada 11: equilibrio hidroelectrolítko Homeostasis hidroe!ectrolítica 642 La osmolaridad del líquido extracelular afecta el volumen celular 643 E! equilibrio hidroelectrolftico requiere la integración de múltiples sistemas y aparatos

Balance de agua

1

644 El ingreso y la excreción diarios de agua están balanceados 644 Los riñones conservan agua 645 La concentración de la orina se determina en el ansa de Henle y el tubo colector 646 La vasopresina controla la reabsorción de agua 647 Los cambios en la presión arterial, el volumen y !a osmolarídad desencadenan reflejos en e! balance hídrico 650 El ansa de Henle es un multiplicador por contracorriente

Balance de sodio y volumen del líquido

extracelular 652 La aldosterona controla el balance de sodio 653 La presión arterial es el estímulo primario para la secreción de aldosterona 654 La angiotensina 11 influye en la presión arterial a través de múltiples vlas 656 El péptido natrlurético atria! promueve la excreción de Na+ y agua

658 El bajo contenido de Na+ estimula e! apetito de sal 658 Las conductas de evitación ayudan a prevenir la deshidratación

Control integrado del volumen y ia osmo!arídad 659 La osmolaridad y el volumen pueden cambiar de forma independiente 661 La deshidratación dispara respuestas renales y cardiovascu!ares

Equilibrio áddo~hase 663 Las enzimas y el sistema nervioso son particularmente sensibles a los cambios de pH 664 Los ácidos y !as bases del cuerpo provienen de muchas fuentes 664 La homeostasis del pH depende de los amortiguadores de pH, los pulmones y los riñones 665 Los sistemas de amortiguadores del pH incluyen proteínas, iones fosfato y HC03666 La ventilación puede compensar las alteraciones del pH 667 Los riñones utilizan amoníaco y amortiguadores de pH de fosfato 667 El túbu!o proximal excreta w y reabsorbe Hcn,668 La nefrona distal controla la excreción de ácido 669 Los trastornos de! equilibrio ácido-base pueden ser de origen respiratorio o metabólico

Balance de potasio Mecanismos conductuales en el balance de sal y agua 658 La ingesta de bebidas reemplaza fa 'pérdida de líquidos

INFORMACIÓN BÁSICA _:_-PH ya!lló_~iQ~k~?·i-_eS'_de~ 'pH_:- 37;--; Có~tf_O{!:J~~-'-a.' Prgstón: á'~erla'l_:::s21;- -E!iminadóO -de ca~' P_Or !{,S' pulmOnes: _599;' . :- Re_cidado d_e_:fó:e1Tl_b~~lil~S:_.,~_49; , Ho~mMaSjJ~~r~!é_~~:~2_17; :T~ansporte de_·m_em~rana:_ 1~_6;, __Anh_idrasa~~rbónica:-~99; Osmo!arid'a~Xt?_rikid_a~: -155;- H6rtJÍ_q¡1'a~~d~ _la}'iP_?f!~is_ pósierior: 226; .Corri_pát1i~e~tos _líquidos:corporáles:_ 52; Hormonas est~roicjE!as::21_9_; :- _C)~lulas É!p~&(i~.l~s' poJáriz_adas:)51; Sistemas de segundos mensajeros: 180; _-Tasa de flltra.dón:glomerular. 622;---Estructura dé lás protehl:as: 31 ¡ -, __ ' . .-- . . . · ........ .

642

Balance de agua

capítulo 20 Fisiología integrada ll: equilibrio hidroe!ectro!ítico

mental, porque beber es la única forma normal dé reemplazar el agua perdida. El deseo de sal es una conducta que lleva a las per. sonas y los animales a buscar e ingerir Sal (cloruro de sodio, NaCl). ¿Por qué nos interesa la homeostasts de estas sustancias? El agua y el Na+ se relacionan con el volumen y la osmolaridád líquido extra~lular. Las alteraciones del balance de K+ pueden producir problemas graves en la función cardíaca y muscular al modificar el potencial de membrana de las células excitables. El Ca2+ participa en distintos procesos corporales, desde la exodtosis y la contracción muscular basta la formación de hueso y la coagulación de la sangre, eH+ y HC03- son los iones cuyo balance determina el pH del cuerpo.

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REFERENCIAS Estlmu!o O Receptor @)) Efector.

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.O Respues.tatisu!ar @ Respuesta sistémica

1 rfisparlm reflejos homeostálfccs ·

643

(b) Respuesta al aumento de presión arteria! yvo!umen sanguíneo

(a) Respuesta a la disminución de la presión arterial y el vo!unien sanguineo

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La osmolaridad de/liquido extrace/ular afecta

el volumen celular

Una mujer estadounidense de negocios en Tokio terminó su rutina de ejercidos diaria y se detuvo en el bar del gimnasio para pedir una bebida deportiva. El dependiente le dio tma botella de "Pocari Sweat®". Atmque beber sudor (sweat significa sudor en inglés) no suena muy atractivo, la base fisiológica para el nombre es correcta. Durante el ejercido, el cuerpo secreta sudor, tma solución diluida de agua y iones, sobre todo Na~, K+ y Cl-. Para mantener la homeostasis, el CUetpO debe reemplazar cualquier sustancia que haya perdido hacia el medio externo. Por lo tanto, el líquido de reemplazo que una persona conswne luego del ejercicio debe ser semejante al sudor. En este capítulo, exploraremos el modO en que los seres humanos. mantienen el balance de sales y agua, también conocido como equilibrio hidroelectrolitico. Los mecanismos de control homeostático para el equilibrio hidroelectrolitico en el cuerpo están dirigidos a mantener cuatro parámetros:_ el volumen de líqui· do, su osmolaridad, las concentraciones de los iones individuales yelpH. · ·

HOMEOSTASIS HIDROELECTROLÍTICA El cuerpo humano se encuentra en un estado de' flujo constante. En el curso de tm día-ingerimos alrededor de 21itros de alimentos y bebidas que contienen 6-15 gramos de NaCI. Además, incorporamos cantidades diversas de otros electrolitos, que incluyen K+, H+, caz.., HC03- y iones fosfato (HPQ42-""). La tarea del cuerpo es Il!antener el equilibrio de mosas ( ~ p. 129): lo que entra debe ser excretado si el cuerpo no lo necesita. El cuerpo tiene varias formas para excretar iones y agua. Los riñones son la fuente primaria para la pérdida de agua y para eliminar muchos iones. Asimismo, en condiciones normales, s~ pierden pequeñas cantidades de a~a y iones en las heces. Los pulm.o~es también ayudan a eliminár H+ y HCO¡con el C02• Auni.¡ue los mecanismos fisiológicos que mantien~ el equili•. brio hidroelectrolitico son importantes, los mecanismos conductuales también desempefian un papel esencial. La sed es funda-

¿Por qué mantener la osmolaridad es tan importante para el cuerpo? La respuesta radica en ·el hecho de que el agua atraviesa libremente la mayoría de las membranas celulares. Si la osmolaridad del liquido extracelular cambia, el agua entra y sale de las células y cambia el volumen intracelular. Si la osmolaridad del líquido extracelular disminuye como resultado del exceso de ingesta de agua, el agua entra en las células y ellas se hinchan. Si la osmolaridad del liquido extracelular aumenta como resultado de la ingesta de sal, el agua sale de las células y éstas se eticogen. Los cambios del volumen de la célula -ya sea por que se hinchan o -se encogen- pueden deteriorar la función celular. Por ejemplo, cuando la célula se hincha, los canales iónicos de la membrana se abren, lo que interrumpe el potencial de membrana y la señ.alizadón celular. El cerebro, encerrado en el cráneo rígido, es parti.a.darmente vulnerable al dafio por edema. Algunas células pueden regular su volumen en respuesta al edema o el encogimiento, pero esta capacidad es limitada. En general, el man-

mFIGURA 20-1 Respuestas integradas del cuerpo a los cambios en el volumen sanguíneo y la presión arterial tenimiento de la osmolaridad del líquido extracelular dentro de un rango normal es esencial para mantener la homeostasis.

El equilibrio hidroe/ectrolitico requiere

la integración de múltiples sistemas y aparatos El proceso del equilibrio hidroelectrolítico es verdaderamenteintegrador porque incluye los aparatos respiratorio y cardiov:ascular además de las respuestas renal y conductual. Los ajustes que realizan los pulmones y el aparato cardiovascular están fundamentalmente bajo control neural y pueden producirse con bastante rapidez. La compensación homeostática de los riñones ocurre más lentamente porque éstos están fundamentalmente bajo control endocrino y neuroendocrino. Por ejemplo, los pequeños cambios de la presión arterial como resultado de aumentos o disminuciones del volumen sanguíneo son corregidos rápidamente por el centro de control cardiovasa.daren el encéfalo ( ~ p. 521). Si los cambios de volu.n:ien son persistentes o de gran magnitud, los riñones participan para ayudar a mantener la hOJ;neostasis. La figura 20-1 El resume la respuesta integrada del cuerpo a los cambios en el volumen sanguíneo y la presión arterial. I.as señales de los barorreceptores carotideos y aórticos y los receptores de volumen auria.dar (atrial) inician tma respuesta neural rápida mediada a través del centro de control cardiovascular y una respuesia más lenta en los riñones. En ambas situ~ciones, la función

renal se integra con el aparato cardiovasa.dar para mantener la presión arterial dentro de un rango normaL DebidO a la superposición en sus funciones, es probable qUe un cambio en uno de Jos aparatos -ya sea renal o cardiovasculartenga consecuencias que afecten al otro. Las vías endocrinas iniciadas por los riñones tienen efectos directos sobre el aparato cardiovasa.dar, por ejemplo, y hormonas liberadas por las células miocárdicas actúan sobre los riñones. Las vías simpáticas del centro de control cardiovascular no sólo afectan el volumen minuto y la vasoconstr~cción sino también la filtración glomerular y la li· beradón de hormonas por los riñones. Por lo tanto, el mantenimiento de la presión arterial, el volumen sanguíneo y la osmolaridad del líquido extracelular forma una red de vías de control interconectadas. Esta integración de la función de múltiples sistemas y aparatos es tmo de los conceptos más difíciles de comprender en fisiología; también es una de las áreas más interesantes de la investigación fisiológica.

BALANCE DE AGUA El agua es la molécula más abundante del cuerpo, y constituye alrededor del 50% del peso corporal total en las mujeres de l7 a 39 afies y el60% del peso corporal total en los hombres del mismo grupo de edad. Por lo tanto, una mujer de 60 kg tiene unos

1

644

Balance de agua

capítulo 20 Fisiología integrada!!: equilibrio hidroelectro!ítico Ganancia de agua

mFIGURA 20.2

Pérdida de agua

los riñones. sólo puéden coriServai Jk¡ulCfu. No pueden _re~ecer_~ ·v?1umen ¡)oo;lido.

Balance de agua en el cuerpo

30 litros de agua corporal, y el hombre "estándal:n de 70 kg tiene unos 42 litros. Dos tercios de su agua (aproximadamfnte 28 U~ tros) se encuentran dentro de las células, aproximadamente 3 litros están en el plasma y los 11 litros restantes están en el liquido intersticial ( ii Fig. 5-28, p. 155).

El ingreso y la excreción diarios de agua están balanceados Para mantener un volumen constante de agua en el cuerpo, debemoS ingerir la misma cantidad de agua que excretamos: el in· greso debe igualar al egreso. Las fuentes para la ganancia y la pérdida de agua durante el dí~ son múltiples (Fig. 20-211). En promedio, un adtt!to ingiere por día un poco más de 2litros de agua en alimentOs y líquidos. La resptración celular normal (glucosa + 0 2 -+ C0 2 +HzO) agrega cerca de 0,3litro de agua, lo que lleva el ingreso diariO total aaproximadam~?nte 2,5 litros. Obsérvese que la única vía por la cual el agua normalmente entra en el cuerpo desde el medio externo t:;S la absorción a través del tubo digestivo. Al contrario de algunos animales, nosotros no podemos absorQer cantidadeS importantes de agua directamente a través de nuestra piel. Si se deben reponer líquidos rápidamente o un individuo es incapaz de comer·y beber, se pueden agregar líquidos diree'"..amente en el plasma por medio de una inyección intravenosa {IV), un procedimiento médico. La vía principal de pérdida de agua del a.tezpo es la orina, que tiene un volumen diario de alrededor de 1,5 litros (F'tg. 2()..2). Se pierde un pequeño volumen de agua (alrededor de 100 mL) en las heces. Además, el agua abandona el cuexpo a través de una pérdida insensible. Esta pérdida de agua, llamada insensible porque normalmente no. tenemos condencla de ella, ocurre a través de la Superfi* de cutánea: y durante la exhalación de aire humidificado. Si bien la epidermis humana está modificada con una capa externa de quera* tina para reducir la pérdida de agua por evaporadón en un me-

11 FIGURA 20-3 Modelo del papel de los riñones en el · balance de agua

dioambiente terrestre ( W:! p. 83), aun perdemos unos 900 mL de agua insensl"blemente cada día. Por lo tanto, los 2,5 litros de agua que ingerimos están equilibrados por los 2,5 litros que abandonan el cuerpo. Sólo se puede regular la pérdida de agua en la orina. Aunque la orina normalmente es la fuente principal de pérdida de agua, en ciertas situaciones otras vías adquieren· importanda. La sudoración excesiva es un ejemplo. Otra forma en la cual se pierde agua es a través de una diarrea, un trastorno que puede plantear una amenaza importante para el mantenimiento del ba· lance hídrico, sobre todo en los lactantes. La pérdida patológica de agua interrumpe la homeostasis de dos formas. La depledón de volumen del compartimento extracelular disminuye la presión arterial. Si no se puede mantener la presión ar· terial, los tejidos no obtienen oxígeno suficiente. Si el líquido perdi· do es hipoosmótico en reladón con el a.tétpo (como en el caso de la sudoración excesiva), los solutos que quedan en el a.terpo elevan la osmolaridad, lo que puede interrumpir la función celular. Normalmente, el balance hídrico es automático. La ingesta de 1 litro de refresco significa un viaje extra al Paño. El balance de sal y agua es un proceso sutil del que sólo tenemos conciencia periféricamente, igual que con la respiración y el latido cardíaco. -Ahora que hemos visto por qué es importante: la regulación de la osmolaridad, veamos c6ma logra el CUerpO ese objetivo.

Los riñones conservan agua La figura 20-3 ¡¡¡¡ resume el papel de los riñones en el balance hídrico. La jarra representa el cuetpa y su asa hueca los rlftones, donde el líquido del cuerpo se filtra en las nefronas y luego pue-

de ser reabsorbido o no por el cuerpo._ Parte de los solutos y el agua abandonan el cuerpo en la orina, pero el volumen que sale puede ser regulado, como se indica en la parte inferior del asa. El rango normal del volumen de líquido en la jarra se ena.ten_tra entre la línea a trazos y la parte superior abierta. El líquido de . la jarra entra en el asa (lo que equivale a Ser filtrado por el riñ.ón) y se recicla volviendo nuevamente al a.tezpo de la jarra para roan~ tener su volumen. Si se agrega líquido en la jarra y hay riesgo de rebosamiento, el líquido extra sale por el asa (comparable al ex~ ceso de agua excretado en la orina). Si hay una pequeña pérdida de volumen, el liquido fluye aún a través del asa, pero no se evaata más para evitar una pérdida adidonal de líquido. La única forma de reponer el líquido perdido es agregar agua de una fuen. te exterior al tazón. Con este modelo se subraya que los riñones . no pueden reponer el agua perdida: todo lo que pueden hater es conservarla. Ycomo se muestra en el modelo, sí la pérdida de lí~ quido es importante y el volumen cae por debajo de la linea a trazos, ya no fluye líquido dentro del asa, igual que en una disininu~ dón importante del volumen sanguíneo o en una caída de la presión arterial que detienen la filtración renal.

La concentración de la orina se determina en el asa de Henle y el tubo colector La concentradón u osmolaridad de la orina es una medida de la cantidad de agua excretada por los rtilones. Cuando el a.terpo necesita eliminar el exceso de agua, los rtilones expulsan grandes cantidades de orina diluida con una osinolaridad de tan sólo 50 mOsm. La eliminación del exceso de agua en la orina se conoce como diuresis (diaurein, evacuar orina). (Por esta razón, los fár~ macos que promueven la excreción de orina se llaman diuréticos.) Cuando los riñones están conseiVando agua, la orina se toma muy concentrada, hasta a.tatro veces más concentrada que la sangre (1 200 mOsm versus los 300 mOsm de la san&!e).

645

Los riñones modifican la concentración de orina variando las cantidades de agua y Na~ reabsorbidas en las nefrontas distales. (Para una revisión de la anatomía renal, véase Figura 19·1.) Para producir orina diluida, el riñón debe reabsorber solutos sin permitir que el agua los siga por ósmosis. Esto significa que las membranas celulares a través de las a.tales se transporta un soluto no deben ser permeables al agua. Para producir orina concentrada, la nefrona debe reabsorber agua dejando soluto en la luz del túbu. lo. En otra época, los científicos pensaban que el agua era trans-portada activamente en transportadores, como el Na+ y otrqs iones. Pero mediante técnicas de toma muestra por micropunción del líquido dentro de los túbulos renales los científicos desa.tbrie~ ron que el agua es reabsorbida sólo por ósmosis. La ósmosis no tendrá lugar a menos que exista un gradiente de concentradón. A través de una disposidón inusual de los va~ sos .sanguíneos y los túbuios renales, que se explicará lUego, la médula renal mantiene una alta concentradón osmótica en su Ü· quido interstidal. Esta alta OSJ1!0laridad intersticial medular permite concentrar la orina. Sigamos la trayectoria del líquido filtrado a través de una nefrona para ver dónde tienen lugar estos cambios en la osmolaridad (Ftg. 20-411,1. Recuerde del capíhtlo 19 que la reabsorción en el túbulo proximal es isoosmótica ( ¡¡¡iJ p. 619). El filtrado que entra en el asa de Henle tiene una osmolaridad de unos 300 mOsm. Sin embargo, el líquido que abandona el asa de Henle es hipoosmótico, con una osmolaridad de alrededor de 100 mOsm. Este líquido hipoosmótico se crea cuando las células de la porción gruesa de la rama ascendente del asa de Henle transportan Na+, K+ y e¡~ fuera de la luz tubular. Estas células tienen una peailiaridad: su superficie apical (que enfrenta la luz tubular) es impermeable al agua. Por lo tanto, cuando estas céluias transportan solutos fuera de la luz, el agua no puede seguirlos, lo que aea una soluci.ón hipoosmótica. Una vez que el liquido hipoosmótico abandona el asa de Henle, atraviesa el túbulo distal y entra en el tubo colector, su concentración está determinada por la permeabilidad al agua de las células epiteliales en la nefrona distal. Sí la membrana apical de estas células no es permeable al agua, el agua se mantiene en el túbulo y el filtrado sigue siendo diluido. Se: puede reabsorber una pequeña cantidad de soluto adicional a medida que el líquido pasa a lo largo del tubo colector, lo que vuelve al filtrado incluso más diluido. Cuando esto sucede, la concentradón de la orina puede llegar a ser de tan sólo 50 mOsm. Por el contrario, si la orina que será excretada debe tener más de 100 mOsm, el epitelio tubular en la nefrona distal debe volverse permeable al agua mediante: poros para agua. Cuando la mem~ brana del tubo colector es permeable al agua, la ósmosis retira agua de la luz y hacia el líquido intersticial. Con una pe:nneablli· dad al agua máxima, la eliminación de agua del túbulo deja una orina concentrada con una osmolaridad que puede ser de hasta 1200m0sm. La reabsorción de agua en los rlftones conseiVa agua y pue4e disminuir la osmolaridad corporal en cierta medida cuando se asocia cOn excreción de solutos en la orina. Pero los mecanismos homeostátlcos renales no pueden hacer nada por restablecer el volumen de líquido perdido. Sólo la ingestión o la infusión de agua puede reponer el agua que se ha perdido.

1 6

646

Balance de agua

Capítulo 20 fisiología integrada ll: equilibrio. hidroelectrolítlco Túbu!o

(a) Con un nivel máxímo da vasopresina, el túbulo colector es libremente permeable al agua. E! agua sa!e por ósmosis y es retirada por !Os

Túbulo

capilares de los vasos rectos. La orina se concentra

'"'"

®~;;~~;~-

8 isoosmótlco que abandona t e! tóbu!o proximal se vuelve cada vez 1 más concenttado en !a ¡ r.una descendente. 1-~-~····

647

{b} En ausencia de vasopresina, el ttíbulo colector es impermeable

al agua y !a orina es diluida.

~100m0sm

wL:L; ~¡;;~ció~·¿~-~0 en la rama

r

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51}1 200 mOsm de orina excretada

mFIGURA 20-4 cambios de la osmolaridad a medida que el fllti-ado fluye a través de la nefrona La vasopresina controla la reabsordón de agua ¿Cómo modifican las células del túbulo distal y el tubo colector su P.ermeabilidad al agua? El proceso implica el agregado o la eliminadón de poros para agua en la membrana apical bajo la dirección vasopresina, una hormona de la hipófisis posteñor {~ p. 226). Como la vasopresina hace que el cuerpo retenga agua, también se la conoce como hormona antidiurética (ADH). Cuando la vasoptesina actúa sobre las células diana, se abren poros par~ ,agua en la membrana apical, lo que permite que el agua salga de la luz por ósmosis (Flg. 20-Sa 11). El agua se mueve por ósmosis porque la concentración desolutos en las células y el

líquido intersticial de la médula renal es más alta que la del líquido en el túbulo. En ausencia de vasopresina, el tubo colector es impermeable al agua (Fig. 20-Sb). Aunque hay un gradiente de concentración a través del epitelio, el agua se mantiene en el túbulo y la orina se dilUye. I.a permeabilidad al agua del túbulo colector no es un fenómeno de todo o nada, como podría sugerir el párrafo anterior. La permeabilidad es vañable y depende de la cantidad de"vasopreslna presente. El efecto escalonado de la vasopresina permite que el cuerpo concentre la orina de acuerdo con las necesidades del cuerpo.

tBr 300 mi!iOO~o!es de -rilaCt Si !a·:~riÍ"Ia:tiene- una Concci~irádón' . ffiáxím
,- p·a·reter ·_impo_~nte,- pef,erm_ariezca en !a luZ. .-rear agua_.aruc!ona_~t lo que produce uoa-'di~resís osejenÍplo, ~uPongamos que !as nefr?nas deben _exáe-

de 0,2~_L PerO,:~¡ ei Nac(~_unido a~ ÚJO ;niüpsmolesde:g!ucO.. sa ·que deben ·ser &creta?_os,_ e,! _vo!u]1le~ _de ári~a Se duplica, ·· hásta O,~ L La diú_;.~is-Osm:ótica. ~~_los:diabéti,~os 'no_ tratados (fundam~ntal~m~~~ tiPó 1) :prodúce_poliu~~(mlcdÓñ_ ~d!siva) y- · - polidips(a (se~ exCesiva} (dipSi~~-_Sédienió>_ ~_rrto . r,esu!tádo d~ !a '.deshid~a?ón y rá o_smO!árid,~_d_ PiaSrn~~~ ·~l~vadil. .- -

mFIGURA 20..5 Movimiento de agua en el túbulo colector en presenda y en ausenda de vasopresina Vasopreslna y acuaporinas La mayoña de las membranas del cuerpo son libremente permeables al agua. ¿Qué hace diferentes a las células de la nefrona distal? La respuesta reside en los p(Jtos para agua hallados en estas células. Los poros para agua son acua· porinas, una familia de canales de la membrana que tienen como mínimo 10 isoformas diferentes y están presentes en los teji- _ dos del mamífero. El riñón tiene vañas isoformas de acuap
na apical. Ahora_ la célula es permeable al agua. Este proceso, en el cual partes de la membrana celular son agregadas alternativamente por exodtosis y extraídas por endocitosis, se conoce como reciclado de membrana (m Fig. 5-24, p. 149). A

t?lR ~:-':\(1 S 1Ó N )§.k~''1. ¿La membrana apical de la célula de un túbulo colec:::jj? tor tendrá más poros para agua cuando la vasopresina esté presente o cuando esté ausente? 2. E! liquido intersticial en contacto con la cara basolate-

ral de las células del túbulo colector tiene una osmo!aridad extremadamente alta y no obstante las células no se encogen. ¿Cómo pueden mantener un volumen celular normal frente a esta osmolar1dad elevada del liquido extracelu!ar1 {Sugerencia: lea e! recuadro sobre !a regulación del volumen celular, p. 642.) Respuestas en la p. 675

Los cambios en la presión arterial~ el volumen y la osmolaridad desencadenan reflejos en el balance hídrico ¿Qué estímulos controlan la secreción devasopresina? Existen tres: la osmolaridad plasmática, el volumen sanguíneo y la presión arteñal (Fig. 20-71!). El estímulo más potente para la liberación de vasopresina es un aumento en la osmolaridad plasmática.

1

Capítulo 20 Fisiología integrada U: equilibrio hidtoelectrolítico

64-S

Balance de agua

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649

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_I REFERENCIAS

(_--:_! Estimulo LB Receptor QVmafererrte .~Centro integ¡ador

@ID Vfa eferente ·@Efector

¡g¡ FIGURA 2(}-6 Mecanismo de acdón de la vasopresina

@3 Respuesta tisular

En ausencia de vasopresina, los poros de agua son retirados de la membrana apical por endocitosis y almacenados en ves(culas dtoplasmáticas.

La osmolaridad es controlada por osmorreceptores, células sensi·

bies al estiramiento que activan neuronas sensitivas cuando la osmolaridad aumenta por endma del umbraL Los osmorreceptores primarios para la liberadón de vasopresina se encue!l_tran en el hipotálamo. CUando la osmolaridad plasmática está pOr debajo del valor umbral de 280 müsm, los osmorreceptores no se disparan y cesa la liberación de vasopresina de la hipófisis (Fig. 20.S m). Si la osmolaridad plasmática se eleva por encima de 280 mOsm, los OSJ:!lorreceptores estimulan_la liberadón de vasopresina. · Las disminuciones de presión arterial y volumen sanguíneo son estímulos menos potentes para la liberación de vasopresina. Los receptores primarios para la disminución de! volumen son receptores sensibles al estiramiento en las aurículas. La presión arterial es controlada por los mismos barorreceptores carotídeos y aórticos que inidan la respuesta cardiovascular ( 11! p. 521). Cuando la presión arterial o el volumen sanguíneo son bajos, estos receptores envían una sefial allüpotálamo para secretar vasopresilla y conservar liquido.

.@ Respuesta sistémlca

1

1!1 FIGURA 2{)-7 Factores que afectan la líberaáón de vasopresina :J

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10

S 1Ó N \tt{\¡~~3. Un dentlfico que investiga la actividad de !os osmorre'fi?' ceptores observa que la infusión de solución salina (NaCl) hipertónica produce un aumento de !a descarga de los osmorreceptores: la infusión de urea hiperosmótica {un soluto penetrante) ( i1'i!i p. 157} no tuvo ningún efecto sobre la frecuencia de descarga. Si !os osmorreceptores sólo descargan cuando el volumen celular disminuye, explique por qué fa urea hiperosmótica no !os afectó.

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1

5

1

200

290

300

Osmolaridad plasmática {mOsm)

4. Si la vasopresina aumenta la reabsorción de agua por los vasos sangufneos de una nefrona, ¿la secreción de vasopresina estada aumentada Q disminuida con la

deshidratadón? 5. Si fa secreción de vasopresina es suprimida, ¿!a orina

iii FIGURA 2{)-8 Efecto de la osmolaridad plasmática sobre la secredón de vasopresina por la hipófisis posterior

será diluida o concentrada? Rapuestas en la p. 675

650

Capítulo 20 Fisiología integrada 1!: equilibrio hidroelectrolítico

(a) Si los vasos sanguineos no están próxírws, el calor es dis!pado hacia el medio externo.

Sangre

sangre

caliente

fría

Balance de agua

(b) El intercambiador de calor a cootraconiente ¡íermite que !a sangre caliente que entra en la extremidad transfiefa calor directamente a la sangre que ft:rye nuevamente hada el cuerpo.

mFIGURA 20-9lntercambiador d~

calor por contracorriente

8 filtrado qua entra en

la sangre en los

la rama descendente se toma cada vez más concentrado a medida que píerde agua

vasos rectos eflmina bombea Na+, K+,

65~

la rama ascendente

el agua que abandona y cr, y el fi!trado se el asa de Hen!e. toma hipoosmotlco.

,\v 300

mO,m Calor pe«lído al medio externo

El asa de Henle es un multiplicador por contracorriente La vasopresina es la señal para la reabsorrión de agua fueta del túbulo, pero la clave de la capaddad rerial-para producir orina concentrada es la osmolaridad elevada del interstido medular (compar· timento de líquido interstidal del riñón). Sin él, no habría ningún gradiente de concentración para el movimiento osmótico de agua fuera del túbulo colector. ¿Qué crea esta osmolaridad elevada en el líquido extracelular? ¿Y por qué no se reduce la osmolaridad del líquido interstidal a medida que se reabsorbe el agua del túbulo cÚ'7 lector y la rama descendente del asa de Henle (véase Fl.g. 20-4)? Las respuestas a estas preguntas se en01entran en la disposidón anatómica del asa de Henle y sus vasos saii@lÚleos, los vasos rectos, que forman -un sistema de intercambio par contracorriente.

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Sistemas de intercambio por contracorriente Los sistemas de intercambio por contracorriente requieren vasos sanguíneos arteriales y venosos que pasen muy próximos unos de otros y que sus flujos de líquido se inuevan en direcciones opuestas (el nombre cmitracorriqte viene del hecho de_que los dos flujos corren uno en contra del otro). Esta disposición anatómica permite la transferen-cia de calor o moléculas de Un vasó a otro. Como es más fádl comprender el intercambiador de calor por ~ntracorrlente, examinaremos primero cómo f!mdona éste y luego trasladaremos el mismo principio al riñón. El intercambiador de calor por contracorriente en los mamíferos y las aves evoludoiló para redudr-la pérdida de calor en aletas, colas y otras extremidades 'que tiehen poco aislamiento y presentan una reladórí área-volumen elevada. Sin tm intercambiador de calor, el flujo de sangre caliente desde el centro del cuerpo hacia la extremidad perdería fácilmente calor hacia el entorno dramdante (Fig. 20-9a f!). Con un intercambiádor de calor por contracorriente, la sangre arterial caliente que entra en la extremidad transfiere su calor a la sangre venosa más fresca que-fluye desde la punta de la extremidad_de vuelta al 01erpo (Fig. 2Q..9b). Esta disposición reduce la cantidad de calor perdido hada el medioambiente externo. El $i.stema de intercambio por contracorriente del riñón :.el asa de Henle- fundona con el mismo .principio, excepto en que

transfiere solutos en lugar de calor. Pero como el riñón forma un sistema ct:rrado, los solutos no se pierden hada el medioambiente. En cambio, lossolutos se concentran en el intersticio. Este proceso es ayudado por el transporte activo de solutos fuera de la rama ascendente, lo que aumenta más la osmolaridad del líquido extraceluliu-. PÓr esta razón, el asa de Henle se conoc;:. como multiplicador por contracorriente. El multiplicador por contracorriente renal En la figura 20..10 !3 se muestra un esquema general del sistema de multiplicador por contracorriente en la médula renal. El ffitrado proveniente del túbulo proximal fluye en la rama ascendente del asa de Henle. La rama descendente es permeable al agua pero no transporta iones. Amedida que el asa se hunde en la médula, el agua se mueve por ósmosis desde la ra~a descendente hada el líquido intersticial progresivamente más concentrado y deja los solutos detrás en la luz tubular. · El filtrado se toma progresivamente más concentrado a medida que se mueve más profundo en la médula. En los extremos de las asas de Henle más largas, el filtrado alcanza una concentradónde 1 200 mOsm. El filtrado en las asas más cortas (que no se extienden en las regiones más concentradas de la m,édula) no alcanza esta concentración alta. OJando el flujo de líquido invierte. la dirección y entra en la rama ascendente del asa, las propiedades del epitelio tubular cambian. El epitelio tubular de este segm,ento de la nefrqna es impermeable al agua cuando transporta activamente Na+, K+y Cl* fue· ra del túbulo en el líquido intersticial. La pérdida de soluto desde la luz hace que la osmolaridad del ffitrado disminuya constantemente desde 1 200 mOsm en la parte inferior del asa hasta lOO mOsm en el punto donde la rama ascendente abandona la médula y entra en la corteza. El resultado neto del multiplicador por contracorriente en el riñón es producir líquido intersticial hipe· rosmótico en la médula.y el filtrado hipoosmótico que abandona el asa de Henle. Normalmente, alrededor del 25% de toda la reabsorción de Na+ y K+ tiene lugar en la rama ascendente del asa. Algunos transportadores responsables M la reabsorción activa de iones en la

llil FIGURA 20·10 lntercambiador por contracorriente en la médula del riñón porción gruesa de la rama ascendente se muestran en la figura 20.. 11 mEl cotransportadi;r simportndor NKCC utiliza la energía almacenada en el gradiente de concentración de Na+ para transportar Na+, K+ y 2 Ct desde la luz al interior de las células epiteliales de la rama ascendente. La Na+-K+-ATPasa retira Na+ de las células en la cara basolateral del epitelio, mientras que K+ y CI- abandonan las células juntos en una proteína cotransportadora o a través d~ canales abiertos. El transporte mediado por el cotransportador NKCC puede ser inhibido por fármacos conocidos como "diuréticos de asa", como la furosemlda (Lasix®). !S IÓN

Explique por qué un paciente que recibe un diuréti
mFIGURA 20·11 La reabsordón activa de iones en la rama ascendente gruesa crea un filtrado diluido en léi luz (véase Fig. 20-10) no diluye el líquido intersticial de la médula? La respuesta reside en la estrecha asociación anatómica del asa de Henle y los capilares perltubulru:es conocidos como vasos rectos. Estos capilares, al igual que el asa de Henle, se hunden en la médula y luego ascienden nuevamente hasta la corteza, formando bucles similares a horquillas. Aunque los libros tradicionalmente muestran una única nefrona con un único bucie de capilar (como hacemos nosotros en la Fig. 20-10), cada riñón tiene miles de túbulos colectores y asas de Henle empaquetados entre miles de capilares de vasos rectos, velando la asociación directa entre una nefrona y su irrigación. Desde el punto de vista fundona~ la dirección del flujo sanguíneo en los vasos rectos es opuesta a la dirección del flujo del filtrado en las asas de Henle, como se muestra en la figura 20-10. El agua o·los solutos que abandonan el túbulo se mueven ha· cta los vasos rectos si existe un gradiente osmótico o de concentración entre el intersticio medular y la sangre de los vasos rectos. Por ejemplo: demos por sentado que en el punto en el cual. los vasos rectos entran en !a médula la sangre de los vasos rectos tiene 300 mOsm, isoosmótica con la corteza. A medida que la sangre fluye cada vez más profundamente en la médula, pierde agua y recoge solutos transportados fuera de la rama ascendente del asa de Henle, y lleva estos solutos cada vez más profundo en la médula. Para el momento en que la sangre alcanza la parte inferior del bucle de vasos rectos, tiene una osmolaridad elevada, similar a la del líquido intersticial ciromdante (1 200 mOsm).

1

1$.$2

Capítulo 20 Fisiología integrada JI: equilibrio hidroe!ectrolftko

Luego, a medida que la sangre en los vasos rectos fluye nueva. mente hada la corteza, la osmolaridad plasmática elevada atrae el agua que se está perdiendo desde la rama descendente, como muestra la figura 20-10. El pasaje de esta agua a los vasos rectos disminu· ye la osmolaridad de la sangre mientras impide simultáneamente que el agua diluya el líquido intersticial medular concentrado. El resultado final de esta disposición es que la sangre que fluye a través de los vasos rectos se lleva el agua reabsorbida desde el asa de Henle. Sin los vasos rectos, el agua que se mueve fuera de la rama descendente del asa de Henle finalmente diluiría el intersticio renal. Por lo tanto, los vasos rectos son parte importante del mecanismo que mantiene elevada la concentración medular de solutos. la urea aumenta la osmolaridad del intersticio medular La alta concentración de solutos del intersticio medular se debe sólo en parte al NaCI. Casi el 50% de los solutos en el líquido interstiCial medular es urea. ¿De dónde proviene esta urea? Durante muchos años los científicos creyeron que la urea cruzaba las membranas celulares sólo por transporte pasivo. Pero en años recientes hemos descubierto que hay transportadores de membrana para la urea en el túbulo colector. Una familia es la de los transportadores de difusión facilitada, y la otra familia es la de los transportadores activos secundarios dependientes del Na'". Estos transporta. dores de urea ayudan a concentrarla eil el intersticio .medular, donde contribuye a la osmolaridad intersticial elevada .

BALANCE DE SODIO Y VOLUMEN DEL LiQUIDO EXTRACELUI.AR

1

Como señalamos en la introducción de este capítulo, ingeri· mos mucho NaCl, un promedio de 9 gramos por día. Esto es aproximadamente 2 cucharadi~ de sal o 155 müiosmoles de Na+ y 155 miliosmoles de Cl·. Veamos qué sucederí3. con nuestro cuer. po si los riñones no pudieran retirar este Na+. (Recuerde del capí· tulo 19 que el e¡- sigue el gradiente eléctrico creado por el trans-porte de_ Na'". [ liil! p. 626]) Nuestra concentración plasmática normal de Na+ es de 135145 miliosmoles de Na+ por litro de plasma. Como el sodio se dis· tribuye libr~ente entre el plasma y el líquido intersticial, este valor también representa la concentración de Na'" en el liquido extracelular. Si agregamos 155 iniliosmoles de Na'" al líquido extracelular, ¿cuánta agua debeñamos agregar para mantener la concentración de Na'" ffi el líquido extracelular en 140 mOsm? Una forma _de graficar esta pregunta es 155 mOsmolJX litros= ~40 mOsmol/litro X = 1,1litro Debeñamos agregar más ·de qn litro de agua al líquido extracelular para compensar el agregado de Na+. El volumen normal del líquido extracelular es de aproximadamente 14litros, de mo-do que el aumento en volumen representaría una ganancia de al· rededor deiS%. Imagínese lo que haría ese aumento de volumen con la presión arterial. Pero supongamos ahora que en lugar de agregar agua para mantener constante las concentraciones plasmáticas agregamos el NaCl pero no bebemos nada de agua. ¿Qué sucede ahora con·

Balance de sodlo y volumen del líquido extracelular

la osmolaridad? Si aceptamos que la osmolaridad córporal total normal es de 300 mOsm y que el volumen de líquido en el cuer. po es 42 L, el agregado de 155 milióSmoles de Na'" y 155 millos. moles de C!- aumentaría la osmolaridad corporal total hasta 307 mOsm*, un aumento sustanciaL Además, como el NaCl es un so. luto no penetrante, se mantendría en el líquido extracelular:La mayor osmolaridad del líquido extracelular atraería agua desde las células, las encogerla e interrumpirla la función celular normal. Afortunadamente, nuestros mecanismos homeostáticos man•. tienen el equilibrio de masas: cualquier cosa extra que entra en el cuerpo será excretada. La figura 20-1211 muestra una vía homeostática generalizada para el balance de sodio en respuesta a la ingestión de sal. Así es como funciona: El agregado de NaCl al cuerpo eleva la osmolaridad. Este estímulo desencadena dos respuestas: secreción de vasopresina y sed. La liberación de vasopresina hace que los riñones conserven agua {al reabsorber agua del filtrado) y concentren la orina. La sed nos impulsa a beber agua u otros líquidos. El aumento de la ingesta 'de líquidos disminuye la osmolaridad, pero"la combinación de la ingesta de sal y agua aumenta el volumen del líquido extracelular y la presión arterial. Estos incrementos disparan entonces otra serie de vías de control, que llevan el volumen del líquido extracelular, la presión arterial y Ja osmolaridad corporal total nuevamente hacia el rango normal al excretar la sal y el agua fxtra. Los riñones son responsables de 1!'1-mayor parte de !t. excreción de Na'" y normalmente sólo una pequeña cantidad de Na~ abandona el cuerpo en las heces y la transpiración. Sin embargo, en si"tuactones como los vómitos, la diarrea y la sudoración profusa, podemos perder cantidades importantes de Na+ y Cl· a través de vías no renales. Aunque hablamos de ingerir y perder sal (NaCJ), sólo la absorción renal de Na+ está regulada y los estímulos que ponen en mo-vimiento la vía del balance de Na'" están más estrechamente liga· dos al volumen sanguíneo y la presión arterial que a las concentradones de Na+. En general, el movimiento de Cl·sigue al movimiento de Na+, ya sea de forma indirecta a través del gradiente electroquímico creado por el transporte de Na+ o de forma directa me-diante transportadores de membrana como el transportadOr NKCC del asa de Henle o el cotransportador Na+.CJ: del túbulo distal.

La aldosterona controla el balance de sodio La regulación de las concentraciones sanguíneas de ~a+ tiene lugar a través de una de las vías endocrinas más complicadas del ruerpo. La reabsorción de Na'" en los túbulos distales y los túbulos colectores del riñón está regulada por la hormona esteroidea al· dosterona: cuanto más aldosterona hay, mayor es la reabsorción de Na+. Como un objetivo de la aldosterona es ~umentar la actividad de la Na'"·K+·ATPasa, la aldostetona produce secreción de K+. La aldosterona es una hormona esteroidea sintetizada en la corteza suprarrenal, la porción externa de la glártdula suprarrenal ubicada sobre cada rifión {~ p. 221). Al igual que otras hormo--nas esteroideas, la aldosterona es secretada en la sangre y transportada por una proteína hasta su punto diana.

·uss mOsm de Na• + 155 mOsm de Ct")/42 L= 7,4 mOsm/Lagxegados 300 mOsm lnidales + 7,4 mOsm agtegados ,. 307 mOsm finales

653

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IIJ'IEFERENCIAS-- . e_¡ Estimulo ·

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EGUNTA ~'· t~-i

Confeccione un mapa de la vla refleja cardiovascu!ar

señalada con@.

1i! FIGURA 20.12 Respuestas homeostáticas a la ingesta de sal El sitio principal de acción de la aldosterona es el último terdo del túbulo distal y la porción del tú bulo colector que recorre la cor· teza renal (el túbulo colectm coTficaQ. El objetivo primario de la al· dosterona son las células principales o células P {Fig. 2()..13 11). Las células principales están dispuestas de forma muy similar a otras células epiteliales transportadoras especializadas, cohlas bombas Na+·K'"·ATPasa sobre la membrana basolateral y varios canales y transportadores sobre la membrana apical (m p. 151). En' las células principales, las membranas apicales tienen canalés permeables para Na+ {denominados ENaC, por "epithelial Ntt chan-_ nel", canal epitelial de Na+) y para el potasio (denominados ROMK, por "renal outer medulla K'" channel", cana! de K+ de la médula externa renal). La aldosterona entra _en las células P por difusión simple. Una vez en el interior, se combina con un receptor citoplasmático {Fi.g. 2()..13
mente a la reabsorción de Na'": debe haber vasopresina para que el epitelio de la nefrona distal vuelva a ser permeable al agua. En contraste, en el túbulo proximal la reabsorción de Na+ es seguida automáticamente por reabsorción de agua porque el epitelio del túbulo proximal siempre es libremente permeable al agua.

La presión arterial es el estímulo primario para la

secredón de aldosterona ¿Qué controla la s€creción fisiológica de aldosterona de la cor· teza suprarrenal? Existen dos estímulos primarios: el aumento de la concentración extracelular de K+ y la disminución de la presión arterial. Las concentraciones elevadas de K+ actúan directamente sobre la corteza suprarrenal en un reflejo que protege al cuerpo de la hiperpotasemia. La disminución de la presión arterial inicia una vía compleja que conduce a la liberación de una hormona trófica, la angiotenslna II, que estimula la secreción de aldoste-rona en la mayoría de las situaciones. Dos factores adicionales modulan la liberación de aldosterona en los estados patológicos: el aumento de la osmolaridad del liquido extracelular actúa directamente sobre las células de la cor· teza suprarrenal para inhibir la secreción de aldosterona durante la deshidratación y una disminución importante (10.20 meq{L) del Na'" plasmático puede estimular directamente la secreción de aldosterona. la vfa renina-angiotensina-aldosterona La angíotensina II es la señal habitual que controla la liberación de aldosterona de la cor· tez.a· suprarrenal. La angiotensína II es un componente del siste·

1

654

Balance de sodio y volum-en del líquido extracelular

Capítulo 20 Fisiología integrada ll: equilibrio hidroelectrolítko

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Gil Efector O Respuesta tisular ® Respuesta sistémica

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@ Las protelnas inducidas por la a!dosterona modifican

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l!il FIGURA 20-13 Acdón de la aldosterona en las células prindpales

ma renina-angiotensina.aldosterona, una vía compleja de múlti· pies pasos para mantener la presión arterial. la vía del sistema reni· na-angiotensina-aldosterona comienza cuando las células granulares yuxtaglomerulares en Jas. arteriolas aferentes de una nefrona ( 1§!.l p. 618) secretan una enzima llamada renina (Fig. 20-14 ~· La renina convierte una proteína plasmática inactiva, el angiotensinógeno, en angiotensina L (El sufijo ...;)geno indica un precursor inactivo.) Cuando la angiotensina I de la sangre se encuentra con una enzima llamada enzima convertidora de angiotensina (ECA), la angiotensina I es convertida en angiontensina U. Originariamente se creía que esta conversión sólo ocurría en los pulmones, pero ahora se sabe qUe la ECA se presenta sobre el endotelio de los vasos sanguíneos de todo el cuerpo. Cuando la angiotensina II en la sangre alcanza la glándula suprarrenal, genera la síntesis y liberación de aldosterona. Por último, en la nefrona distal, la aldosterona inida una serie de reacciones intracelulares que hacen que el tdbulo reabsorba Na+. Todos los estímulos que inidan la vía del sistema renina-angiotensina-a!dosterona están relacionados ya sea dilecta o indirectamente con una presión arterial baja (Fig. 20-15 Bt: l. Las células granulosas son directamente sensibles a la presión arterial. Responden a la baja presión arterial en las arteriolas

renales secretando renina. 2. Las newonas simpáticas, activadas por el centro de control cardiovascular cuando la presión arterial disminuye, terminan en las células granulosas y estimulan la secreción de renina. 3. La retToalimentadón paracrina -desde la mácula densa en el túbulo distal hasta las células granulares- estimula la liberadón

de renina ( ~ p. 625). Cuando el flujo de líquidos a través del túbulo distal es relativamente al.to, las células de la mácula densa liberan sustanctas paracrinas que inhiben la liberación de renina. Cuando el flujo de líquidos en el túbulo distal disminuye, las células de la mácula densa disparan una señal a las células granulosas para que secreten renina.

mAGURA 20.14 La vía renina-angiotensina-aldosterona Este mapa delinea el control de la secreción de a!dosterona y, los efectos ele~dores de la presión arterial de !a angíotensina ll

La reabsordón de sodio no eleva directamente la presión arterial baja, pero la retención de Na+ aumenta la osmolaridad, la cual estimula la sed. El ingreso de líquidos cuando la persona bebe más agua aumenta el volumen del líquido extraceluiar (véase Fig. 20-12). Cuando el volumen de sangre aumenta, la presión arterial

también aumenta. No obstante, los efectos de la vía del sistema :renina-angiotensina-aldosterona no están limitados a la liberación de aldosterona. la angiotensina U es una hormona notable-con efectos adicionales dirigidos a elevar la presión arteriaL Estas acciones convierten a la angiotensina TI en una hormona importante por sí sola, no simplemente en un paso intennedio en la vía de control de la aldosterona. •l·REJISIÓN "": 8. En la figura 20-13, ¿qué fuerzals hace/o que el Na~ y el K+ atraviesen la membrana apical? Respuesta en !a p. 67S

La angiotensina 11 itifluye en la presión arterial a través de múltiples vias La angiotensina TI tiene efectos importantes sobre el balance de líquidos y la presión arterial.más allá de estimular la secreción

de aldosterona, lo que destaca las funciones integradas de Jos sis-· temas renal y cardiovascular. La angiotensina II aumenta Ía presión arterial tanto de fonna directa como indirecta a través de cuatro vías adicionales (Fig. 20-14): l.

La angiotensina II aumenta la secreción de vasopresina. Los receptores de angiotensina n en el hipotálamo inician este reflejo. La retenct6n de líquido en el riñón bajo influencta·de la vaso-

presilla ayuda a conservar el volumen sanguíneo, lo que mantiene asi la presión arterial. 2. La angtotensina li estimula la sed. La ingestión de líquidos es una respuesta conductual que expande el volumen sanguíneo y eleva la presión arterial. 3. La angiotensina II es uno de los vasoconstridores más potentes conocidos en lo.s seres humanos. La vasoconstriq:l.ón eleva la presión arterial sin cambios en el volumen sanguíneo. 4. La activaci6n de los receptares para la angiotensina JI en el antro de rontrol cardiovascular aumenta la eferenda simpáticn hacia el corazón y los' vasos sanguíneos. La estimuladón simpática aumenta el volumen minuto y la vasoconstricción, y anibos au~entan la presión arterial. · · .

Una vez conocido que la angiotensina II eleva la presión arterial, no sorprendió que las compañías farmacéuticas comenzaran a buscar agentes para bloquear a la angiotensina II. Sus investigaCiones produjeron una nueva clase de agentes antihipertensivos, los inhibidores de la ECA. Estos fármacos-bloquean la conversión de la angiotensina I en angiotensina II mediada por la ECA, y ayUdan asi a relajar los vasos sanguíneos y disminuir la presión arterial. Menos angiotensina II también significa menos liberactóp. de aldosterona, disminución en la reabsorción de Na+ y, finalmente, disminución del volumen del líquido extracelular. Todas estas respuestas contribuyen a reducir la presión arteriaL Pero los lnhibidores de la ECA no carecen de efectos colaterales. La ECA inactiva una citodna llama.da bmdídnina. Cuando la ECA es inhibida por fármacos, las concentraciones de bradidnina aumentan y, en algunos pacientes, esto provoca una tos seca. Una solución ha sido el desanollo de fármacos llamados sartanes, que bloquean los efectos elevadores de la presión de la angiotensina U uniéndose a los receptares AT1, un subtipo de los receptores de la angiotensina II.

1

J.[ ~

656

Capítulo 20 Fisiología fntegrada 11: equilibrio hidroe!ectrolítico

Balance de potasio

6S7

El péptido natriutético atrlal (ANP; también coilocido como atriopeptina) es una hormona peptídi.ca producida en células mio.. cárdicas espectalizadas en las auríct!JaS del coÍazón. Es sintetizado

9 FIGURA 20..15 La disminudón de la presión arterial

estimula la secredón de renina

,.,.,Rt;)ÍISIÓN

!~1t--%"9. Si una persona experimenta hiperpotasemia, ¿qué su· ~1,17 cede ron el potencial de membrana en reposo y ron la '~ exdtabiNdad de las neuronas y del miocardio? 10. Un hombre llega al médico con hipertensión arteria!.

Las pruebas muestran que también tiene concentradones plasmáticas elevadas de renina y placas aterosderóticas que casi han bloqueado el flujo san guineo a través de sus arterias renales. ¿De qué modo el flujo sangufneo disminuido en sus arterias renales conduce a ooncentradones elevadas de renina? 11.

Describa las vias a través de las cuales la renina elevada produce hipertensión arterial en el hombre men· donado en la pre9unta de revisión 10. Respuesta~

en la p. 675

El péptido natriurético atrial promueve la excredón de Na+ yagua

1

1

il

Una vez establecido que la aldosterona y la vasopresina aumentan la reabsorción de Na+ y agua, los é.ientíficos espeadaron que otras hormonas podrían·fómentar la pérdida de Na• o natriuresis (natrium, sodio;. ourein, orinar) y la pérdida de agua (diuresis) en la orina. Si se. encontraban, est?s hormonas podrían utilizaxse clínicamente pata reducir el volumen sanguíneo y la presión arterial en pacientes con hipertensión esencial. Sin embargo, no se halló evidencia de otras hormonas durante añ.os de investigación. PerO en 1981 un grupo de investigadores canadienses observó que las inyecciones homogeneizadas de auriaúas de ratas producían una excreción rápida pero breve de Na+ y agua en su orina. Tenían la esperanza de haber hallad~? la hormona faltante, cuya aclív-i~ fuera complementaria de la aldosterona y de la vasopresina. Habían descubierto el primer péptido natriurético, un miembro de una familia de hormonas que parecen ser antagonis-tas endógenos del sistema renina-angiotensina-aldosterona.

como parte de una pro hormona grande escindida luego en varios fragmentos de hormona activa ( ~ p. 218). Una honnona relacionada, el péptido natrturético cerebral (BNP), es sintetiÍada por las células miocárdicas ventriculares y en algunas neuronas cerebrales. Ambos péptidos natriuréticos son libetados por el corazón cuando las células miocárdicas se estiran más de lo normal, como ocurrirla con el aumento del volumen sanguíneo. Los pép· tidos se unen a receptores de membrana que funcionan a través de un sistema de segundos mensajeros de cGMP. A nivel sistémico, los péptidos natrturéticos aumentan la excreción de Na+ y agua. (Fig. 20..16®, pero no están daros los mecanismos exactos a través de los cuales lo hacen. Los péptidos natriuréticos aumentan la tasa de filtración glomerular, al parecer haciendo que haya más superficie disponible para la filtración. Además, disminuyen directamente la reabsorción de NaCl y agua en el túbul~ colector. No se conoce el mecanisñ:to mediante el cual los péptidos natrturéticos actúan sobre la reabsorción tubular. Los péptidos natriuréticos también aumentan indirectamente la excreción de Na+ y agua al inhibir la liberación de renina, aldosterona y vasopresina (Fig. 20-16), acciones que refuerzan el efecto natriurético-diurétlco. Además, actúan directamente sobre el centro de control card!ovascular del bulbo raquídeo reduciendo la presión arterial. En la actualidad, el péptido natriurético cerebral es reconocido como un marcador biológico importante de insuficiencia cardíaca, porque la producdón de esta sustancia se incrementa cuando hay dilatación ventricular y un aumento de la presión ventricular. Según una estimación de 2004, más del 70% de los hospitales de los F.ltados Unidos evalúan las concentractones de BNP como ayuda diagnóstica en la insuficiencia ventricular. También se ha demos.. trado que este péptido es un predictor independiente de la insufi. cietÍcia cardiaca y de Ia muerte súbita por arrit:mias cardíacas.

BALANCE DE POTASIO La aldosterona (pero no los otros factores en la vfa del sistema renina-anglotensina-aldosterona) también desempeña un papel crítico en la homeostasis del potasio. Sólo alrededor del2% de la carga rorporal de K+ está en el líquido extracelular, pero los mecanismos reguladores mantienen las ~centradones plasmáticas de K+ dentro de un rango estrecho (3,5-5 mEq{L). En condiciones normales, el equillbño de masas mantiene constantes la excredón de K+ a la ingestión de K~. Si los ingresos exceden la excreción y el K+ plasmático sube, se libera aldosterona en la sangre a través del efecto directo de la hiperpotasemia sobre la corteza suprarrenal. La aldosterona que actúa sobre las células P de la nefro. na distal mantiene los canales iónicos apicales de las células abiertos más tiempo y acelera a la Na+-K+-ATPasa, lo que aumenta la excreción renal de K+. La reguladón de las cqncentraciones corporales de K• es esendal pata mantener un estado de salud. Como aprendimos en el capítulo 8, los cambios en la concentración extracelular de K+ afectan el potendal de membzana de todas las células ( ~ Fig. 8-19). Si las concentraciones plasmáticas (y el líquido _extracelular) del K+ dismí-

REFERENCIAS ~-o .Estimulo

.-(@'centro integrador .@§ V!3 eferente

·.B Éfector

a

Respuesta tisular

~t®' _Respuesta s!Stémica

mFIGURA 20.16 Acciones de los péptidos natriuréticos nuyen (hipopotasemia}, el gradiente de concentración entre la célu. la y el líquido extracelular aumenta, más K+ abandona la célula y el potencial de membzana en reposo se vuelve más negativo. Si las concentraciones de K+ en el líquido extracelular aumentan {hiperpotasemia), el gradiente de concentración disminuye y más. K+ se· mantiene en la célula,. despolarizándola. (Recuerde que cuando las concentradones plasmáticas de K+ cambian, los aniones como el atambién se agregan al líquido extracelular o son sustiaídos de él en relación 1:1, lo que mantiene la neutralidad eléctñca global.) Acausa dei efecto del K+ plasmáticO sobre los tejidos excitables, como el corazón, los médicos siempre se ocupan de mantener el K+ plasmático dentro de su rango normal Si el K+ cae por debajo de 3 mEq/1 o se eleva por encima de 6 mEq/L, los tejidos excitables mus. culares y nerviosos comienzan a mostrar alteradones de función. Por ejemplo, la hipopotasemia produce debilidad muscular porque es más difídl que las neuronas y los músculos hiperpolarlzados disparen potenciales de acción. mpeligrO en este trastorno es que puede producirse una falla de los músculos respira todos y del corazón. Afortunadamente.- la debilidad muscular esquelética suele tener la suficiente importancia como para que los pacientes busquen tratamiento antes de que ocurran problemas cardiacos. la hipopotase.. mia leve se puede conegfr con la iogestaoral de suplementos de K+ y alimentos ricos en K+, como el jugo de naranjas y las bananas. ~ hiperpotasemia ~ un trastorno del potasi~ más peligroso

porque en este caso la despolarización de los tejidos excitables los hace en principio más excitables. lllego, las células son incapaces de repolarizarse completamente y, de hecho, se toman menos excitables. En este eStado, tienen potenciales de acctón más pequefios que los normales o éstos no se producen. La exdtabilldad del músculo cardiaco afectada por los cambios en el K+ plasmático puede conducir a arritmias cardíacas potendalmente fatales. Las alteraciones del balance de K+ pueden ser el resultado de enfermedad renal, pérdida de K• por diarrea o el uso de algunos tipos de di~ticos que evitan que los riñones reabsorban comple· tamente el K+. la couecctón inadecuada de la deshidratación también puede crear un desequilibrio del K+, Consideremos un golfista-que juega una ronda con una temperatura ambiental su· perior a los 34 ~c. Él está consciente del riesgo de deshidratación, de modo que bebe mucha agua para reemplazar el líquido perdido por sudoración. La reposición del líquido perdido con agua pura mantiene el volumen de su líquido extracelular normal pero hace ca~ su osmolaridad sanguínea total y las concentraciones de K+ y Na+, con lo que tal vez no pueda terminar la ronda debido a debilidad muscular y requiera atención médica, incluida una terapia de reposidón de iones. Un líquído de reposición más apropiado es el de las bebidas deportivas, que-incluyen sales y K•. El balance de potasio también está ligado estrechamente al equilibrio ácido-base, como veremos en la sección final de este

1

653

Capítulo 20 Fisiología integrada !l: equilibrio hidroelectrolítlco

Control integrado del volumen y la osmo!aridad

mostró que la estimulación de ctertas regiones del hipotálamo desencadenaba la conducta de ingestión de líquidos. Este descubrimiento condujo a la identificación de osmorieceptores hipotalámicos que iniCian la ingesta de líquidos cuando la osmolartdad corporal se eleva por encima de 280 mOsm. Se trata de un ejemplo de una conducta iniciada por un estimulo interno. Es interesante señalar que, aunque el aumento de la osmolari.dad desencadena sed, la ingestión de líquidos es suficiente para aliViarla. No es necesario que el agua ingerida sea absorbida para que la sensación de sed se apague. Receptores todavía no identifi. cados en la boca y la faringe (receptores de la. arofaringe) responden al agua fría disminuyendo la sensación de sed y reduciendo la li· beración de vasopresina aun cuando la osmolaridad plasmática si· ga siendo alta. Este reflejo orofaringeo es una razón de por qué se les permite a los padentes operados chupar trodtos de hielo: el hielo alivia su sed sin ingresar una cantidad importante de líquido en el aparato digestivo. Existe un reflejo similar en los camellos. Cuando se los conduce a abrevar, beben sólo lo suficiente como·para reponer su déficit de agua. Al parecer los receptores orofaríngeos actúan como un sistema de "medición" por prealimentación que ayuda a pre· venir grandes oscilaciones en la osmolaridad equiparando el in· greso de agua con la necesidad de agua. En los seres humanos, la respuesta refleja de beber para con· trarrestar el aumento de la osmolaridad se ve complicada con rituales culturales. La ingestión de bébidas tiene lugar eventos sociales, no sólo en respuesta al estimulo de la sed. En consecuen·cia, nuestro cuerpo debe ser capaz de eliminar el exceso de líqui· do ingerido en distintas situaciones sociales.

en

capítulo. La correcctón de una alteradón del pH requiere una atendón cuidadosa a las concentradones plasmáticas de K+. Asi· mismo, la correcdón del desequilibrio del K• puede modificar el pH corp~ral.

1

MECANISMOS CONDUCTUALES EN EL BALANCE DE SAL Y AGUA

Aunque los reflejos neurales, neuroendocrinos y endocrinos desempeñan -papeles .clave en la homeostasis de la sal y el agua, las respuestas conductuales son fundamentales para restablecer el estado normal, sobre todo cuando el volumen del líquido extracelular disminuye o la osmolaridad aumenta. La ingestión de agua es normalmente la única forma de restablecer el agua penlida y la ingestión de sal es la única forma de elevar el contenido de Na+ del cuerpo. Ambas-conductas son esenciales para el balance normal de sal y agua. Ips médiCos deben comprender que estas conductas faltan en los padentes inconscientes o que no son capaces por otro motivo de satisfacer sus necesidades conductuales, y deben adaptar el tratamiento en concordancia. El estudio de la base biológica para las conductas, que incluyen beber y comer, es un campo conocido como psicología fisiológica.

La ingesta de bebidas reemplaza la pérdida de üqufdos La sed es uno de los impulsos más poderosos conocidos en los seres humanos. En 1952, el fisiólogo sueco Bengt Andersson de-

ISIÓN 12. Incorpore el reflejo de la sed en la figura 2Q-7. Respuesta en la p. 675

El bajo contenido de Na' estimula el apetito de sal La sed no es el único impulso asOCiado con el balance de líqui· dos. El apetito de sal es el ansia por alimentos salados que ocu· rre cuando las concentractones plasmáticas de Na+ caen. Se puede observar en los ciervos o el ganado vacuno atraídos por los bloques de sal o los depósitos naturales de sal. En los seres humanos, el apetito de sal está ligado a la aldosterona y la angiotensina, hormonas que regulan el balance de Na+. Los centros para el apetito de sal están en el hipotálamo cerca del centro para la sed.

Las conductas de evitadón ayudan a prevenir la deshidratación Otras conductas desempeñan un papel en -el balance de líqui· dos al evitar o promover la deshidratación. Los aniip.ales en el desierto evitan el calor del dia y se vuelven activos sólo por la noche, cuando las temperaturas ambientales caen y la humedad au· menta. Los seres humanos, especialmente ahora que tenemos aire acondicionado, no siempre somos tan prudentes. El sueño del mediodía, ia siesta, es una adaptación cultural en los países tropicales que mantiene a los individuos dentro de sus casas durante el momento más cllido del día, ayudando así a eVitar la deshidratación y el sobrecalentamiento. En los Estados Unidos, hemos

Osmo!aridad . Oismin;;ida

Sin cambios

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00

Aumentada

Ingestión de gran cantidad de agua

Reposición de la pérdida de sudor con agua corrlente

lngest:ón de lngestión.de solución salina solución sallna isotónica hipertónlca

Volumen y osmolaridad

"""'""

~ Compensación

~ i!'!COmp!eta

parala o~l deshidratación

Ingestión de sal sin . ingestión de agua

Deshidratación

Hemorragia

(p. ej., pérdkia de sudor o diarrea)

mFIGURA 20.17 Alteraciones de volumen y osmolaridad

659

rio, la ganancia de líquido rara vez plantee una emergencia médica, a menos que la ingesta de agua pura disminuya la osmolartdad por debajó de valores aceptables. El volumen y la osmolaridad del liquido extracelular pued~ tener tres estados posibles: normal, aumentado o disminuido. La reladón entre los cambios de volumen y la osmolaridad puede representarse como en la grilla de la figura 20·17 mFl recuadro del centro representa el estado normal y los recuadros circundantes representan los ejemplos más frecuentes de las variaciones de la normalidad. En todos Jos casos, la compensación homeostática apropiilda para el cambio actúa según el principio de equilibrio de masas: se debe eliminar cualquier líquido y soluto agregado al cuerpo, o lo que se haya perdido debe reemplazarse. Sin embargo, no siempre es posible lograr una compensación perfecta. Comencemos en el ángulo superior derecho de la figura 20·17 y vaya de derecha a izquierda a través de cada hilera. l. Aumento del volumen, aumento de la osmolaridad. Podría produ-

cirse un estado de aumento.del volumen y elevación de la osmolaridad si usted ingiriera un alimento salado y bebiera líquidos al mismo tiempo, como rosetas de maíz y refrescos en abandonado esta costumbre civilizada y estamos activos continuael cine. El resultado neto podña ser la ingestión de una solu· mente dw:ante las horas del dia, aun cuando la temperatw:a se eleción salina hipertónica que aumenta el volumen y la osmolava durante el verano en el sur y el sudoeste. Afortunadamente, nuesridad del líquido extracylular. La respuesta homeostática aprotros mecanismos homeostáticos suelen mantenemos sin problemas. piada es la excreción de.o_rina hipertónica. Para mantener la homeostasis, la osmolaridad y el volumen de orina deben equiparar al ingreso de sal y agua de las rosetas y los refrescos. CONTROL INTEGRADO DEL VOLUMEN 2. Aumento del volumen, sin cambio en la osmolaridad. Moviéndose Y LA OSMOLARIDAD una celda hacia la izquierda en la fila superior, vemos que si la proporctón de sal y agua en el alimento ingerido es equivalente El cuerpo utiliza una respuesta integrada para corregir las altea una solución de NaCl isotónica, el volumen aumenta pero la raciones en el balance de sal y agua. El aparato cardiovascular res-osmolaridad rio cambia. La respuesta apropiada es la excreción ponde a los cambios del volumen sanguineo y los riñones respon~ de orina isotónica cuyo volumen sea igual al líquido íngerido. den a los cambios del volumen o la osmolartdad sanguínea. El 3. Aumento del volumen, dismimlción de la osmolaridad. Esta situación mantenimiento de la homeostasis durante el día es un procesq se produce si usted bebió agua pura sin ingerir ningún soluto. Él continuo en el cual se intercambian las cantidades de sal y agua objetivo aquí sería excretar una orina muy diluida para aumen· en el cuerpo, .de acuerdo con que acabe de beber un refresco o transpirar en una clase de ejercicio aeróbico. tar al máximo la pérdida de agua mientras se conservan sales. Sin embargo, como nuestros riñones no pueden excretar agua pura, Al respecto, mantener el equilibrio de los líquidos es similar a . siempre habrá cierta pérdida de solutos en la orina. En esta situa· conducir un automóvil en una carretera: pequefios ajustes man. ción, el volumen urinario no puede equiparar exactamente a los tienen el automóvil en el centro de la vía. Sin embargo, comó un ingresos, de modo que la compensación es imperfecta. filme de acdón, que muestra persecuciones violentas de automó4. Ningún cambio en el volumen, aumento de la osmolaridad. F.5ta alviles y no una conduCCión tranqUila, la parte excitante de la hoteración (fila central, celda derecha) podrla ocurrir si usted co· meostasis de los liquidas es la respuesta del cuerpo a las.situaciomió rosetas de maiz. saladas sin beber nada. La ingestión de sal nes críticas, como una deshidratación o una hemorragia grave. En sin agua aumenta la osmolartdad del líquido extracelulary haesta sección examinamos los problemas del balance de sal y agua. ce que algo de agua se desplace desde las células al liquido ex· tracelulat La respuesta homeostática es una intensa sed, que La osmolaridad y el volumen pueden cambiar conduce a la ingestión de agua para diluir el soluto agregado. de forma independiente Los riñones ayudan creando una orina altamente concentrada Normalmente, el volumen y la osmotaridad son mantenidos de volumen mínimo, que conserva agua mientras elimina el homeostáticamente dentro de un rango aceptable. Sin embargo, exceso de NaCL Una vez que se ingiere agua, la alteración se bajo ciertas circunstancias, la pérdida de líquido excede la ganan· convierte en la descrita en la situación 1 o la situación ·2. da de líquido o viceversa, y el cuerpo queda fuera de equilibrio. 5. Ningún cambio en el volumen, disminudán de la osrrwlaridad. Fste Las vías más comunes para la pérdida de líqufdo incluyen sudoescenario (fila central, celda izquierda) podría ocurrtr cuando radón excesiva, vómitos, diarrea y hemorragia. Todas estas situauna persona que está deshidratada reemplaza el líquido perdido ciones pueden requerir una intervención médica. Por el contracon agua pura, como el golfista descrito antes. Se corrige la dfs..

660

Capítulo 20 Fisiolo.gía integrada U: equilibrio hidroe!ectrolítico

ESTÍMULO

ÓRGANO OTEJIDO AFECTADO

Control integrado del volumen y !a osmo!aridad

RESPUESTA/S

FIGURA/S :

>>"

Di~.min~dón 'd.é ·¡~ pre~tón. ~ria·l ~ Efectos directos

Células granulares

Secreción de renina

20.14

Gloméru!os

Disminución del TFG

19-7,20-15

Barorreceptores carotídeos y aórticos

Centro de control cardiovascu!ar

Aumento de !a eferenda simpática, disminución de la eferenda parasimpática

15--23, 20.15

aarorreceptores carotldeos y aórticos

Hipqtá!amo

Ertimu!adón de la sed

20.1a

Barorreceptores carotídeos y aórticos

Hipotálamo

Secreción devasopresina

20.7

Barorreceptores auriculares

Hipotálamo

Estimuladón de la se¡:!

20.1a

Barorreceptores auriculares

Hipotálamo

Secreción de vasopresina

20.7

Gloméru!o

Aumento de la TFG (trans/1orio)

19-8

Células mi!Xárdicas

Secreción de ~ptido natriurético

20-16

Barorreceptores caratldeos y aórticos

Centro de control cardiovascular

Disminución de la eferenda simpática, aumento de la eferenda parasimpfitica

1s-22

Barorreceptores carotfdeos y aórticos

Hipotálamo

Inhibición de la sed

Barorreceptores carotídeos y aórticos

Hipotálamo

Inhibición de la vasopresina

Barorreteptores auriculares

Hipotálamo

Inhibición de la sed

Barorreceptores auriculares

Hipotálamo

Inhibición de la vasopresina

661

gia. La pérdida de sangre representa la pérdida de líquido isoosmótico desde el compartimento extracelular, como sacar taza de agua salada de una cubeta. Si no hay posibilidad de realizar una transfusión sanguínea, la mejor forma de reposición es una solución isoosmótica que permanezca en el liquido extracelular, como de NaCl isotónica. 8. Disminución del volwnen, disminución de la osmolaridad. Esta situación (fila inferior, celda izquierda) también podría ser el resultado de una compensación incompleta de una deshidratación, pero es infrecuente, de modo que la ignoraremos.

Reflejos

AUmento de la presión arterial Efectos directos

Reflejos

AUmento de li\ osmolarldad

Corteza suprarrenal

Disminución de la se««\~n de aldosterona

20.18

Reflejos

osmorr&eptores

Hipotálamo

Estimuladón de la sed

20.12

Osmorreceptores

Hipotálamo

Secreción de vasopresina

20.7

Corteza suprarrenal

Aumento de la secreción de aldorterona

Hipotálamo

Disminución de la secreción de vasopresina

DJSmlnudón de li:i osmolañdad · Efectos dire!Í{)S

Hiponatremia patológica

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Reflejos

OSmorreceptores

Para comprender la respuesta integrada del cuetpo a los cambios en volumen y osmolaridad, se debe tener primero una idea clara de qué vías se activan en respuesta a distintOs estímulos. El cuadro 20-1 il es un resumen de las muchas vías involucradas en la homeostasis del balance de sal y agua. Para los detalles de las ~ vías individuales, remítase a las figuras citadas ·en el cuadro 20-1. La respuesta homeostática a la deshidratación grave es un ejemplo excelente del modo en que funciona el cuerpo para mantener el volumen Sanguíneo y el volumen celular frente a una dls-. minuctón de volumen y un aumento de la osmolartdad. También muestra el papel de los centros integradores neurales y endocrinos. Eilla deshidratación, la corteza suprarrenal recibe dos señales opuestas. Una dice "secretar aldosteronan; la otra dice "no secretar aldosterona". El ClleipO tiene múltiples mecanismos para manejar una disminución del volumen sanguíneo, pero una eleminudón de volumen resultante de la desh!.dtatación, pero el lívación de la osmolaridad del líquido extracelular hace que las cé-~ quido de reposición no tiene solutos para reemplazar alos perdi· lulas se encojan y representa una amenaza más inmediata para la dos. En consecuencia, se crea un nuevo desequilíbrfo. salud. Por lo tanto, frente a una disminución del volumen y un Esta situación condujo al desarrollo de las bebidas deportiaumento de la Osmolaridad, la corteza suprarrenal no secreta alvas con contenido electrolítico. Si los individuos que se ejerci- dosterona. (Si la secretara, la aldosterona producirla reabsorción tan al aire libre en clima cálido reemplazan el sudor perdido de Na", que podria aumentar aún n~;ás la osmolaridad asociada t con agua pura, pueden restablecer el volumen pero corren· el con la deshidratación.) riesgo de diluir las concentraciones plasmáticas de K+ y Na+ En la deshidratadón grave, los mecanismos compensatorios hasta concentraciones peligrosamente bajas (hipopatasemia e· están dirigidos a restablecer la presión arterial normal, el volu· hipanatremia, respectivamente). men de líquido extracelular y la osmolaódad, 1) conservando lí6. Disminud6n del volumen, aumenta de la osmolaridad. I.a deshidta• quido para evitar una pérdida adicional, 2) disparando reflejos tación es una causa frecuente de esta alteración (fila inferior, celcardiovasculares para aumentar la presión arterial y 3) estimulan· da derecha). La deshidratación tiene múltiples causas. Durante do la sed de modo de poder restablecer el volumen de líquido y un ejerctcio intenso y prolongado, la pérdida de agua por los pulla osmolarid<~:d normales. La figura 20-18 mmuestra un mapa de mones puede duplicarse mientras que la pérdida de sudor puede la naturaleza interconectada de estas respuestas. Esta figura es aumentar desde 0,1litro hasta ¡S litros! Como el líquido secretacompleja e intimidante a primera vista, de modo que la explicado por las glándulas sudoóparas es hipoosmótico, el líquido que remos paso a paso. queda detrás en el cuerpo se vuelve hiperosmótico. En la parte superior del mapa (en amarillo) hay dos estímulos La diarrea (diarhein, fluir a través), heces excesivamente acuocausados por la deshidratación: disminución de ~olumen sanguísas, es un ttastomo patológico que comprende una pérdida im· neo/presión arterial y aumento de la osmolaridad. La dism.lnu. portante de agua y solutos por el tubo digestivo. Tanto en la sución del volumen de líquido extracclular produce una disminudoración como en la diarrea, si se pierde demasiado líquido desción de la presión arterial. La presión arterial actúa directamente de el aparato circulatorio, elvolumensanguíneodisminuyehasy como estímulo para varias vías reflejas mediadas_ por los barota el punto en que el corazón ya no puede bombear sangre efi. rreceptores carotídeos y aórticos, los receptores de volumen atriacazmente hada el cerebro. Además, el encogimlento celular les y las células granuiares sensibles a la presióil. causado por la mayor osmolaridad altera la función celular. · 7. Disminución del Volumen, sin cambio en la osmolaridad~ Esta si1. Los bararreceptores carotídeos y aórtiros envían señales al centro de ~ción (fila inferior, celda central) se produce _en la hemonacontrol cardiovascular para elevar la presi6n arteriaL La eferencia <

Efectos directos

Deshidratación patológica

La deshidratadón dispara respuestas renales y cardiovascu/ares

Equilíbrio ácido-base

mente la tasa de filtración glomerular. Una tasa de filtradón glomerular más baja conserva el volumen del líquido extracelu· lar al filtrar menos líquido en la nefrona. 3. La retroalimentación paracrina hace que las células granulares Ji. beren renina. La disminudón del flujo de líquidos que pasan la mácula densa como resultado de 1¡; menor tasa de filtradón glomerular dispara la liberación de renina. 4. Las células granulares respanden a la dismimu:ión de la presión ar· ferial liberando renhta. La combinación de disminución de Ia presión arterial, aumento de las aferenctas simpáticas en l_as células granulares y seftales desde la mácula densa estimula la liberación de renína y asegura una-mayor producción de angiotensina U. S. La disminución de la presión arterial, la disminución del volumen sangufneo, el aumento de la osmolaridad y el aumento de la producción de angiotensina Il estimulan a la vasaprestna y los centros de la sed del hipotálamo. La redundancia en las vías de control asegura que se activen los cuatro mecanismos compensatorios princtpales respuestas cardio. vasculares, angiotensina n, vasopresina y sed. l. Las respuestas audü:rvasadares combinan un aumento del volumen minuto y un aumento de la resistenda periférica para

filJ AGURA 20.18 Compensación homeostática para una deshidratación grave

simpática desde este centro aumenta mientras que la eferen· da parasimpática disminuye. a) La f:recuenda cardiaca .aumenta a medida que el control del nodo sinoatñal se desplaza desde predominantemente parasimpático a simpático. b) La fuerza de la contracción ventricular también aumenta pór estimulación simpática. El aumento de la fuerza de contracctón se combina con un aumento de la frecuen?a cardíaca para aumentar el volumen minuto.

e) Simultáneamente, las aferendas simpáticas producen va-

soconstricdón arteriolar, lo que aumenta la resistenda periférica. d) La vasoconstricdón simpática de las arteriolas aferentes en los riñones disminuye la tasa de filtración glomerular, lo que ayuda a conservar líquido. e) El aumento de la actividad simpática en las células granu· lares de los riñones aumenta la secredón de renina. 2. La disminución de la presión arterial periférica disminuye directa·

elevar la presión arterial. Sin embargo, obsérvese qúe este au· mento de la presión arterial no significa necesariamente que la presión arterial retome a la normalidad. Si la deshidratación . es grave, la compensación puede ser Incompleta y la presión arterial puede mantenerse por debajo de la normalidad. 2. La anglotensina H tiene distintos efectos dirigidos a elevar la presión arterial, que incluyen estimulación de la sed, liberación de vasopresfna, vasoconstricdón directa y refuerzo de las eferencias del centro de control cardiovasculat La angiotensina ntambién llega a la corteza suprarrenal e intenta estimular la liberación de aldosterona. Sin embargo, en la desbidratactón la reabsorción de Na+ empeora la osmolaridad, que ya es alta. En conseruencia, la osmolaridad, elevada en la corteza. suprarrenal inhibe directamente la liberación de aldosterona, lo que bloquea la acción de la angiotensina n. La vía del siste:ma renina-angiotensina-aldosterona en la deshidratación produce los efectos beneficiosos de aumento de la presión aí:terial de la angiotensina n pero evita los efectos perjudidales de la reabsorctón de Na+. Se trata de un bello ejemplo de función integrada. 3. La vasopresina aumenta la permeabilidad al agua de los túbulos colectores renales, lo que permite que la reabsorción de agua conserve líquido. Sin embargo, sin una correcta reposición del líquido, la vasopresina no puede llevar el volumen y la osmolaridad nuevamente a la.normalidad. 4. El ingreso llfal (o intravenoso) de agua en respuesta a la sed es el único mecanismo para reponer el volumen de líqUido perdi· do y restablecer la osmolaridad del líquido extrácelular hasta valores normales. El resultado neto de los cuatro mecanismos es 1) el restablecimiento del volumen por la conservación de agua y la ingesta de líq~do, 2) el mantenimiento de la presión arterial a través de un

663

aumento del volumen sanguíneo, el aumento del volumen minuto y la vasocpnstricción y 3) el restablecimlento de la osmolaridad normal por una disminución de la reabsoiCión de Na+ y un aumento de la reabsorción y la ingestión de agua. Utilizando las vías mencionadas en el cuadro 20-1, intente crear mapas de reflejos para los otros siete trastornos del volumen y la osmolaridad que se muestran en la figura 20..17.

IEQUIUI!RIO ÁCIDO-BASE El equilibrio áddo·base (también denominado homeostasis del pH) es una de las funciones esenciales del cuerpo. El pH de una soluctón es una medida de su concentración de H+ (~ p. 37). Una muestra de plasma arterial normal tiene una concentradónde H+ de 0,00004 mEq/L, pequeña en comparación. con las concentraciones de otros iones. (Por ejemplo, la concentración plasmática de Na• es de unos 135 mEq/L.) Como la concentración de H+ del cuerpo es tan baja, se expresa comúnmente en una escala de pH logarítmica de 0..14, en la cual un pH de 7,0 es neutro (ni ácido ni básico). Si el pH de una solución está por debajo de 7,0, la solución tiene una concentra. ción de H+ mayor de 1 x I0-7 M y se la considera ácida. Si el pH está por encima de 7,0, la soluctón tiene una concentración de H+ 41-ferlor a 1 x 10-1 M y se la considera alcalina (básica). El pH normal del cuerpo es de 7,40, ligeramente alcalino. Un cambio de 1 unidad de pH representa 'un cambio de 10 veces en la concentración de H+. Para revisar el concepto de pH y la escala logarítmica sobre la cual se basa, véase apéndice A.

Las enzimas y el sistema nervioso son particu/ai'tilente sensibles a Jos cambios de pH El rango normal de pH es 7,38·7,42. El pH extracelular habi· tualmente refleja el pH intracelular y viceversa. Como es difícil monitorizar las condiciones intracelulares, en la dinica se utilizan Jos valores plasmáticos como indicador del pH del líquido extracelular y de todo el cuerpo. Los líquidos corporales que se encuentran "fuera" del medio interno, como aquellos que están en la luz del tubo digestivo o Jos túbulos renales, pueden tener pH que se apartan en mucho del rango normal. Las secreciones áctdas del estómago, por ejemplo, pueden mantener un pH gástrico de tan s6lo 1 y el pH de la orina varía entre 4,5 y 8,5, según la necesidad del cuerpo de excretar H+ o HCO¡. I.a concentradón de W en el cuerpo está cuidadosamente regulada. Las proteínas intracelulares, como enzimas y canales de membrana, son particularmente sensibles al pH porqUe la functón de f!ita5 proteínas depende de su forma tridimensional (m p. 31). Los cambios en la concentración de H+ alteran la estructu· ra terdaria de las proteínas al interactuar con puentes de hidróge. no en las moléculas, lo que altera las estructuras tridimensionales y las aCtividades de las proteínas. Un pH anormal puede afectar significativamente la actividad del sistema nervioso. Si el pH es demasiado bajo -trastorno conocido como actdosis-las neuronas se toman menos excitables y se produ· ce una depresión del SNC. Los pacientes están confusos y desorientados, luego entran en coma. Si la depresión del SNC progresa, los centros respiratorios dejan de funcionar, lo que produce la muerte.

1

664

Equilibrio áddo-base

Capítulo 20 FISiología integrada ll: equilibrio hidroe!ectrolítico

Ingreso de H+

ácido citrico Yel ácido ·lá_ctico producido por el metabolismo anaerobio. La producción metabólica de ácidos orgánicos crea cada día una cantidad importarite de H+ que Ceben ser excretados para mantener el equilibrio de masas. Bato drcunstandas extraordinarias, la producción metabólica de ácidos orgánicos puede aumentar significativamente y próvocar una crisis. Por ejemplo, las condiciones anaerobias graves, como el colapso circulatorio, producen tanto ácido láctico que los mecanismos homeostáticos normales no pueden seguir el ritmo, lo que condu_c_e a un estado de acitklsis láctiaz. En la diabetes mellitus, el metabolismo anormal de las grasas y los aminoácidos crea ácidos fuertes cOnocidos como cetoáddos. Estos ácidos producen un estado de acidosis metabólica conoctda como cetoaádosis. -La fuente más grande de ácido es la producción de C02 durante la respiración aerobia. El dióxido de carbono no es un ácido porque no contiene ningún átomo de hidrógeno. Sin embargo, el C02 de la respiración se _col.l;lbina con agua para formar ácido carbónico (HzCO~, que se disocia en W y HC03--: C02 +Hz0~HzC03 :;=:!:

mFIGURA 20~19 Balance de hidrógeno en el cuerpo Si el pH es demasiado alto -trastorno·conocido como alcalosis- laS neuronas se toman hiperexcitables, disparan potenciales de acción ante la señal más ligera. Este trastorno se muestra primero como cambios sensoriales, como entumedmiento y parestesias, luego como contracciones musculares. Si la alcalosis es grave, las contracciones musculares pasan a contracciones sostenidas (tétanos) que paralizan Jos músculos respiratorios. Las alteraciones del equilibrio ácido-base se asocian con alte.. raciones del balance de K+. Esto se debe, en parte, a uú transportador renal que mueve los "iones K• y w- como un cotransportador bidi!eccional. En la acidosis, los riñones excretan ff+ y reabsorben K+ utilizando una H'-K+-ATPasa. En la alcalosis, los rifiones reabsorben H+ y ex_cretan K•. El desequilibrio del K• habitualmente se confirma por trastornos en los tejidos excitables, sobre todo el corazÓn.

Los ácid~; y las bases del cuerpo provienen de muchas fuentes En el funcionamiento cotidiano, el cuerpo debe enfrentar la ingestión y la producción de· ácidos más que de bases. Los hidrogenion~ provienen tanto de los alimentos como del metabolis-mo interil.o. El mantenimiento del equilibrio de masas requiere que el ingreso y la produc.ción de ád.dos estén equilibrados _con la excreción de _ácidos. El balance de los hidrogeniones en el cuerpo se resume en la figura Z0..19 m. Ingreso de ácidos Muchos intermediarios metabóll_cos y alimentos son.ácidos orgánicos que se i9nizan y contribuyen _con H• a los líquidos corporales.* Ejemplos de ácidos orgánicos son los aminoácidos, los ácidos grasos, los intermediarios en el ciclo del •tas palabr.ls que designan aniones de mucllos áddos o¡gán!cos tennlnan con eJ. rufl.Jo -
1

H•-tHC03-

Esta rea_cción tiene lugar en todas las _células y en el plasma, pero a un ritmo lento. Sin embargo, en ciertas células del cuerpo, la reacción se produce muy :rápidamente por la presencia de una gran cantidad de anhidrasa carbónica ( ~ ·P· 599). ~ta enzima cataliza la conversión de C02 y HzO a HzCOr La producción de H+ a partir d~ C02 y HzO es la fuente más · grande de áddo en condiciones normales. Según estimaciones, el COz del metabolismo en reposo produ_ce 12 500 mEq de H+·por dia. Si se colocara esta cantidad de ácido en un volumen de agua igual al volumen plasmático, crearía una con_centradón de H+ de 4 167 mEq/L, ¡más de den millones (lOS) de veces superior a la concentración plasmática normal de H+ de 0,00004 mEq/L! Estas cifras demuestran que el COz de la respíradón aerobia tiene el potencial de afectar espectacularmente el pH en el cuerpo. Mortunadamente, los mecanismos homeostáticos por lo común evitan que el COz se acumule en el cuerpo.

Ingreso de bases La fisiología ácido-base se concentra en los ácidos por buenas razones. Primero,. nuestl:a dieta y metabolismo tienen pocas fuentes importantes de bases. Algunas frutas y verduras contienen aniones que metabolizan en Ho<;-, pero la in· fluencia de estos alimentos está muy superada por las frutas ácidas, los aminoácidos y los ácidos grasos; Segundo, los trastornos del equilibrio áddo-base debidos a un exceso de ácido son más frecuentes que los debidos a un exceso de base. Por estas razones, el cuerpo gasta más recursos eliminando el exceso de áddo.

La homeostasis del pH depende de los amortiguadores de pH, los pulmones y lós riñones ¿Cómo maneja el cuerpo los cambios minuto a minuto en el pH? Existen tl:es mecanismos: 1) amortiguadores de pH, 2) la ven· tiladón y 3) la regulación renal de H•y HC03-. Los amortiguadores de pH o buffers constituyen la primera línea de defensa, siempre presente y esperando evitar los grandes cambios de pH. La ventilación, la segunda línea de defensa, es una respuesta rápida y de conttol reflejo que puede resolver el 75% de los trastornos

del pH. La línea final de defensa está en los riñones. Son más lentos que los amortiguadores de pH o que IÓS pulmo.nes, pero muy eficaces para manejar cualquier trastorno reiilanente del _ pH en condiciones normales. Estos tres mecanismos ayudan al balance de ácido del cuerpo tan eficazmente que el pH _corporal normal varía muy poco. Demos una mixada más cercana a cada uno de ellos.

Los sistemas de amortiguadores de pH incluyen proteínas, iones fosfato y HC03Un amortiguador de pH o buffer es una molécula que ¡nodera los cambios en el pH al combinarse con H+ o liberarlo pero no los evita ( ~ p.38). En ausencia de amortiguadores del pH, el agregado de áddo a una soludón produce un cambio brusco en el pH. En presencia de un amortiguador del pH, el cambio de pH es modera· do o induso puede no observarse. Como la producción de ácido es el principal obstáculo para la homeostasis del pH, la mayorla de Jos amortiguadores de pH fisiológicos se combinan con H+. Los amortiguadores de pH se encuentran tanto dentro de las células como en el plasma. Los intracelulares son las proteínas _celulares, los iones fosfato (HPO/") y la hemoglobina. Como hemos visto, la hemoglobina de los eritl:octtos amortigua los H+ producidos por la reacción del C02 con lizO {tlli Fig. 18-14,_ p.

665

de amortiguador HC03- porque éste sólo actúa como amortiguador cuando se une al H+ y se convierte en ácido _carbónico. Ahora supongamos que se agrega H+ al plasma que proviene de alguna fuente metabólica, como el.ácido láctico: C02 + HzO ,.,:=

~C03 ~

tW + HC03-

{3)

En este caso, el HC03- plasmático puede actuar como un amortiguador del pH combinándOse con el H+ agregado hasta que la reacción al_canza un nuevo estado de equilibrio. El aumento del H• desplaza la ecuación hada la izquierda:

COz+ ~O r HzC0 3 f- jH+ + HCOi

(4)

La conversión de parte del H+ agregado y el amortiguador de pH bicarbonato en ácido carbónico significa que, en el equilibrio, el H+ está aún elevado, pero no tanto como lo estaba inicialmente. La concentración de HC03- ha disminuido porque una parte se ha utilizado como amortiguador. El H+ amortiguado es convertido en C02 y HzO, lo que aumenta las cantidades de ambos. En equilibrio, la reacción se ve así:

reo,+ 111,0- H,co,- rw + tHco,-

(S)

La ley de acción de masas es una buena forma de pensar la relación entre los cambios en las _concentraciones de H+, HC03- y 600), C021 con ciertas advertencias. Primero, un _cambio en la concenCada ión H+ amortiguado por la hemoglobina deja unión bi· tracióp. de HC03- (como se indica en la reacción S) puede nomacarbonato en el interior del eritrocito. El HC03- entonces abandoniféstarse clínicamente como una alteración del rango normal de na el eritrocito intercambiándose con un CI- plasmático. Este inHC03-. Esto es porque el HC03- es 600 000 veces más _concentratercambio es el desplazamiento o intercambio tk cloruro descrito en do-en el plasma que los H+. Si se agrega tanto H+ como HC03- al el capítulo 18 {ifa p. 601). plasma, se pueden observar cambios en el pH (pero no en la conLas grandes cantidades de bicarbonato producidas a partir del centración de HC03-), porque ya había demasiado HC03- presen-~ C02 metabólico crean el sistema de amortiguadores de pH extra· te desde el principio. Tanto el H+ _como el HC03- experimentan celular más importante del cuerpo. La concentración plasmática un aumento absoluto en la concentración, pero como ya había de HC03- promedia 24 mEq/1, aproximadamente 600 000 veces mudlo HC03- en el plasma al comienzo, el aumento relativo en el mayor que la del H~ del plasma. Aunque se crea H• y HC03- en HC03- pasa inadvertido. · 1 una relación 1:1 a partir de COz y lizO, la amortiguación intf
H•+HCOi ácido carbónico

(1)

Según la ley de acción de masas, cualquier cambio en la cantidad de C021 H• o HC03- en la solución hará que la reacción se desplace hasta alcanzar un nuevo equilibrio. (El agua siempre está en exceso en el cuerpo y no contribuye al equilibrio de la reacción.) Por ejemplo, si el COz aumenta, la eruadón se désplaza hada la derecha y crea H+ adicional y un HC03- adicional de cada C01 yagua: jC02 +Hz0~ H2C03 ~ jH++jHC03(2) Una vez que se alcanza un nuevo equilibrio, tanto las concentraciones de H+ como de HC03- han aumentado. El agregado de H+ vuelve a la solución más ácida y por lo tanto reduce su pH. En esta ~ón, no importa que se haya producido también una niOlécula

666

Capítulo 20 Fisiología integrada 1!: equilibrio hidroe!edro!ftico

Equilibrio ácido-base ¡=-•-•«•·--'"

Aun con estos amortiguadores de pH, la orina puede volverse muy ácida, hasta un pH de unos 4,5. Mientras el fl+ es excretado, Jos riñones forman nuevo HC03- a partir de C02 y HzO. El HC03es reabsorbido por la sangre para actua( corno amortiguador y aumentar el pH. En la alcalosis, el riñón revierte el proceso general que acabamos de describir para la acidosis, excretando HCQ3- y reabsorbiendo H+ en un esfuerzo por llevar el pH nuevamente al rango nollllal. Las compensaciones renales son más lentas que las respiratorias y es posible que no se observe su efecto sobre el pH 9-u· rante 24-48 horas. Sin embargo, una vez activadas, las compensadones renales manejan eficazmente todos los trastornos del equilibrio ácido-base a excepción de los más graves. Los mecanismos celulares para el manejo renal de H+ y HC0 3se asemejan a los procesos de transporte en otros epitelios. Sin embargo, en estos mecanismos participan algunos transportadores de membrana que no hemos encontrado antes:

.¡·e·_,,, ! REFERENCIAS

O

11

Receptor

0.:' ""'"' '"""'"" m Efector

0

Respuesta tisular

sistémica 1__ @_-Respuesta __ _ ~-=_,

~

f

t E'

1:.'

l. El contratransportador o cotransportador bidireccional

<'

''' '' ''' '' ''

m! FIGURA 20..21 Aspectos generales de la compensadón re-

na( de la addosis Los transportadores representados en esta figura se muestran en mayor detalle en las figuras 20-22 y 20.23.

2.

ricos ayuda al cuerpo a respqnder rápidamente a los cambios en el pH o la C02 plasmática. 11 FIGURA 2o-20 Vía refleja para la compensadón respiratoria de la addosis metabólica La segunda advertencia respecto a la ley de acción de masas es

que cuando la reacción se desplaza hacia la izquierda y aumenta el C02 en el plasma, se produce un aumento casi instantáneo de la ventilación (en un individuo normal). Sí se elimina COz extra por la ventilación, la Pcoz arterial puede mantenerse normal o incluso ca~ por debajo del normal como resultado de la hiperventilación.

La ventilaáón puede compensar las alteraciones

delpH

··

667

·

·

El aumento de la ventilación que acabamos de describir es una crnnpensad6n respiratoria para-la acidosis. Ventilación y estado ácido-base están íntimamente ligado~, como lo muestra la ecuación COz+ F!zo·~ H2C03 ~ H+ + HC03• Cambios en la ~entil~ctón puede~ corregir trastornos del equilibrio ácido-base, perO también pueden producirlos. A causa del equilibrio "dinámico entre COz y H+, cualquier cambio en la Pcoz afectará tanto el contenido de H+ como de HC03- de la sangre. Por ejemplO, si una persona hipoventila y la Pcoz aumenta, la ecuación se desplaza hacia la i:Ierecha. Se forma más ácido carbónico y el W aumeitta, lo que crea· un estado más addótico: ··.fC03 +11,0->H,C03 ->fH'+fHC03-

(6)

Si una persona híperventlla, espirando COz y disminuyendo así

la Pco2 del plasma, la eatadón se desplaza hacia la izquierda, lo que significa que el H+ combina con HC03-y se convierte en ácido carbónico, lo cual disminuye la concentración de H+ y eleva el pH:

iC03 + H,O <- ff,C03 <- .j,¡¡• + ÍHC03-

(7)

En estos dos ejemplos, usted puede ver que un cambio en la

Pco2 afecta la concentración de H• y, por lo tanto, el pH'del plasma. El cuerpo utiliza la Ventilación como método para ajustar el pH sólo si un estímulo asociado-con el pH desencadena la respuesta refleja. Dos estímulos pueden hacerlo: H+ y COz· La ventilación es afectada directamente por las concentraciones plasmáticas de H+ a través de los quimiorreceptores carotideos y aórticos (Fig. 20-20 B). Éstos se lo~ en las arterias aorta y carótida junto con los sensores de oxígeD.o y los sensores de presión arterial que analizamos antes ( m!1 p. 604). Un aumento de la concentración de H+ en el plasma estimula los quimiorreceptores, lo~ cuales a su vez envían señales a los centros de control respiratorio bulbares para aumentar la ventilación. El aumento de la ventilación alveolar permite a los pulinones excretar más C02 y convertir el H+ en ácido carbónico. Los quimiorreceptores centrales del bulbo raqllideo no pueden responder directamente a los cambios en el pH plasmático porque los H+ no atraviesan la barrera hematoencefálica. Sin embargo, los cambios del pH cambian la Pco.v y el COz estimula los quimioneceptores centrales ( ~ Fig. 18-19). El doble control de la ventilación a través de los quimionec_eptores centrales y perifé-

.. RE.jiiSIÓN ;;~~-4:'13. Mencione !os músculos de la ventilación que podrfan

ld!i:-; ""''

3.

estar involucrados en el reflejo representado en la fi. gura 20-20. 14. En la ecuación 6, la cantidad de HCO¡ presente está aumentada y en equilibrio. ¿Por qué este HC03·no ac,

4.

tú a como un amortiguador de pH y evita que ocurra

la acidosis? Respuestas en !a p. 675

Los riñones utilizan amoníaco y amortiguadores de pH de fosfato Los riñones son responsables del25% de la compensación que los pulmones no pueden manejar. Modifican el pH de dos formas: 1) de forma directa, excretando o reabsorbiendo H+y 2) de forma indirecta, modificando el ritmo con el cual el amortiguador de pH HC03- es reabsorbido o excretado. En la acidosis, el riñón secreta H+ en la luz del túbulo utilizando transporte activo directo e indirecto (Fig. 20-21 fi!J). El amoníaco proverúente de los aminoácidos y los iones fosfato (HPOl') en el riñón actúan como amortiguadores de pH, atrapando grandes cantidades de H+ como NH+4 y HzP04- y perml.tiendo que se excrete más H+, Los iones fosfato están presentes en el filtrado y se combinan con·w secretado en la luz dé la nefrona: HPO/"+H+~

HzP04"

El amoníaco se forma de los aminoácidos, como se describe en la pró~il. secctón.

5.

apical de Na•-H• es un transportador activo indirecto que lleva Na+ hada la célula epitelial a cambio de H+, que se mueve en contra de su gradiente de concentración hacia la luz. Éste es el mismo transportador que está activo en la reabsorción de Na• en el túbulo proximal ( ~ p. 627). El cotransportador simportador basolateral de Na•-HC0 3mueyo: Na+ y HC03- fuera de la célula epitelial y hada el líquido intersticial. Este transportador activo indírecto acopla la energía del HC03, que difunde a favor de su gradiente de concentración, con la del movimiento de Na•, que lo hace en contra, desde la célula hada el líquido extracelulat La H+-ATPasa utiliza energía proveniente del ATP para acidificar la orina, empujando H+ contra su gradiente de concentración hada la luz de la nefrona distal. La H+.K+·ATPasa introduce H+ en la orina a cambio del K+ reabsorbido. Este intercambio contribuye al desequilibrio de potasio que acompaña a veces a los trastornos del equilibriO ácido-base. Un contratransportador o cotransportador bidireccional de Na•·NH/ mueve NH4+ desde la célula a la luz a cambio de Na+, Además de estos transportadores, el túbulo renal también uti-

liza la difundida Na+-K+,ATPasa y la misma proteína contratrans-

portadora bidireccional de HC03--CI- que es responsable del des" plazamiento del cloruro en los eritrocitos.

El túbulo proximal secreta H' y reabsorbe HC03La cantidad de ión bicarbonato que filtran los riñones cada día es equivalente al que hay en 450 gramos de bicarbonato de soda (NaHCOJ en polvo comercial. La mayor parte de este HC03• debe ser reabsorbido para mantener la capacidad amortiguadora del pH del cuerpo, El túbulo proximal reabsorbe la mayor parte del HC03• filtrado por métodos indirectos porque no existe ningún transportador de membrana apical que lleve HC03- al interior de la célula tubular. La figura 20-22 m muestra las dos vías por medio de las cuales se reabsorbe el bicarbonato en el túbulo proximal. {Los números

668

Equilibrio ácido-base

Capítulo 20 fisiologfa integrada 11: equilibrio hidr()electro!ítlco

mi FIGURA 2G-22 Secredón de 1:1'" por el túbulo proximal y reabsordón del HC03- filtrado

1m FIGURA 20.23 Papel de las células intercalares en addosis y alcalosis Las células intercalares del tú bulo colector secretan o reabsorben W y HC01- sÉ!:gún las necesidades

del cuerpo.

{b) las células intercalares tipo B funcionan en la alcalosis.

(a) Las células fnterca!ares.tipo Afuncionan en fa acidosis. ~--··

'·

'

669

Se excretan HCOa-y K+; se reabsorbe W.

Se excreta H+; se reabsorbeo HC03-y K+.

El cotransportador !reec!onal ..Na+-H+ H'.

·~--·· ·:EH+enelfi!tradosa

};ombina con el HCOa--__ filtrado para foonarC~.

"~"""""''

l

HC<Js- filtredo + W

~

' ~· .::::'!."" """""'. . r-······

'EIHCOr:~do.

de las siguientes listas corresponden a los pasos que se muestran en la figura.) Siguiendo esta ilustradón, veremos de qué modo los transportadores mencionados en la sección anterior funcionan en conjunto. La primera vía convierte el HCo3~ filtrado en C021 luego nuevamente eri HC03-: · l. El H+ es secretado desde la célula del túbulo proximal hacia la

2. 3.

4. S.

luz a cambio del Na• filtrado, que se mueVe desde la luz hada la cé!UÍa tubular. El W secretado se_ combina con el HC03- filtrado para formar COz en -!a luz. Este COz difunde en la célula tubular y se combina con agua para formarf4C03, que se disoda en H+ y HC03- en el citoplasma. El H+ creado en el paso 3 es secretado y reemplaza al H'·Iuminal que se combinó con HC03- filtrado en el paso 2. El HC03- creado en el paso 3 es.transportado fuera de la célula sobre la cara basolateral por el cotransportador simportador de HC03--Na+.

El resultado neto de este proceso es la reabsorción de Na+ .Y HC03-filtrados y la secreción de H+,

Una segunda form'a de reabsorber bicarbonato y excretar H+ viene del ni.etabolismo del aminoácido glutamina: glutamina en la ctlula del túbul.o proximal pierde sus dos grupos aminos, que se convierten en amoníaco (NH). El amoníaco amortigua el H+ y se convierte en ión amonio. 7. El ión amonio es transportado hada la luz a cambio de Na+. 8. La molécula de n.-cetaglutarato formada a partir de la desaminadón de la glutamlna es metabolizada además en HC03~, que es transportado a la sangre juntáinente con Na+.

6. La

.El resultado neto de estas vías es i!l reabsorción de bicarbonato de sodio, NaHC03•

La nefrona distal controla la excreción de áddo La nefrona distal desempeña un papel importante en la regu· ladón fina del equilibrio áddo-.base. Las células intercalares (o células 1) interpuestas entre las células prindpales son responsables de la regulación áddo-base. Las células intercalareS se caracterizan por tener concentraciones elevadas de anhidrasa carbónica en su citoplasma. Esta enzl· ma les permite convertir rápidamente el COz y el agua en H+ y HC0 ~. Los iones H+ son bombeados fuera de la célula intercalar 3

Ex:cretado en fa orina

ya sea por la H+-ATPasa o por una ATPasa que intercambia un H+ por un K+. El bicarbonato abandona la célula por medio del intercambiador cotransportador bidireccional de HC03--CI-. Existen dos tipos de células intetcalares y sus transportadores se encuentran en diferentes caras de esta célula epitelial. Durante los pe..ríodos de acidosis, las células intercalares tipo Asecretan H+ y reabsorben bicarbonato. Durante los periodos de alcalosis, las células intercalares tipo Bsecretan HC03~ y reabsorben H+. La figura 20-23a mmuestra el modo en que las células interca•. lares tipo Afuncionan durante la acidosis, secretando H+ y ieatr. sorbiendo HC03-. El proceso es similár a la secreción de H+ el túbulo proximal excepto para-los transportadores de H+ específi· cos. La nefrona distal-utiliza H+~ATPasa y H+-K+·ATPasa más que la proteína cotransportadora bidimensional Na+.H+ hallada en el túbulo proximal. Durante la alcalosiS, cuando la concentradón de H+ del cuerpo.es demasiado baja, se reabsorbe H+ y se excreta el amortiguador HC03- en la orina {Fig. 20-23b). Nuevamente, los iones son produddos por la disociación de HzC03 formado a partir de Hzü y COz. Los hidrogenion~ son reabsorbidos hada el líquido extracelular, sobre la cara basolateral de la célula de la nefrona, mientras se secreta HC03- eil la luz. Se revierte la polaridad de los dos tipos de células 1, y las prot~ de transporte se hallan sobre las caras opuestas de la célula. La H+~K+~ATPasa de la nefrona distal ayuda a crear trastornos paralelos del equilibrio ácido-base y el balance de K+. En la-acidosis, ~do la concentración plasmática de H+ es alta, el riñón se-

en

t;r.;;;x;-;,<;;.,~--o"';;.;=;¡."-'-l.'-"'"'t:"'-~'.O:

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~abso. K~.

creta H+ m. e Por lo tanto, la addosis a menudo se acompaña por hiperpotasemia. {Ciertos eventos no renales también contribuyen a establecer concentraciones elevadas en el líquido extracelular de K+ en la acidosis.) Lo inverso es cierto para la alcalosis, cuando las concentraciones sanguíneas de K+ son bajas. El mecanismo que permite a la nefrona distal reabsorber H+ a la vez hace que se secrete K+, y así la alcálosis va de la mano de la hipopotasemia. y.

ISIÓN ·s. ¿Por qué el transportador K+-w en la nefrona dista! requiere ATP para secretar H+ pero el intercambiador Na+-W en el túbulo proximal no Jo requiere?

16. En la hipopotasemia, las células intercalares de la nefrona distal reabsorben K+ desde la luz tubular. ¿Qué sucede en consecuencia con el pH sangufneo? Respuestas en la p. 675

Los trastornos del equilibrio áddo-base pueden ser

de origen respiratorio o metabólico Los tres mecanísmos compensatorios (amortiguadoresde pH, ventilación y excreción renal) son responsables de la mayoría de las variaciones del pH plasmático. Pero en ciertas circunstandas, la producción o la pérdida de H+ o HC03-es-tan grande que los mecanismos compensatorios no puede mantener la homeostasis del pH. En estos estados, el pH de la sangre muestra valores fuera

1 6

--,r 670

Capítulo 20 Fisiología integrada 11: equilibrio hidroelectrolítico

Cualquier• se• ¡, cau" de¡, •ddoos <espimtori•, las cuneentradones plasmáticas de COz aumentan, Jo que conduce a niveles de W y HC03- elevados: TRASTORNO

P«>,

H'

pH

HCOi

Addosis

¡

Respiratoria Metabólica

l

No~al*o{.

Alcalosis

l

Respiratoria Metab6!ka

Norma!* ot

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•Estosva!Qres 1011 áiferl!ni1:!S de lo que usted esperorla a p.~nlr ~la ~de a«ión de i'r.a>~Ss

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del rango normal de 7,38-7,42. Si el cuerpo no puede mantener~ pH entre 7,00 y 7,70, la acidosis o la alcalosis pueden ser fatales. Los problemas del equiJi9rio áddo.base se clasifican tanto-por la dirección del cambio de pH (acidosis·o- alcalosis) como pór la causa subyacent~ (metabólica o respiratoria). Como vimos antes, los cambios en la Pcoz resultantes de la hiperventilación o la hipoventilación próducen desplazamientos del pH. Se dice que estos trastornos son de origen respiratorio. Si el problema del pH surge de ácidos o bases que no tienen origen en el COv se dice que el problema es metabólico. Obsérvese que un trastorno del equilibrio áddo-base se mani· fiesta en un cambio del pH plasmático cuando los amortiguadores de pH d~ cuerpo no son eficaces. La pérdida de la capaddad amortiguadora del pH deja al cuerpo sólo con dos opcion~ compensa· dón respiratoria o compensación ienal. Ysí el problema es de origen respiratOrio, sólo se puede realizar una compensación homeostática mediante los riñones. Si el problema es de ortgep. metabólico, los mecanismos respiratorios y renales pueden compensar. La combinación de un trastorno inidal del pH y los cambios compensatÚii.os_resUltantes es el fa~r que hace tan difícil el aná· lisis de los trastornos del equilibrio ácido-base en el cuadro díni· co. En este libro nos concentraremos en escenarios simples con una única causa subyacente. Los cambios que ocurren en los cuatro trastornos simples del eqUilibrio ácido-base se enumeran en el cuadro 20-21!ll. Acidosis respiratoria El estado de acidosis respiratoria se presenta cuando la hipoventilación alveolar conduce a retención de

COz y Pco plasmática elevada. Algunas situaciones en las cuales 2 esto ocurre son la depresión respiratoria debida a fármacos (in· cluldo el alcohol), el aumento_ de la resistenda de las vías áreas en el asma, el deterioro del intercambio de gases en la fibrosis pulmonar o la neumonía grave y debilidad muscular en la distrofia y otras._enfermedades musculares. La causa más frecuente de ad· dosis respUatoria es la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), como el enfisema, en la cual ~l intercambio irÍsuficiente de gases se hace más complejo por la pérdida de área de intercainbio alveolar.

¡COz + H20 ~ HzC0 3 ~ ¡H+ + ¡HCO; El sello de la acidosiS respiratoria es la disminución del pH y las concentraciones elevadas de bicarbonato (cuadro 20-2). Como el problema es de origen respiratorio, el cuerpo no puede efectuar una compensadón respiratoria. (Sin embargo, dependiendo del problerna,·se puede utilizar la ventilación mecánica para ayudar a respirar.) Cualquier compensación de la acidosis respiratoria debe reali· zarse a través de mecanismos renales que excreten H+ y reabsorban HC0 -. La excreción de H+ eleva el pH plasmático. La reab· 3 sordón de HC0 3- proporciona un amortiguador de pH adidonal que se combina con H+, lo que desdende la concentración de H+ y, por lo tanto, eleva el pH. En la enfermedad pulmonar obstructiva.crónica, los mecanismos de tompensadón renal para la acidosis pueden moderar el cambio de pH, pero es posible que no puedan retomar el pH a su rango nonnal. Si usted observa el pH y las concentraciones de -HC0 - en Jos pacientes con acidosis respiratoria compensada, ve3 rá que ambos valores son más altos de lo que eran cuando la acidosis estaba en su peor condición.

Acidosis metabólica La acidosis metabólica es un trastorno del equi· "librio de masas que ocurre cuando el aporte de la dieta y metabóli· co de W excede la excreción de H+. Las causas metabólicas de la acidosis incluyen acidosis táctica, que es el resultado del metabolismo anaerobio, y cetoaddosis, que es el resultado de la degradación excesiva de grasas o ciertos aminoácidos. La vía metabólica que produce cetoáddos en la diabetes mellitus se describe en el capítulo 21. Las sustancias ingeridas que producen acidosis metabólica incluyen metanol, aspirina y e~englicol (anticongelante)~ La acidosis metabólica se expresa mediante la ecuación

rco2 + Hp ~ HzCO, ~ ¡w + tHC:o3-

(8)

La concentradón de hidrogeniones aumenta debido a los H+

que aportan los ácidos metabólicos. Este aumento desplaza el equilibrio representado en la ea.tadón hada la izquierda, lo que aumenta las concentraciones de C02 y consume el amortiguador HC03-. La acidosis metabólica también puede ocurrir sí el cuerpo pierde HC0 -. La causa más frecuente de la pérdida de bicarbonato es 3 la diarrea, durante la cual se pierde H.C03- desde los ip.testinos. El páncreas produce HC03- a partir de C02 y H20 por un mecanismo similar al renal, ilustrado en la figura 20-21. El H+ formado al mismo tiempo es h'berado en la sangre. Noimalmente, el HC03es liberado en el intestino delgado, luego reabsorbido en la sangre, lo que reduce los H+. Sin embargo, si el HCQ3- no es reabsorbido porque el individuo tiene diarrea, sobreviene un estado de acidosis. Un criterio importante para distinguir la acidosis metabólica de la respiratoria (cuadro 20-2) es si la concentración de HC0 3está elevada o reducida. Usted pensaría al ver la ecuación 8 que la acidosis metabólica estaría acompaftada por una Pco2 elevada. Sin embar_go, a menos

t

Equilibrio ácido-base que el individuo tenga una enfennedad p~onar, la coropensadón respiratoria tiene Jugar casi de forma instantánea. Tanto el C02 elevado como los H+ elevados estimulan la ventilación a través de las vías descritas antes. En consecuencia, la Pco2 disminuye hasta la normalidad o incluso hasta niveles por debajo de los normales a través de la hiperventiladón~ En raras oportunidades se observa clínicamente una acidosis metabólica descompensada. En efecto, un signo frecuente de la acidosis metabólica es la hiperventilación, evidenqa de que selleva a cabo la compensadón respiratoria en respuesta a la acidosis. La compensación renal explicada para la acidosis respiratoria también tiene lugar en la acidosiS metabólica: secreción de H+ y reabsorción de HC0 3-. Las compensaciones renales tardan varios días en alcanzar eficacia plena y por lo tanto no suelen observar· se en los trastornos agudos. Alcalosis respiratoria Los estados de alcalosis son mucho menos fre.. cuentes que los trastornos addóticos. La alcalosis respiratoria ocune como resultado de hiperventiladón, cuando la ventilación alveolar aumenta sin una elevación comparable en la producción metabólica de C02• En conseruenda, la Pco2 plasmática cae y se produce una alcalosis cuando la ecuación se desplaza hada la izquierda: ..t.COz +HzO ~HzC03 ~ J.H+ + l.HC03La disminución en el COz desplaza el equilibrio hacia la iz. quierda y, en consecuencia, disminuye tanto el W en el plasma como el HC03- en el plasma. Las bajas concentraciones plasmáticas de HCO; en la alcalosis indican un trastorno respiratorio. La causa clínica primaria de la alcalosis respiratoria es una -ventilación artificial excesiva. Por fortuna, este traStorno se corrige fácilmente ajustando el respirador. La causa fisiológica más frecuente de alcalosis respiratoria es la hiperventiladón histérica causada por ansiedad. Cuando ésta es la causa, los sfutomas neu. rológicos causados por la alcalosis pueden ser revertidos pardalmente haden do que el paciente respire en una bolsa de papel. Al hacerlo, el paciente vuelve a respirar el COz exhalaGo, proceso que eleva la Pco2 arterial y' Corrige el problema. Como la alcalosis tiene una causa respiratoria, la única ~om· ·

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pensadón disponible para el cuerpo es la renal. El bicarbonato fil. trado, el cual si fuera reabsorbido podría actuar como amortiguador y aumentar el pH aun más, no es reabsorbido en el túbulo proximal sino secretado en la nefrona distal. La combinación. de excreción de HCO; y reabsorción de H+, en la nefrona distal disminuye el HC03• del cuerpo y aumenta su H+, y ambos ayudan a corregir la alcalosis. Alcalosis metabólica La alcalosis metabólica tiene dos causas frecuentes: los vómitos excesivos del contenido gástrico ácido y la in· gestión excesiva de antiácidos que contienen bicarbonato. En.ambos casos, la alcalosis resultante reduce la concentración de H+: l.COz +~0-+ ~C03 -+ J.H++jHC03•

La disminución de H+ desplaza el equilibrio hada la derecha, lo que significa que el dióxido de carbono (Pco:J disminuye y el HC03- aumenta. Al igual que en la acidosis metabólica, la compensación respiratoria para la alcalosis metabólica es rápida. El aumento del pH y la caída de la Pcoz deprimen la ventiladón. Se exhala menos COv lo que eleva la PCOzY crea más W y HC03-. Esta compensación respi· ratoria ayuda a corregir el problema de pH pero eleva las concentradones de HC03- aun más. Sin embargo, la compensación es limita· da porque la hipoventiladón produce hipoxia. Una vez que la Po2 arterial cae por debajo de 60 mm Hg, cesa la lúpoventiladón. La respuesta renal a la alcalosis metabólica es la misma que a la alcalosis respiratoria: el HC03- es excretado y el H+ es reabsorbido. Este capítulo ha utilizado el balance de líquidos y el equilibrio áddo-base para mostrat la integración fundo na! en los aparatos cardiovascular, respiratorio y renal. Los cambios en el volumen de liquido corporal, que se reflejan en los cambios en la presión arterial, desencadenan respuestas homeostáticas tanto ~ovasculares co. mo renales. Los trastornos del equilibrio ácido-base se encuentran con respuestas compensatorias tanto del aparato respiratorio como renal. Debido a la gran interconexión existente entre estos tres aparatos, es probable que una alteración en uno produzca alteraciones en los otros dos. El reconocimiento de este hecho es un aspecto im· portante del tratamiento de muchos trastoi:nos clínicos.

1 .

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Capítulo 20 Fisiología integrada U: equilibrio hidroelectro!ítico

Resumen de! capítulo •.,.=~='===..,-_, ----

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RESUMEN DEL CAPITULO. ¿Cuáles son los nombres de los liquidas que se encuentran en los dos compartimentos corporales prindp;a.: les y los -principales iones en eada líquido?

2.

De acui:nfo con los lauren, brinde una razón para su aumento de peso durante la carrera.

3. ¿Qué lfquido-extracelular o intracelular- se está diluyendo en la hiponatremia dilucional?

La homeostasis del volumen de liquido corporal, Jos electrolitos y en el pH sigue el principio del equilibrio de masas: cualquier cosa que entra en el werpo debe ser excretada. Los sistemas de control que regulan estos pará-

metros se encuentran entre los reflejos más c-omplicados del cuerpo debido a la superposición de fundof!es de los riñoÍles, los pulmones y el ~pa­ rata cardiovascu!ar. Sin embargo, a nivel celular el movimiento de moléculas a través de las membranas sigue patrones conoddos, ya que la transferencia de agua y solutos desde un compartimento a otro depende de ósmoSiS, difusión y transporte mediado por proteínas.

Homeostasis hidroelectro/it/ca l. Los aparatos renal, respiratorio y cardiovascular controlan el equilibrio hldtoelectrolitico, Las conducta como la Ingesta de líquidos tambi€n desempeñan un papel importante. (p. 642; Fig. 20-1) 2.

Las c-ompensaciones pulmonares y cardlovascuJares son más rápidas que la compensación renaL (p. 643)

Balance de agua 4.

Una forma de calcular la osmo!aridad es multiplicar por 2 la caneen; tradón plasmática de Na•_ Si la osmo!aridad corporal normal se de 280 mOsm, ¿qué efecto tendrá sobre sus células la hiponatremia diludonal de laureo?

5. ¿Porqué órgano o tejido está más preocupado el personal médico en la hlponatremia diludonal?

6.

7.

8.

Aceptando una tasa de sudoración de 1,0 llh y una concentración de Na+ en el sudor de 70 mEqll.. ¿wánto Na• perdió lauren durante la carrera de 16 horas? El agua corporal total para una mujer de 60 kg es de aproximadamente 30 l y el volufnen de su lfquido ex- . trace!ulare$ de 10 L:Sobre.l
Procesamiento temprano del filtrado 3. La mayor parte del ingreso de agua viene del alimento y !a bclllcla. La p&dlda más grande de agua es de l,Slitros/día en la orina. Se pierden cantidades menores en here;, por evaporación desde la piel y en el alre húmedo exhalado. (p. 644; Flg. 20-Z) 4. La reabsorctón renal de agua conserva agua pero no puede restablecer el agua perdida por el cuerpo. (p. 644; Fig. 20-3) S. Para producir orina diluida, la nefrona debe reabsorber soluto Sin reabsorber agua. Para concentrar orina, !a neurona debe reabsorber agua sin reabsorber soluto. {p. 645) 6. El filtrado que abandona la rama ascendente del asa de Henle está diluido. La concentración final de orina depende de la permeabilidad al agua del túbulo colector. (p. 645; Flg. 20-4} 7. La hormona hipotalámtca vasopresina controla la permeabilidad del túbu!o colector al agua en forma graduada. CU-ando la vasopresina está ausente, !a permeabilidad al agua es casi ooo. (p. 646¡ Fig. 20-5) 8. La vasopresina hace que las células de la nefrona distal inserten poros de agua acuaporlnas en su membrana aplcal. (p. 647; Fig. 20-6) · 9, Un aumento de la osmolatidad del liquido extracelu1ar o una disminución de la presión arterial estimula la liberación de vasopreslna en la hipófisis posterior. La osmolatidad está controlada por los ~o­ rreceptores hlpotalárnicos. La presión arterlal y el volumen sanguíneo son sensados por receptores en los cuerpos carotfdeos y aórticos, y en las aurículas, respectlva¡:nente. (p. 648; Flgs. W-7, ZO.S) 10. El asa de Henle es un multiplicador por contracorriente que crea una alta osmolatidad en el liquido intersticial al tiansportar activamente Na•, Cl-y K• fuera de la nefrona. Esta elevada osmolartdad me,. dular es necesaria para la formación de una orina concentrada a medida que el filtrado atraViesa el túbulo colector. {pp. 650--651; Flgs. W-

9, W-10) ll. Los capilares de los vasos rectos alejan el agua que abandona tos túbulos de !a nefrona de modo que el agua no diluye el intersticio medular. {p. 651; F!g, 20-10) 12, la urea contribuye a la alta osmola:rlclad en !a médula renal. (p. 652)

15. La aldosterona actúa sobre las células principales (células P) de la :q_efrona distal. Esta hormona aumenta la aCtividad de la Na•.K•-ATPasa y aumenta el tiempo de apertura de los canales de pérdida de Na• y K•. También estimula la sin tesis de nuevas bombas y canales. (p. 652; Fig. 20-13) 16. La secredón de aldosterona puede estar controlada directamente en la corteza suprarrenal. El aumento de K~ en el liquido extracelular estimula la secreción de aldosterona, pero el aumento de la osmolaridad del liquido extraceluiar la inhibe. (p. 652; cuadro 20-I) 17. I.asecrectón de aldosterona tamb!€n es estimulada por la angiotenslna D. Las céluias granulares del rlnón secretan tenina, la cual ron· Vierte e! angiotenslnógeno de la sangre en angiotensina L La enzima convertidora de angiotensina (ECA) conVierte la anglotenslna I en angiotenshla n. {pp. 653-654¡ Flg. 20-14) 18. Los estímuios para la hbetación de renina están relacionados directa o indirectamente con la hipotensión. {p. 654; Fig. 20-15) 19. La angiotensina 11 tiene efectos adicionales que elevan !a presión arterial, que incluyen aumento de la secreción de vasopres!na, estimu!actón de la sed, vasoconstrtcción y actiVación del centro de control cardiovascular. {pp. 654-655; Flg. 20·14) 20. El péptido natriurétlco atrlal (ANP) y el péptldo natriurético cere-brnl aumentan !a excrectón de Na~ y la p&dida urinaria de agua al aumentar la tasa de filtración glomerular, inhibir la reabsorción tubular de NaCI e inhibir la liberación de renina, aldosterona y vasopresina. (p. 656; F¡g. 20-16)

Balance de potas/o 21. La homeostasls de potasio mantiene las concentraciones plasmáticas de K• en un rango estrecho. La hiperpotasemla y la hipopotasemia causan problemas con los tejidos excitables, principalmente el corazón. {p. 656)

Mecanismos conduetuales en el balance de sal y agua 22.1a sed es disparada por osmorreceptores hlpotalámicos y allviada por la ingestión de liquidas, {p. 658) 23. El apetitó de sal es desencadenado por la aldosterona y la angiotensina. (p. 658)

Contra/Integrado del volumen y la osmolaridad Homeostasis del agua 24. Las compensaciones homeostáticas para los cambios en el balance de

sales y agua siguen la ley del equilibrio de masas. Los líquidos y los salutes agregados al cuerpo deben ser eliminados y los líqUidos y Jos solutos que el cuerpo ha perdido deben ser reemplazados. Sin embargo, no siempre es po.;lble una compensación perfecta. {pp. 659-661¡ fig. 20-18; cuadro 20-2)

EquiUbrio ácido-base Homeostasis áddotbase

Balance de sodio volumen de/liquido extracelular ,.NO aplica~!e

Procesamiento tardfo del filtrado 13. La cantidad total de Na~ en el cuerpo es un determinante pr!mario del volumen de líquido extracelular. (p. 652; Fig. 20-12) 14. La hormona esteroidea aldosterona aumenta la reabsordón de Na• y la secreción de K•. (p. 652; Hg. 20-13)

25. El pH del cuerpo está estrechamente regulado porque el pH afecta las proteínas intracelulares, como enzimas y canales de membrana. {p. 663) 26. La ingestión de ácidos de los alimentos y la producdón de áctdos por los procesos metabólicos del cuerpo constituyen el desafio más gran· de para el pH del cuerpo. La fuente más importante de áddo es el COz de la respiradón, que se combina con agua formando ácido carbónico ~co~. (p. 664; Hg. W-19) 27. El cuerpo maneja los cambios en el pH utilizando amortiguadores de

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Capitulo 20 Fisiología integrada 11: equilibrio hidroelectrolítico

pH, ventilaCión y secreCión o reabsorción renales de H+ y HC03-. {p. 664; Fig. 20-19) 28. El bicarbonato producido a partir de COz es el amortiguador de pH extracelular más Importante del cuerpo. El bicarbOOato amortigua los ácidos orgánicos producidos por el metabolismo. (p. 66S) 29. La ventilación puede corregir las alteraciones del equilibrio ácido-base porque los cambios en la Pco2 plasmática afectan tanto el contenido de H> como el contenido de HC03·de la sangre. Un aumento de la Pco estimula los qUimiorreceptores centrales. Un aumento en W 1

Respuestas plasmático estimula a los quinliorreceptores carotídeos y aórticos. El aumento de la ventilación excreta COz y disminuye Jos W plasmáticos. {p. 666; Flg. 20-20) 30. En la acidosis, los riñones secretan H• y reabsorben HCO;. {p. 669; F¡gs. 20·21, 20-22, 20-23a) 31. En la alcalosis, los riñones secretan HC03·y reabsorben W. (p. 669; Fig. 20-23b) 32. Las células inten:alares en el t6bulo colector son responsables de la regulación fina del equillbrto ácido-base. (p. 668; Fig. 20·23) . ,....,=·

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PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. ¿Qué es un electrolito? Mencione cinco electrolitos cuyas concentradones deban ser reguladas por el cuerpo.

2. Mencione cinco órganos y cuatro hormonas importantes para mantener el equilibrio hidroelectrolítico. 3. Compare las vías por medio de las ewi!.es el agua entra en· el cuerpo con las vías por medio de las cuale el cuerpo pierde agua. 4. Mencione los receptores que regulan osmolaridad, volumen sanguíneo, presión arterial, venti.ládón y pH. ¿Dónde. se localizan, qué los estimula y qué m«anism.os compensatorios son desencadenados. por ellos? S. ¿De qué modo las dos ramas del asa de Hi!!ile difieren en su permea· billdad al agua? ¿Qué hace posible esta diferencia en la permeabili· dad? 6. ¿Qué Ión es un determinante primario del volumen del liquido extracelular? ¿Qué i6n es el determinante del pH extracelular? 7. ¿Qué sucéde con el potmcial de memlxana de reposo de las células exdtab!es cuando las concentraciones plasm.áticas de K~ disminuyen? ¿Qué órgano tiene mayor probabilidad de ser afectado por los cam· bias en la concentración de K+? 8. ¿El apetito por cuáles dos sustancias es importante para regular el volumen de liquido y la osmolaridad? 9. Explicite las siguientes abreviaturas: ADH, A..'-w, ECA,. ANG ll, aparato YG; célula P, célula J. 10. Realice una lista de todos los transportadores de membrana diferentes en el rtií6n. Para cada transportador diga a) qué sección o secciones de !a nefrona contiene/o al transportador; b) si el transportador está sobre la membrana apical solamente, sobre la membrana basola· teta! solamente o sobre ambas; e) si participa en la reabsorción solamente, en la secreción solamente o en ambos procesos. 11. Mencione·y. explique brevemente tres razones de por qué el control y la regulación del pH del liquido extracelular son importantes. ¿Qué tres mecanismos utiliza el cuerPo para inanejar los cambios de pH? 12. ¿Qué es más probable que se acumule en el.cuerpo, ácidos o bases? Mencione algunas fuentes de cada uno de ellos. 13. ¿Qué es un amortiguador de·pm Mencione tres amortiguadores de pH intracelulari:>s. Nombre al amortiguador de pH extracelular primario. 14. Mendones dos formas mediante las cuales los riil.ones alteran el pH del plasma. ¿Qué compuestos sirven corno amortiguadores de pH url· narios? lS. Escriba. la ecuación que muestra cómo el C02 se relaciona con el pH. ¿Qué enzima aumenta la velocidad de esta reacción? Mencione dos tipos celulares que tengan altas concentraciones de esta eru:ima. 16. Cuándo la ventilación aumenta, ¿qué sucede con Ia Pco2arterial? ¿Con el pH plasmático? ¿Con la concentración plasmática de H+?

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NIVEL 2:REVISIÓN DE CONCEPTOS 17. Mapa conceptual: Realice un mapa de Jos reflejos homeostáticos que ocunen en respuesta a una de las siguientes situaciones: ·

a) disminución del volumen sanguíneo, osmolaridad sanguínea normaL • b) aumento del volumen sanguíneo, aumento de la osrnolaridad sanguínea. e) volumen sanguíneo normal, aumento de la osmolaridad sanguí-

n".

18. Las figuras 20-20 y 20-21 muestran las compensaciones respiratoria y renal para la acidosiS. Dibuje mapas similares para la alcalosiS. 19. Explique cómo el asa 'de Henie y los vasos rectOs funcionan juntos para creár un filtrado renal diluido. 20. Realice un diagrama del mecaniSmo por el rualla vasopresina altera la composición de la orina .21. Realice un cuadro que especifique lo siguiente para cada sustancia menCionada: ¿hormona o enzima? ¿estetoide o péptldo? ¿produddo porqué célula o tejido? ¿célula o tejido diana? ¿qué respuesta tiene el sitio diana?

•lANP b) aldosterona e) renina

d) angiotensina II e) vasopreslna f) enzima convertidora de la angiotensina 22. Mencione los cuatro mecaniSmos compensaliores principales para restablecer una presión arterial baja a la normalidad.¿Por qué piensa usted que existen tantas vías homeostíticas para elevar Ia presión arterial baja? ~· Compare y contraste los términos en cada grupo: a)" células principales y células Intercalares b) renina, angiotensina ll, aldosterona, ECA. e) acidosiS respiratoria y alcalosiS metabólica, incluyendo las causas y las compensaciones d) la reabsorción de agua en el túbulo prindpal, túbulo distal y ra· ma ascendente del asa de Henle e) alcalosis respiratoria y alcalosiS metabólica, incluyendo las causas y las compensaciones

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 24. a} Un hombre de 4S aftas de otra. ciudad llega a Ia sala de emergencias con un ataque de asma producido por el polen. I.a sangre extraída antes del tratamiento mostró lo siguiente: HCO; =30 mEq/L (normal: 24), Pco2=70 mm Hg. pH =7,24. ¿Cuáles su estado ácido-base? ¿Es una si.tuación aguda o crónica? b) El hombre fue tratado y tuvo una recuperación completa. En los diez aftas siguientes siguió fumando un paquete de dgarrillos por dia y un año atrás su médico de familia le diagnosticó una enfermedad pulmonar obsttuctiva crónica (enfisema). El examen san· guíneo más reciente del hombre mostró lo siguiente: HCO; =4S mEq/L, Pco2 =85 mm Hg, pH "' 7,34. ¿Cuál es su estado ácido-base actual? ¿Se trata de. una situación aguda o crónica? e) Explique por qué en la segunda enfermedad su concentración plasmática de bicarbonato y la P~ eran más altas que en la primera pero su pH estaba más cerra de la normalidad. 25. Karen tiene bulimia, ella se induce el vómito para evitar el aumento

de peso. Cuando el médico la ve, su peso ~ de 40 kg y su frecuencia respiratoria es de 6 respiraciones/mio (normal12). S~ HC03·sanguíneo es de 62 rnEq/L (normal24-29), el pH en la sangre arterial es de 7,61, y Pco2 es 61 mm Hg. a) ¿Cómo se llama su estado ácido-base? b) Explique por qué la concentración plasmática de blcargonato es tan alta. e) ¿Por qué está hlpoventilando? ¿Qué·efectó tendrá sobre el pH y sobre el contenido total de OXÍgeno de su sangre? Explique sus respuestas. 26. Ana, una mU¡er de 31 años, decidió hacerse un enema, un procedimiento durante el cual se infunden grandes volúmenes
NIVEL 4: PROBLEMAS ANALIT/COS 27. La ecuación de Henderson-Hasselbach es una expresión matemática de la relación entre pH, concentración de HC03• y concentración de C02disuelto. Una variante de la ecuación utiliza P~ en lugar de la concentración de C02 disuelto:

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~'·_.,¡+c;;l;cog'-:[HC:Cc-0-"il pH=0,03 xPco~ a) Si la sangre arterial tiene una Pcoade 40 mm Hgy su concentración de HC03·es de 24 mM, ¿cuál es su pH? (Usted necesitará una tabla de logaritmos o una ca!cu\adora con capacidad de función logarítmica.) b) ¿Cuál es el pH de la sangre venosa con la misma concentración de HCO; para una Peca de 46 mm Hg? 28. En la tkshldtatadón extrema, la orina puede alcanzar una concentración de 1 400 mOsrn. Si la cantidad mínima de solutos de desecho que una persona dem excretar diariamente es de alrededor de 600 miliosmoles, ¿cuál es el volumen urinario mínimo que se excretará en un día? 29. La hiperglucemia de -un paciente diabético produce diuresiS osmótica y deshidratación. Dada la siguiente infonnadón, responda las pre-

'"'"''·

Glucosa plasmática= 400 rngtdL Flujo urinario normal =1 L por día TFG=I30mi.Jmin Osmolaridad urinaria nonnal =300 mOsm T., de glucosa= 400 mglrnin Masa molecular de glucosa= 180 daltons Flujo plasmático renal =SOO mL/min a) ¿Cuánta glucosa ffitra en la nefrona cada minuto? b) ¿Cuánta glucosa es reabsorbida cada minuto? e) ¿Cuánta glucosa es excretada en la orina cada día? d) Aceptando que la deshidratación produce una seaedónmáxima de ADH y pennite que la orina se concentre hasta 1 200 mOsm, ¿ruánti! orina adicional excretará este padente diabético en un día?

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IIESI'UIESTAS

fl' Respuestas a las preguntas de revisión .Página647 l. Las membranas apicales tienen más poros de agua cuando hay vasopresina. 2. Las células del túbulo colector concentran solutos orgánicos que contrarrestan el efecto hipertónico del medio de las células. Página649 3. El NaCl hiperosmótico es hipertónico y hace que los oslnorreceptores se encojan, p;tto la urea hiperosmótica es hipotónica y hace que se hinchen. Como sólo el encogimiento celular produce la descarga, los osmorreceptores expuestos a la urea no disparuán. 4. Como la vasopresina aumenta la reabsorción de agua, las concentradones de vasoprestna aumentarán con la deshidratación. S. S! la secredón de vasopreslna es suprimida, la orina estará diluida. Página 651 6. Los solutos que se mantienen en la luz cuando el cotransportador simportador NKCC está Inhibido fuerzan al agua a mantenerse en la luz con ellos porque la orina puede ser concentrada sólo hasta 1200 mOsm. Por lo tanto, cada 12 miliasmoles de soluto no reabsorbido se Hmantendránn otros 10 mL adicionales de agua en la orina. 7. Los diuréticos que inhiben el cottansportador sirnportador NKCC dejan K• en la luz del túbulo, donde es probable que sea excretado, aumentando asf la pérdida urinaria de K+. Página 654 8. Na•y K+ están moviéndose a favor de.sus gradientes electroquímicos. Página656 9. En la hiperpotasemia, el potencial de membrana en reposo se despolariZa. Los tejidos exdtables disparan un potencial de acción pero no pueden repolarizarse para realizar un segundo disparo. 10. Las placas ateroscleróticas bloquean el flujo sanguíneo, lo que disminuye la TFG y reduce la presión en la arteriola aferente. Ambos acontecimientos son estímulos para la liberación de renina. 11. I.a secreción de renina comienza una cascada que produce angioten-

sina II. Esta poderosa hormona produce luego vasoconstricción, actúa sobre el centro de control catdiovascular bulbar para aumentaJ: la presión arterial, aumenta la producción de vasopresina y aldosterona y aumenta la sed, lo que conduce a la Ingestión de líquidos y a un aumento del volumen de líquido. Todas estas respuestas pueden contribuit al aumento de la presión arterial. Página 658 12. Del lado iZquierdo de la figura 20-7, las intemeuronas también conducen desde los osmorreceptores hipotalámicos hasta los centros de la sed hipotalámlcos. Página 667 13. Los músculos de ventilación involucrados son el diafragma, los intercostales externos y los escalenos, 14. El nivel de bicarbonato aumenta a medida que la reacción se desplaza hacia la derecha como resultado del C02agregado. Una vez que se logra un nuevo estado de equilibrio, el bicarbonato ya nO puede actuar como amortiguador de pH porque el sistema está equilibrado. Página669 IS. En la nefrona distal, se están mOViendo tanto K• corno H• en contra de su gradiente de concentración, lo que requiere ATP. En el túbu!o proXimal, el Na• se está moviendo a favor de su gradiente de concentración, lo que propordona la energia para empujar el H• en contra de su gradiente. 16. Cuando las células intercalares reabsorben K+, secretan H• y por lo tanto el pH sanguíneo aumenta.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página653 Figura 20-12: véase Fig. 1S·22. Página655 Ftgura 20-14: véase Flg. 15-2.1, para la vía cardiovascular, Fig. 20-13 para la célula efectora involucrada en la acción de la aldosterona y Flg. 20-6 para la célula efectora Involucrada en la acción de la vasopresina.

1

Función y procesos del aparato digestivo

El aparato digestivo Funüón y p-¡·ccesos de\ ,=>_par¿i'¿D tEr:;;es'civo

Jl.ncttntní::i dei t:::.parato (ÜgestJvc 678 El aparato digestivo está compuesto por la cavidad oral, el tubo digestivo y los órganos de las glándulas accesórias 679 La pared del tubo digestivo tiene cuatro capas Mot¡i~daú

682 El músculo liso gastrointestinal se contrae espontáneamente 683 El músculo liso gastrointestinal muestra diferentes patrones de contracción

Secn:?dón 685 El aparato digestivo secreta iones y agua

686 Las enzimas digestivas son secretadas en la boca, el estómago y el intestino 687

Las células especializadas secretan moco

687 La saliva es una secreción exocrina 689 El hígado secreta bilis

Regul;:.¡:dón de la función dé aparato

d1gestht;>. 690 El sistema nervioso entérico puede actuar de forma independiente de! SNC 691 los péptidos gastrointestinales incluyen hormonas, neuropéptidos y citocinas

Digestión y ahsordim 693 los hidratos de carbono son absorbidos como monosacáridos 694 las proteínas son digeridas en péptidos pequeños y aminoácidos

695 Algunos péptidos más grandes pueden ser absorbidos intactos 696 las sales biliares facilitan !a digestión de grasas 698 los ácidos nudeicos son digeridos en bases nitrogenadas y monosacáridos 698 El intestino absorbe vitaminas y minerales 699 los intestinos absorben iones y agua

La fase (&fálka 699 la digestión química y mecánica comienza en la boca 700 la deglución mueve e! alimento desde la boca hasta el estómago U:i fase

702 El estómago almacena alimentos 702 El estómago secreta ácido, enzimas y moléculas señal 703 El estómago equilibra digestión y protección

La fase intestinal 705 El bicarbonato en el intestino delgado neutraliza el ácido gástrico 706 la mayor parte del líquido es absorbida en el intestino delgado 706 la mayor parte de la digestión ocurre en el intestino delgado 707 El intestino grueso concentra los desechos para la excreción 709 la diarrea puede producir deshidratación

Funciones inmufíitarias del tubo digestivo 709 las células M controlan el contenido del intestino 710 los vómitos constituyen un reflejo protector

INFORMACIÓN BÁSICA Biomoléculas: 27; Micelios: SS; Músculo liso: 421; linfáticos: 519; Transporte activo secundario: 144; Uniones celulares: 69; Transporte renal de sodio:· 627; Retroalimentación positiva: 199; Microvellosidades: 73; Glándulas endocrinas y exocrinas: 75; Transporte y éplte!ios secretorios: 73; Superficies apica! y basO!atera!: 73; Enzimas: 96; S!ntesis y almacenamiento de proteínas: 120; Acidificación de orina: 667; Exocitosis y transdtosis: 150; Sistemas porta: 229, 460

Su estómago es uno de tos medioambientes más hostiles en !a tierra. Bañado por un ácido lo suficientemente fuerte como para digerir clavos de hierro, sus paredes protegidas por un moco espeso, y batiendo oonstantemente, alguna vez se creyó que el estómago era inhabitable para cualquier forma de vida. Sin embargo, los cientfficos han descubierto un microorganismo notable que de hecho crece en el medio formidable del estómago. Esta bacteria resistente, llélmada Helicabacter py/ori, ha·oesarro!!ado un conjunto :de defensas que le permitieron escapar a la detección hasta 1982. Pero H. pylori_ nó- és simplemente un pasajero silencioso del estómago: se asocia ~n muchos casos de úlcera péptica en todo el mundo. El tratamiento farmacológico correcto mata a H, pylori y permite que las úkeras del estómago y el duodeno dcatricen, ésas son bUenas noticias·Pa'l-a Tonya Berry; cuyo médko acaba de informarle que tiene una úloira péptica. "Pensé que era el estrés", dijqJqnya.

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Una herida de anna de fuego en el estómago parece un comienzo improbable para el estudio dentífico de los procesos digestivos. Pero en 1822, en Fort Mackinac, un cazador canadiense joven llamado Alexis St. Martin escapó por poco de la muerte cuando un arma se disparó a un metro de él, abriendo su tórax y su abdomen y dejando un agujero en la pared de su estómago. El cirujano del ejérdto de los Estados Unidos Wrlliam Beaumont asistió a St. Martin y lo cuidó hasta que se repuso durante los siguientes dos años. La herida abierta en el estómago no Cicatrizó correctamente, dejando una fístula, (una abertura) que dejaba ver su luz. St. Martin no era capaz de cuidarse solo, de modo que Beaumont "mantuvo a St. Martin con su familia con el propósito espedal de realizar experimentos fisiológicos". En un documento legal, St. Martín incluso estuvo de acuerdo en "obedecer, padecer y cumplir todos !os experimentos razonables y correctos que el susodicho William [Beaumont] ordene relacionados con... la exhibiCión... del nombrado estómago y su potenCia y sus propiedades... y el estado de sus contenidos". Las observaCiones de Beaumont sobre la digestión y sobre el estado del estómago de St. Martin bajo distintas condiciones causaron sensaCión. En 1832, antes de que se publicaran las observaciones de Beaumont, la naturaleza del jugo gástrico (gaster, estómago) y la digestión en el estómago era tema de gran debate. Beaumont hizo de todo para resolver el misterio. Al igual que los médicos de la antigüedad que probaban la orina para diagnosticar, Beaumont probó el revestimiento mucoso del estómago y Jos jugos gástricos. Él los describió como "un poco salados", aunque el moco no era áddo y el líquido gástrico sí lo era y mucho. Beaumont recogió cantidades abundantes de jugo gástrico a través de la fístula y, en experimentos controlados, confinnó que el jugo

677

gástrico digería la carne, gracias a una combinación de ácido dorhídrico y otro factor activo ahora conocido como la enzima pepsina. Estas observaCiones y otras acerca de la motitidad y la digestión en el estómago se convirtieron en el fundamento de lo que sabemos sobre la fisiología digestiva. Aunque la investigadón actualmente se conduce más a nivel celular y molecular, los investigadores aún hoy confeccionan fistulas quirúrgicas en animales de experimentación para observar y tomar una muestra del contenido del aparato digestivo. ¿Por qué despierta tanto interés el aparato digestivo, también llamado aparato gastrointestinal (intestinus, interno)? La razón es que las enfennedades gastrointestinales en la actualidad representan casi ellO% del dinero gastado en asistencia sanitaria. Muchos de estos trastornos, como la pirosis, la indigestión, los gases y el estreñimiento, son molestos pero no riesgos importantes para la salud, aunque su importancia no debe subestimarse. Entre en cualquier fannada y observe la cantidad de medicaciones de venta libre para los trastornos digestivos y comprenderá el impacto que tienen las enfermedades digestivas en nuestra sociedad. En este capítulo examinaremos el aparato gastrointestinal y la fonna increíble en que transforma el alimento que comemos en los nutrientes que utilizará el cuerpo.

FUNCIÓN Y PROCESOS DEL APARATO DIGESTIVO El tubo digestivo es un tubo largo que atraviesa el cuerpo. El tubo tiene pru:edes musculares revestidas por epitelio y es bloqueado por un esfínter de músculo esquelético en cada extremo. Como el tubo digestivo se abre al mundo exterior, la luz y su contenido en realidad forman parte del medio ambiente externo ( ~ Fig. 1·2}. (Piense en el orificio que atraviesa el centro de una cuenta o abalorio.) La función primaria del aparato digestivo es mover nutrientes, agua y electrolitos desde el medioambiente extemo hada el medioambiente interno del cuerpo. El alimento que ingerimos se compone principalmente en la fonna de macromoléculas, como proteínas e hidratos de carbono complejos, de modo que nuestro aparato digestivo debe secretar enzimas potentes para digerir el alimento en moléculas que sean lo suficientemente pequeñas como para ser absorbidas en el cuerpo. Pero adeQiás estas enzimas no deben digerir las células del aparato digestivo propiamente dicho (autodigestión). Si fracasan los mecanismos protectores contra la autodigestión, aparecen zonas en "carne viva" conoddas como úlceras pépticas (peptos, dige· rido) sobre las pru:edes del aparato digestivo, Otro problema que enfrenta el aparato digestivo diariamente es el equilibrio de masas: balancear los ingresos y los egresos. Distintas glándulas exocrinas y células secretan unos 7 litros de líquido por día en la luz del tubo digestivo. f.
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Anatomía del aparato digestivo 673

679

Capítulo 21 El aparato digestivo

va y la secreción también participan en el control dei metabolismo, lo que proporciona un nexo integrador eJ?.tre los dos pasos. Aunque tendemos a pensar en el aparato digestivo fundamentalmente en términos de su función digestiva, el rechazo de invasores externos es otro problema que enfrenta. En efecto, el máximo contacto entre el medioambiente interno del cuerpo y' el mundo exterior se produce en el aparato digestivo, cuya superficie total estimada tiene las dimensiones de un campo de tenis. Así, el tubo digestivo enfrenta diariamente el doble reto de absorber agua y nutrientes y de evitar que bacterias,_ virus y otros patógenos entren en el cuerpo. Para este fin, el epitelio transportador del tubo digestivo es asistido por un conjunto de mecanismos de defensa fisiológicos, que incluyen el moco, las enzimas digestivas, el ácido y la acumulación más grande de tejido Iinfoide en e_l cuerpo, el tejido linfoideo intestinal (GALT, GUT-ASSOCIATED LYMPHOD TISSUE-). Para algunos autores el 80% de todos los linfocitos ( ~ p. 538) del cuerpo están en el·intestino delgado.

ANATOMÍA DEL APARATO J)IGESTIVO !lil FIGURA 21·1 Procesos básicos del aparato difiestivo

los cuatio procesos de! aparato digestivo son digestión del a!i~ mento en unidades más pequeñas; absotdón de sustancias desde !a luz en el líquido extracelular; motilidad, el movimiento de ma~ teriales a través del aparato digestivo y secreción de sustancias desde las células epiteliales en la luz o el líqUido extracelu!ar. toen que el aparato circulatorio es incapaz de mantener una pre~ sión arterial adeó.lada. El cuerpo enfrenta estos problemas fisiológicos coordinando cuatro procesos básicos del aparato digestivo: digestión, absorción, matilidad y secredón (Fl.g. 21-1 ml). Digestión es la degradación química y mec:ánica de los alimentos en unidades más pequeñas que pueden ser absorbidas por el epitelio intestinal. Absorción es la transferencia activa o pasiva de suStancias desde la luz del tubo digestivO hada· el líquido extracelular. Motilidad (mav_ere, mover+ tillis,·caracterlzado por) es el movimiento de sustandas por.~! tubo .digestivo como resultado de contracciones musculares. La secreción se refiere tanto a la transferencia de agua y iones desde el líquido eXtracelular hada la luz del tubo digestivo como a la liberadón·de sustancias sintetizadas por las células del epitelio gastrointestin_al. Para la mayoría de los nutrientes, la absorción no está regulada, de modo que "somos lo que comemos". Pero motilidad y secreción están reguládas continuamente para aumentar al máximo la disponibilidad de sústandas para absorber. La motilidad se regulaporque si el alimento se moviera muy rápido ~.traVés del aparato, no habría tiempo suficiente para que el contenido en la luz fuera digerido y absorbido. La secredón se regula por<J.ue si no se secretaran enzimas digestivas en cantidades suficientes, el alimento en el tubo digestivo nO podría degradarse para ser absorbido. Una -vez que los nutriéntes digeridos han sido absorbidos y han alcanzado las células del cuerpo, el metabolismo celular diri· ge su utilización o almacenamiento (véase capítulo 22). Algunas de las moléculas señal químicas que alt~an la motilidad digesti-

El aparato digestivo comienza con la cavidad oral (boca y farin. g.e), que sirve como receptáculo para los alimimtos (Fig, 21-2 ~.En la cavidad oral comienza la primera fase de la digestión con la masticación y con la secreción de saliva por tres pares de glándulas salivales: las glándulas sublinguales debajo de la lengua, las glándulas submaxilares debajo de la manchbula y las glándulas parótidas cerca ·de la articulación temporomandibular. Una vez deglutido, el alimento llega al tubo digestivo. Aintervalos, éste se encuentra dividido por anillos de múscülo liso (¡ue funcionan como esfínteres y separan segmentos del tubo con dis· tintas funciones. El alimento se mueve a través del tracto impul· sado por ondas de contracción muscular. En su trayecto, el epitelio, el hígado y el páncreas agregan secreciones al alimento, lo que-crea una mezcla siJ:Uilar a una sopa denominada quimo. La digestión tiene lugar fundamentalmente en la luz del tubo. Los productos de la digestión son absorbidos a través del epitelio y pasan al compartimento extracelular. Desde ahí, se mueven a la sangre o la linfa para su distribución en todo el cuerpo. Cualquier desecho que quede en la luz al final del tubo digestivo se elimina a través del orificio conocido como el ano. S IÓN

Defina digestión. 2. ¿Cuál es la diferencia entre digestión y metabolismo ( ¡¡¡¡ p. 101)? 3. ¿Cuál es la diferencia entre absorción y secreción? R~puestas en

!a p. 715

El aparato dígestivÓ está compueSto por la cavidad oral, el tubo digestivo y los órganos de las

glándulas accesorias Un trozo de alimento que entra en la boca y es deglutido pasa al esófago, un tubo estrecho que discuqe por el tórax hasta el abdomen (Fig. 21-2a). Las paredes del esófago son inicialmente de músculo esquelético pero sufren una transición a músculo liso aproxima~ente a los dos tercios de su longitud, hada abajo.

Inmediatamente por debajo del diafragma,. el esófago termina en ción del tubo digestivo a otra (Fig. 21-2c, d, e). La pared está forel estómago, un órgano similar a una bolsa que puede contener mada por cuatro capas: 1) una capa mucosa interna que enfrenta la luz, 2) una capa conocida como submucosa, 3) capas de múscu. hasta 2 litros de alimento y líquido cuando ~tá completamente lo liso conocidas en conjunto como musa1Iary 4) una cubierta de dilatado (aunque esto es bastante molesto). El estómago está divididO en tres secciones: el fondo gástri· tejido conectivo llamada serosa. co arriba, el cuerpo en el centro y el antro en el extremo distal La mucosa La mucosa, el revestimiento interno del tubo digesti~ (Fig. 21-2b). El estómago continúa la digestión, mezclando~~ alivo, está formada por 1) tina capa única de células epiteliales; 2) la mento con ácido y enzimas para crear el quimo. El orificio que comunica el estómago y el intestino delgado está controlado por lámina propia, el tejido conectivo subepitelíal que mantiene el la válvula pilórica o píloro. Esta banda engrosada de músculo liepitelio en el lugar y 3) la muscular de la mucosa, una capa.delgada de músculo liso. Varias modificaciones estructurales am· so se relaja para permitir el paso de pequeñas cantidades-de quimo en el intestino delgado. De esta forma,-el estómago actúa coplían la superficie mucosa para aumentar la absorción. En principio toda la mucosa está doblada sobre sí misma: son mo un intennediario entre el acto conductual de la ingestión de los pliegues del estómago (mgae) y los del intestino (plícae). La alimentos y los eventos fisiológicos de la digestión y la ~sordón mucosa intestinal también se proyecta en pequeñas extensiones en el intestino.las señales integradas y los bucles de retroalimendigitiformes conocidas como vellosidades (Fig. 21-Zd). EStas intación entre el intestino y el estómago regulan la velocidad con vaginaciones tubulares de la superficie que se extienden hada la cual el quimo entra en el duodeno, Jo que asegura que el intesabajo en el tejido conectivo de sostén proporcionan superficie tino no contenga nunca más de lo que puede digerir y ~bsorber. adicional. las invaginaciones se denominan glándulas gástricas La mayor parte de la digestión tiene lugar en el intestino delen el estómago y criptas intestinales en el intestino. Las más progado, que también está dividido en tres secciones: el duodeno fundas forman glándulas submucosas secretoras que desembo· (los primeros 25 an), el yeyuno y el ileon (los dos últimos en concan en la luz a través de conductos. junto tienen una longitud aproximada de 260 cm). ia digestión Las células epiteliales son la característica más variable del tues llevada a cabo por enzimas iní~tinales, ayudadas por las secrebo digestivo, y cambian de una sección a otra. Entre ellos están ciones exocrinas de dos glándulas accesorias: el páncreas y el hígalas células epiteliales de transporte, las células secretoras endocrido (Fig. 21-2a).las secreciones provenientes de estos dos órganos nas y exocrinas y las células troncales o células madre. Las células entran en la sección inicial del duodeno a través de conductos. epiteliales de transporte mueven iones y agua hada la luz, y abUn esfínter tónicamente contraído (el esfínter de Oddi) evita que sorben iones, agua y nutrientes hada el líquido extracelulat. En la el líquido pancreático y la bilis entren en el intestino delgado exsuperficie mucosa (apical) ( i! p. 73) las células secretoras liberan cepto durante una comida. enzimas, moco y moléculas paracrinas en la luz. En la superficie La digestión se completa esencialmente en el intestino delgaserosa (basolateral), las células secretan hormonas hada la sangre do y casi todos los nutrientes digeridos y los líquidos secretados o mensajeros paracrinos en el líquido intersticial, desde donde acson absorbidos allí, lo que deja aproximadamente 1,5 litros de túan sobre las células vecinas. quimo por día para pasar al intestino grueso (Fig. 21-2a). En el Las uniones intercelulares que mantienen juntas las células epicolon -la sección proximal del intestino grueso- el quimo acuotcliales gastrointestinales varían {i1l p. 69). En el estómago y el.c:oso es convertido en heces semisólidas a medida que se absorbe lon, las uniones forman una barreta estrecha de modo que es poco agua y electrolitos del quimo y en el_ líquido extra~elulat Cuando las heces son impulsadas hada la se"cción terminal del _ lo que puede pasar entre las células. En el intestino delgado, las uniones no son tan estrechas. Este epitelio intestinal se considera intestino grueso, conocida como recto, la dilatación de la pared permeable porque puede absorber algo de agua y solutos entre las rectal desencadena el refleio de defecaci6n. Las heces abandonan el células {la vía paracelular) en lugar de hacerlo a través de ellas. Ahotubo digestivo a través del ano, con su esfínter anal externo de ra sabemos que estas uniones tienen plasticidad; su permeabilidad músculo esquelético, que está bajo control voluntario. puede estar regulada en cierta medida por el estado nutridonal del En una persona viva, el aparato digestivo desde la boca hasta el ano tiene unos ¡450 on de longitud! De esta longitud, 395 on ruerpo. Las ce1u/as troncales o ce1ulas madre gastrointestinales son células son del intestino grueso y del delgado. Intente imagiru!r un cabo indiferendadas de división rápida que producen continuamente de 395 cm con un diámetro que varía entre 2,5 y 7,5 on enrollanuevo epitelio en las criptas intestinales y glándulas gástricas. A medo dentro de su abdomen. La disposición apretada de los órganos dida que las células madre se dividen, las hijas recién formadas son abdominales ayuda a explicar por qué siente usted la nec:esidad de empujadas hacia arriba hasta la superficie luminal del epitelio. La aflojarse el cinturón después de consumir una c:omiiia abundante. expectativa de vida promedio de una célula epitelial gastrointestinal Las mediciones de la longitud intestinal que se realizan duranes sólo de algunos días, un buen indicador de la dura vida que dete las autopsias son casi el doble de. las .que damos aquí porque ben sufrir estas células. Como sucede con otros tipos de epitelio, el después de la muerte los músculos longitudinales del tubo digesrápido recambio y la rápida velocidad de división celular del apara· tivo se relajan. Esto explica la amplia variación de Ia·Jongitud in· to digestivo hace que estos órganos sean susceptibles de desarrollar testinal que se puede hallar en las diferentes referencias. cánceres. En 2005, los cánceres de colon y recto (cáncer colorrectal) fueron la tercera causa de muerte por cáncer en los Estados Unidos. La pared del tubo digestivo tiene cuatro capas La lámina propia es tejido conectivo subepitelial que contieLa estructura básica de la pared gastrointestinal del estómago ne fibras nerviosas y pequeños vasos sanguíneos y linfáticos en y los:intestinos es similar, aunque existen variaciones de una sec·

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600

Anatomía del apararo digestivo

capítulo 21 El aparato digestivo r-~-~-----·--:·-

U M E N A N A T Ó M 1 C''@

¡ ESTRUCTURAS DEL ESTÓt/IAGO Y EL INTESTINO

EL APARATO DIGESTIVO

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681

····---··

CORTES DEL ESTÓMAGO Y EL INTE_STINO

(e) En el estómago, !a superficie está aumentada por invaginaciones llamadas glándulas gástri~.

-·

(b) El estómago

glándula gástrica

externa

mientérico

con el alimento

{d) Estructuras del intestino delgado {e) La superficie Intestinal está aumentrufa por las vellosidades digitiformes y las invaginaciones !!amadas criptas Intestinales.

1 Serosa Glándulas

Vellosidades

submucosas submucoso de Peyer

"'"'"''"""' 01 AGURA21·2

el FI!3URA 21·2 (conünuadón)

632

Capítulo 21

Motilidad

El aparato digestivo

los que entran los nutrientes absorbidos {Fig. 21-Zc). Estas capas también contienen células inmunitarias, como macrófagos y linfocitos, que patrullan en busca de invasores qtie entran a través de brechas en el epitelio. En el intestino hay colecciones de teji· do linfoideo adyacentes al epitelio que forman pequeños n6dulos y placas de Peyer más grandes (Fig. 21-2e) que protruyen en la mucosa. Estos agregados linfoideos constituyen una parte importante del tejido linfoide asociado al intestino (GAL1). La tercera región de la mucosa, la muscular de la mucosa, separa la mucosa de la submucosa. La muscular de la mucosa es una capa delgada de músculo liso, y la contracción de esta capa modifica el área efectiva para la absordón al mover las vellosidades hada atrás y hacia adelante, igual que los ondulantes tentáculos de una anémona de mar. la submucosa La capa de pared intestinal adyacente a la mucosa, la submucosa, está compuesta por tejido conectivo con vasos sanguíneos y linfáticos más grandes (Fig. 21-Zc, e}. La submucosa también contiene el plexo submucoso (plexus, entretejido), una de las dos redes nerviosas mayoreS del sistema nervioso entérico {~ p. 246). El sistema nervioso entérico ayuda a coordinar la función digestiva, y el plexo submucoso (también llamado plexo de Meissner) inerva las células en la capa epitelial y el mÚSculO li· so de la muscular de la mucosa.

pleta de músculo oblicuo en~ los músculos circulaíes y la submucosa (Fig. 21-2c). La segunda red nerviosa del sistema nerviOso entérico, el plexo mientérico (myo·, músculo; enteron, Intestino), se ubica entre las capas de músculo longitudinal y circulaL El plexo mientérico (también llamado plexo de Auerbach) controla y coordina la aétividad motora de la muscular externa. La cubierta externa de todo el tubo digestivo, la serosa, es una membrana de tejido conectivo, continuación de la membrana pe_.. rltoneal (peritoneo) que reviste la cavidad abdominal ( ~ p. 51). El peritoneo también forma las hojas del mesenterio que mantienen los intestinos en su lugar para que no se enreden al moverse, Ahora demos una breve mirada a los cuatro procesos de motilidad, seaedón, digestión y absorción. La fisiología gastrointestinal es un campo en rápida expansión, y este libro no intenta ser completamente exhaustivo, sino que se centra en aspectos gene.. rales seleccionados de la fisiología digestiva.

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¿La luz del aparato d¡gesttvo se encuentra sobre la ca-

ra apical o basolateral del epitelio intestinal? ¿Sobre la cara serosa o mucosa? 5. Mencione las estructuras que a~viesa un trozo de ali~ mento cuando recorre_ desde !a boca hasta el ann. 6. ¿Porqué el aparato digestivo tiene la actJwuia_ción

la muscular externa y la serosa La pared externa del tubo diges. tivo, la muscular externa, está constituida fundamentalmente por dos capas de mÚSculo liso: una: circular interna y una longitudinal externa {Fig. 21-2d, e). La contraa;ión de la capa circular disminuye el diámetro de la luz; la contracción de la capa longitudinal acorta el tubo. El estómago tiene una tercera capa Incom~

. una ÚJ~era ¡;iéptica es un área abierta e inflam~d~ 'én del estóma~o o ~el duodeno, que se _extiende desde lá epitelial y" atraviesa la- m'uwlar de la muCosa. AunqUe la mayoría de las ú!cer.~ _péptic~s-aparecen en. el duode_no (úlceras ~uode­ nales), otras se !9ca!iz_an en el estómago (úlceras gástricas). Hilsta 1982, año en -que se descubrió ·H. jlylort; se' PenSaba Que ias.úlc~ ras pépticas eran _causadas pór·niveles e!e_vadOS_ de ·pioducdóri de ácido y enzimas en el estómago. Sin embargO~ desde·Ja década de 1980, los científiCos _han d~CUb-ierto H. pylori en el 90% de_ios individuos con úke111SduódenaleS y en _el70% -de los_individíios con úlceras gástrica"s. Pai'a corifirmar el· dia9nósti~O de una úlCera causada por H. pylori, TonYa deberá realizarSe prUebas para aiS~ · lar la bacteria en sú estóníago. Pregunta 1: ¿Por qué las úlceras pépücas se encuentran en -el duodeno yno en el yeyuno o ef íleon?

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más grande de tejido !infoideo del ctJerpoíRespuestas en la p. 715

MOTILIDAD La motilidad en el aparato digestivo cumple dos propósitos: mover el alimento desde la boca hasta el ano y mezclar mecáni· camente el alimento para fragmentarlo en particul<).S uniformemente pequeñas. Esta mezda maximiza la exposición de las par· tículas a las enzimas digestivas al aumentar la superficie de con· tacto. La motilidad gastrointestinal está detenninada por las propiedades del músculo liso del tubo y es modificada por las aferendas químicas de nervios, hormonas y sefiales paracrinas.

El músculo liso gastrointestinal se contrae espontáneamente Gran parte del tubo digestivo tiene músculo liso de unidad única, y grupos de células conectadas elé<;tricamente por uniones en hendidura (m p. 69) crean segnientOS que se contraen uniformemente. Se producen contxácciones tónicas que se mantienen durante minutos u horas en algunos eSfínteres de músculo liso y en la porción anterior del estómago. Las contracciones fásicas, con ciclos de contracción-relajación que sólo duran algunos se· gundos, ocurren en la reglón posteriordel estómago y en el intestino delgado. Los cidos de contracctón y relajación del músculo liso se asocian con ciclos espontáneos de despolarización y repolarización conoctdos como potenciales de onda lenta (o simplemente ondas lentas). Los potencialeS de onda lenta difieren de los potenciales de marcapasos miocárdicos en que los primeros tienen una frecuencia mucho más lenta (3-12 ondas/minen el aparato digestivo versus 60-90 ondas/min en el miocardio} y no alcanzan el

Potencial de membrana {mV)

.,..

Potencial deacc!ón

• Los ~t~a!es oo acc!ón 1se disparan cuando !os 1

!'Cnzan ::'.'.":'"."".el umbral. de onda lenta

o""

Umbral

e---,-~.~·

¡. la fuérza y la dur,adón

·~e la contrección lll!IS<:U!ar

están directamente relacionadas con la amplitud Yfa frectlenc!a da

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de contracción muscular

-~tendales de acción.

--Tiempo--+

mFIGURA 21~3 Potendales t;/e onda lenta en el músculo liso gastrointestinal las ondas lentas comienzan en las fibras musculares con despo-larización espontánea. las ondas lentas que exceden el umbral disparan potenciales de acción (gráfico superior), que producen contracciones del músculo liso y su fuerza y duración están reJa~ donadas con fa frecuencia y la amplitud de los potenciales de acción {gráfico inferior),

umbral con cada ciclo {Fig. 21·3 ~-Una onda lenta que no alcanza el umbral no produce una contracción en la fibra muscular. Cuando un potencial de onda lenta alcanza el umbral, los canales de Ca2+ regulados por voltaje en la fibra muscular se abren, entra Ca2+ y la célula dispara uno o más potenciales de acción. la fase de despolarización del potencial de acción, al igual que en las células autorrítmicas miocárdicas, es el resultado de la entra'da de Ca2+ en la célula. Además, la entrada de CaZi- inicia la contracción · muscular ( ~ p. 426). La contracción del músculo liso, al igual que la del músculo. cardiaco, es escalonada de acuerdo con la cantidad de CaZ: que

683

entra en la fibra, Cuanto mayor es la duración de la onda lenta, más potenciales de acdón se disparan y mayor es la fuerza de contracCión en el músculo. Asimismo, a mayor duración de la onda lenta, más prolongada es la durad(m de la contracción. Tanto la amplitud como la duración pueden modificarse mediante neurotransmisores, honnonas o moléculas paracrinas. La frecuencia de ondas lentas varia según la región del aparato digestivo, desde 3 ondas/min en el estómago hasta 12 ondas/minen el duodeno. La investigación actual indica que las ondas lentas se originan en células de músculo liso modificadas d~o­ minadas células intersticiales de Caja! (véase recuadro de Nuevos Conceptos) y pasan a las células de músculo liso a través de la$ uniones en hendidura. Las células intersticiales de Cajal también se asocian con neuronas entéricas y pueden actuar como un intermediario entre las neuronas y el músculo liso.

El músculo liso gastrointestinal mueStra diferentes patrones de contracción Las contracciones del músculo liso en el tubo digestivo se pro· ducen según tres patrones generales. Entre las comidas, cuando el aparato se encuentra en su mayor parte vado, una serie de contracciones comienza en el estómago y pasa lentamente de una sección a otra, y cada una de ellas tarda aproximadamente 90 minutos en alcanzar el intestino grueso. Este patrón, conocido co· mo complejo motor migratorio, cumple la función de barrer los restos de alimentos y bacterias fuera del aparato digestivo superior y hacia el intestino grueso. Las contracciones musculares durante una comida y luego de ella corresponden a los otros dos patrones. El peristaltismo (peri·, alrededor; stalsis, contracción) son las ondas progresivas de contracción que se mueven de una sección del tubo digestivo a la siguiente, igual que las uolas" humanas alrededor de un estadio de fútbol americano o un campo de básquetboJ. En el peristaltismo, los músculos ciiculares se contraen inmediatamente detrás de una masa de alimento, el bolo alimenticio. Esto empuja el bólo hacia adelante, a un segmento receptor, donde los músculos dicu· lares están relajados (Fig. 2-1-4a ~- Luego el segmento receptor se contrae, continuando el movimiento hacia adelante. Las contrae~ dones peristálticas empujan un bolo alimenticio hada adelante a velocidades entre 2 y 25 cm/s.

1

684

Secreción

Capítulo 21 8 aparato digestivo

El aparato digestivo secreta iones y agua

{a) las contracciones peristálticas crean un movimiento anterógradO. Contracción

Tiempo cero

?.{;;;',:;;:;:~!_&

Bolo

Segme{ltO receptor

.&ff:>i};h<

Dirección del movimiento

·_-,.~

i;~ El bolo se mueve hacia adelante.

!1su=: \Y?~F:.::s;:~\~:D:··-- IX;~~§il (b) las contracciones segmentruias son las que realizan !a mezcla.

No hay movimiento neto hacia adelante

!il'l AGURA 214·Contracdones en el tubo digestivo

Las contracciones peristálticas son muy importantes en el esófa. go. Las contracdones segmentarlas son ":'J~S importantes en las secdones distales del tubo digestivo.

mAGURA 21·5 Balance de líquido diario en el aparato digestivo

El peristaltismo impulsa el material hada adelante a través del esófago y mezcla el alimento a medida que es digeridO en el estómago. En la digestión I).Ormal, las ondas peristálticas intestinales están limitadas a distandas cortas. Las hormonas, las señales pa· racrinas y el sistema nervioso autónomo influyen en el perista!· tiSmo de todas las regiones del tubo digestivo. En las contracciopes segmentarlas, segmentos cOrtos (1·5 cm) de intestino se contraen y relajan alternativamente (Fig. 21-4b). En los segmentos que se contraen, los múSculos ciiculares _se contraen mienttas que los músculos longitUdinales se retajan. Estas contrae· dones pueden ocwrir de fonna aleatoria a lo latgo del intestino o a intervalos regulares, como s(! inuestra en la figura 214b. Las COn· tracdones segmentarlas alternan~ baten el contenido intestinal, mezclándolo y manteniéndolo en contacto con el epitelio absorti· vo. CUando los-segmentos se contraen de forma secuendal, en direcdón distal, el material digerido es impulsado distandas cortas. Los trastornos de la ffiotilidad son algunos de los problemas digestivoS más frecuentes. "Ellos Varían desde espasmos esofágicos y evacuadón gástrica tardía hasta estreñimiento y diarrea. El síndrome del colon irritable es un trastorno fundonal crónico caracterizado por hábitos intestinaleS alterados y dolor abdominal. 4

~ft;E~ISIÓN

-

'~7..-.;,Por qué algunos e~rnteres ?el sistema digestivo

"

muestran contracciones tómcas? Respuesta en !a p. 715

685 ·

Para mantener !a homeostasis, los ingresos deben igualar a los egresos. Por lo tanto, el volumen de liquido que entra en fa luz del tubo digestivo por ingesta o secredón debe igualar el volumen que abandona 1.:1 luz. De los 2 Lde agua en alimentos y bebidas ingeridos diariamente, sólo O, J-l sale en las heces; El1,9 l res· tante es absorbido y excretado del cuerpo en la orina o ? través de fa pérdida insensible de agua {respiración y sudoración}.

SECRECIÓN En una día típico, 9litros de .liquido atraviesan la luz del apa· rato digestivo de un adulto. Sólo unos 21itros de ese volumen en· tran en el aparato digestivo a travésdela boca. Los 7litros restantes de liquido provienen del agua corporal secretada juntamente con enzimas y moco (Fig. 21-5 !m). Alrededor del 50% del líquido secretado proviene de los órganos y glándul~ accesorios como las glándulas salivales, el páncreas y el hígado. Los 3,5 litros restantes son secretados por células epiteliales del tubó digestivo propiamente dicho. La importanda del volumen secretado se toma más evidente cuando se reconoce que los 7litros de líquido secretado representan un sexto del volumen de agua corporal total (42litros) y más del doble del volumen plasmático (3litros). Esto significa que si el líquido secretado en la luz no es reabsorbido cuando atraviesa el tubo digestivo, el cuerpo rápidamente se deshidratará.

Una gran parte de los 71itros de líqtúdo secretado por el aparato digestivo cada día está compuesta por agua y iones, sobre ter do Na+, K+, cr, Heo3- y H~. Los iones son secretados primero en la luz del tubo digestivo y luego reabsorbidos. El agua sigue los gradientes osmóticos creados por la transferencia de solutos desde un lado del epitelio al otro. El aguase mueve ;:t través de·las células -epiteliales por los caÍtales de membrana o entre las células (la vía paracelular). Al igual que en el riñón, las membzanas apical y basolateral de las células epiteliales gastrointestinales son düerentes. La superfide de cada célula contiene protefnas para· transporte activo, difusión facilitada y movimiento de Iones a través de cánates abiertos. La disposidón de los'canales y los transportadores sobre las mem· branas apical y basolateral determina el movimiento neto de solutos a través del epitelio. Además, el Na+ también puede mover. se a través de uniones permeables entre las células en algunas pat· tes del tubo digestivo. Muchos de los transportadores ~e membrana del tubo digesti· vo son similares a los de los túbulos renales. La membrana basolateral contiene la omnipresente Na+-K+-ATPasa. Los cotransportadores incluyen el ootransportador simportador NKee (Na+-K+2el-), el contratransportador bidirecdonal de a·-HC03-, el contratransportador bidirecctonal de Na+-H+ y la H+-K+·ATPasa. Los canales iónicos incluyen canales de Na+, K+ y el-, y los canales de e¡-, como el canal de er tipo compuerta conoddo como el regulador de conductanda transmembrana de la fibrosis quística o canal de cloruro CFI'R. Los defectos en la estructura o la fun. ctón del canal em conducen a la enfennedad fibrosis quística. Las secciones siguientes descnben el modo en que estas proteínas de membrana están dispuestas para producir la secreción de ád· do en el estómago, la seaedón de bicarbonato en el páncreas y el duodeno y la secreción de Naa isotónico en los intestinos. Secreción de ácido Las células parietales en la profundidad -de las glándulas gástricas secretan ácido clorhídrico en la luz del estómago. Lasecredón de ácido en el estómago promedia 1 a 3li·· tros por día y puede crear un pH intraluminal de tan sólo I.·El pH dtoplasmático de las células parietales es de aproximadamente 7,2, lo que significa que las células bombean H+ en contra 9e un gradiente, dado que la concentradón es 2,5 millones de veces mayor en la luz. La vía de las células parietales para la secredón de áddo se muestra en la figura 21-6 !líl. El proceso comienza cuando se bombean los H+ del agua en el interior de las células parietales hada la luz del estómago mediante una H•-K+-ATPasa: a cambio de K+ que entra en la célula. Luego el CI- sigue al W a través de un ca· nal de cloruro abierto, lo que conduce a la secredón neta de HCI por la célula. (Este canal de er apical no es un canal CFTR.) Mientras se secreta áddO en la luz, el bicarbonato formado a partir de COz y el OH· de! agua es absorbido hada la sangr;e. La acción amortiguadora de pH del HC03- torna a la sangre que abandona el estómago menos ádda, lo que crea la "marea alcalina" que puede medirse cuando se digiere una comida. Secreción de bicarbonato La secreción de bicarbonato en el duodenq neutraliza el ácido que entra desde el estó~go. Una peque-

mFIGURA 21·6 Secreción de áddo por las células parietales El ácido clorhídrico es secretado hacia la luz del estómago mientras el bicarbonato es absorbido hacia la irrigación gástri· ca. AC = anhidrasa carbónica. ña cantidad de bicarbonato proviene de las células duodenales, pero la mayor parte proviene del páncreas, el cual secreta una so. ludón acuosa de NaHe03• La porción exocrina del páncreas está formada por lobulillos denominados ácinos (ad.nus, uva o cereza) que se abren en los conductos cuyas luces forman parte del medioambiente externo del cuerpo (Fig. 2P m). Las células de los ádnos secretan enzirñas digestivas y las células ductales secretan la solución de NaHC03• (El páncreas también secreta hormonas desde las células de los islotes ocultas entre las células acinares, como se muestra en la figura 21·7.) La producdón de bicarbonato requiere altas concentradones de la enzima anhidrasa carb6nica, concentradones similares a las halladas en las células del túbulo renal y los eritrocitos ( iii!! pp. 599, 668). El bicarbonato producido a partir de C02 y agua eúecretado por una proteína contratransportadora o cotransportador bidireccional de ei--HC03• (Fig, 21-8§). El cloruro entra por el cotransportador simportador NKCe y sale a través de un canal eFrR apical. El et·Iuminal vuelve.a entrar entonces en la célula a cambio de HC03 que entra en la luz.. Los hidrogeniones producido.s juntamente con el bicatbonato dejan la célula por el con- . tratransportador bidireccional de Na+-K+ basolateral. El H+ así reabsorbido hada la ctrculación intestinal ayuda a equilibrar el HC03- que pasa a la sangre cuando las células parietales secretan H+ en el estóJllagO (véase Fig. 21-6). Los movimientos de sodio y agua son procesos pasivos, impul· sados por gradientes electroquímicos y osmóticos. El movimiento neto de iones negativos desde el líquido extracelulat hada la luz atrae Na+, el cual se mueve a favor de su gradiente electroquímico a través de las uniones permeables entre las células. La se. credón de Na+ y HC03- en la luz crea un gradiente osmótico, y el agua le sigue por ósmosis. El resultado neto es la secredón de una soludón acuosa de bicarbonato de sodio. En la fibrosis quística, un defecto hereditario hace que el canal CFTR sea defectuoso o esté ausente. En consecuencia, cesa la secredónde cloruro y liquido, pero las células calidformes {~ p. 75) siguen secretando moco, lo que produce un moco espesado. En el

1

686

Secreción

Capítulo 21 El aparato digi!StivO Las células ductales secretan NaHC03.

las células de los fslotes

pancreáticos secretan hormpnas. La digestión de protelnas en el estómago libera grandes cantida· des de urea, e! producto nitrogenado de la degradadón de los

aminoácidos. Helicobacte~pyfori usa este "marn de úrea _co-rl!o protección cowa el medio' ambiente ácido del eStómago. la inembrana e_xter~_a- de f-1: pylofi está cubierta con uréa.Sás~-.enzi- · mas que corivierteri la Urea en dióxido de carbot~o y amoníaco,· que es una base. Pregunta2: .

._.

..- _

.. --.

¿De qué mOdo fa conVersión_ de urea_ en_ amoníacó· protegé·¡¡·

nes primarias del moco son fonnar un revestimiento protector sobre la mucosa del tubo digestivo y lubricar el contenido del intesti~ no. El moco se forma en células exocrinas especializadas llamadas células mudnosas en el estómago y las ce?ulas calid{ormes del intestino ( ~ Fig. 3-2-7). Las células calidformes representan entre ellO% y el 24% de la población de células intestinales. Las glándulas salivales también secretan moco a partir de células espectalizadas. Las señales para la liberación de moco incluyen la inervación parasimpática, distintos neuropéptidos hallados en el sistema nervioso entérico-y citodnas provenientes de los inmunoótos. Las infecciones parasitarias y los procesos inflamatorios del intestino producen aumentos sustanciales en la producción de moco a medida que el cuerpo intenta fortificar su banera protectora.

H. pylori del medio hostil del est6mag.o?

secretan enzimas

)>

Los ácinos pancreátiCQs forman la porción exocrina del páncreas.

liil FIGURA 21-7 Anatomia del páncreas exocrina y endocrino

las secreciones del páncreas exocrino eOiran en el tubo digestivo a través de conductos; las hormonas provenientes de las células de los is!Ótes endocrinos entran en la sangre. ·tubo digestivo, el moco espeso tapa Jos pequefios conductos pancreáticos e impide la secreción de enzimas digestivas en el intes-

tino. En las vías aéreas del aparato respiratorio, donde también hay canales CFTR, la falta de secreción de líquido tapa el escalador mucociliar ( ii! p. 568) con moco espeso y produce infecciones pulmonares reamentes. Luz del páncreas o del intestino

687

Algunas enzimas digestivas son secretadas en forma de una proenzima inactiva conocida en conjunto como dm6genos. Los d· mógenos deben ser activados en la luz del aparato digestivo antes de que puedan llevar a cabo la digestión. Esta activación tardía permite que las enzimas sean almacenadas en las células que las elaboran sin producir daños en ella. Los nombres de los cimógenos a menudo tienen el sufijo -6geno agregado al nombre de la enzima, como pepsinógena. Las vías de control para la liberación de las enzimas varían pe. ro incluyen distintas señales neurales, hormonales y paracrinas. En general, la estimulación de las neuronas parasimpáticas en el nervio vago aumenta la secreción enzimática.

Las células esp_ecializadas Secretan moco Secreción de NaCI Además de los iones secretados por el estómago y el páncreas, las células de las criptas intestinales en el intestino delgado y el colon secretan una solución isotónica" de NaCL El paso activo es la secreción de ct·, seguida por el movimiento de Na• y agua a través de la vía paracelular {Fig. 21-9 f!i¡. El cloruro entra en las células a través del cotransportador simportador NKCC, luego sale a través de un canal CffR apical. La solución salina secretada se mezcla con el moco secretado por las células caliciformes para ayudar a lubricar el contenido del intestino.

El moco es una secreción viscosa compuesta fundamentalmente por glucoproteínas que~ llaman en conjunto mucinas. Las funcio-

La saliva es una secreción exocrina La saliva es un líquido hipoosmótico complejo secretado por las glándulas salivales de la cavidad oral. Los componentes de la saliva son agua, iones, moco y proteínas, como enzimas e inmunoglobulinas. Con velocidades de flujo de reposo, la saliva es Ji. geramente ácida, con un pH de 6-7. La composición iónica es determinada en dos pasos de trans-porte epitelial. Las glándulas salivales son glándulas exocrinas, con un epitelio secretor {el ádna) que se abre hacia el medio ambiente externo a través de un conducto (véase Fig. 3-28). El líquido secretado por las células acinares se asemeja al líquido extracelular en su composición iónica. A medida que este líquido atraviesa el conducto en su camino hada la cavidad oral, las células epiteliales a lo largo del conducto reabsorben Na+ y secretan K+ hasta que la relación entre los iones en el líquido del conducto es más similar al del liquido intracelular (K+ alto y Na+ bajo). La salivación está controlada por el sistema nervioso autónomo. La inervación parasimpática es el estímulo primario para la secreción de saliva, pero las glándulas también tienen cierta inervación simpática. En la antigua China, a algunas personas sospechosas de un crimen se les daba un puñado de arroz seco para que

6-

Na+,

K:~~;~tran

u::::~rte.

fi··ac~e~:-~!uza J _travésdel_:~al~FTR.

Las enzimas digestivas son secretadas en la boca~ el estómago y el intestino

fJ FIGURA 21-8 Secredón de bicarbcmato Las céluli;!S que producen bicarbonato tienen altas concentraciones de anhidrasa carbónica (AQ. El HC03- es intercambiado por Na+ en la membrana basolaterat. La secreción de bicarbonato se produce en el páncreas exocrino y el duodeno.

Las enzimas digestivas son secretadas por las glándulas exocri· nas (las glándulas salivales y el páncreas) o pOr las células epiteliales en la mucosa del estómago y el intestino delgado. LaS enzimas son proteínas, lo que significa que son sintetizadas sobre el retículo endoplasmático rugoso, empaquetadas por el aparato de Golgi en vesículas secretoras y almacenadas en la célula hasta que sean necesarias. A demanda, son liberadas por exocitosis ( ~ .P· 150). Muchas enzimas intestinales no quedan libres en la luz sino que se mantienen unidas a las membranas apicales de las células intestinales, fijadas por "tallosn de proteínas transmembra· na o anclajes lipídicos ( ¡¡¡§ p. 57).

{& 8 Na+..;r:~kio. L~---"·- -."@ 8 cr negativo en la luz atrae ¡_,==-=-~--

Na+ por la vía paracelular. Sigue el agua.

llil FIGURA 21-9 Secreción de

Ct por las células de las criptas intestinales y colónícas

El d~?ruro entra en las células por transporte activo indirecto y abandona el lado apica! a través de un <:anal CFTR. El sodio y el agua sigu~n pasivamente por la vía paracelular.

1

Regu!adón de la fundón del aparato digestivo

{a) 8 hígado es el más grande de los ó¡ganos internos. y pesa aproximadamente 1,5 kg en un adulto. Yace justo debajo del diafragma, hacia el lado derec!

(b)8 flujo sangufneo hacia el hígado provtene de

dos fuentes. la sangre oxigenada que contiene metabolltos de ros tejidos periféricos llega al higado a través de la arteria hepétlca. la sangre que llega al hfgado a través de la vena Porta hepática es rica en nutrientes absorbidos en el tubo digestiVo (Flg. 21·30) y contiene productos da la degradación de ra hemoglobina provenientes del baZO. la sangre abandona el higado por !as venas supmhepáticas (que no se muestra}. La bilis sintetizada en el hlgado es secretada en el conducto hepático común paza su almacer.amiento en ra vesicu!a billar. Desde all!, es secretada en la luz del intesllno a través del colédoco.

""'""·

de una vena central que drena sangre en una vena supmhepática En su perffer!a, un !obulii!O se asocia con ramas da la vena porta hepática y de la arteria hepática. Estos vasos se ramifican entr& los hepatocitos, fonnarldQ slnusoides por los cuales fluye la sanQro. Aproximadamente el 70% de la superficie de cada hepatocito enfrenta a ros slnusoides, aumentando al li\Mmo el Intercambio eqtra la sangra y las células. Aproximadamente el15% de la membrana del hepatocitó enfrenta a los canal!culos b!Uares. pequeños canales dentro de los cuales se secreta la bl1is.. Los-cana11cu!os convergen en los conductillos que corren por el h!gado, a un lado de las venas portas.

•Glucosa y metabollsmo de grasas _•Sfntesls proteica •Sfntesls de hormonas • ProducciOO de urea •Oetoxi!icac!6n

{d} la sangre que entra en e! h[gado Ueva nutrientes y sustancias extranas provenientes del tubo digestivo, bilirrubina de la degradación de la hemoglobina y metabOfrtos de ros te[!dos periféricos del cuerpo. A su vez, el hfgado excreta algUnos de éstos en la blns y almacena o metaboliza otros. Algunos da !os productos del hfgado son desechos que deben ser excrntadoS por el riñón; otros son nutrientes esenciales, como la glucosa. Además, el hfgado sintetiZa una gran v-diedad de pmtelnas plaSmáticas.

l!l FIGURA 21-10

masticaran dúrante el interrogatorio. Si podían producir la saliva sufidente como para humedecer el arroz y deglutido quedaban li· bres. Pero si su estado de nerviosismo inhibía su reflejo salival, se lo declaraba culpable. Investigactones recientes han confirmado que el estrés, como el asociado con las mentiras, disminuye la se. crectón de saliva.

El hígado secreta bilis La bilis es una soludón no enzimática secreta$ por los hepa· todtos o células hepáticas {véase El hígado, Fig. 21-10-~. Los componentes clave de la bilis sori: 1) sales biliares que facilitan la digestión enzimática de las grasas, 2) pigmentos biliares, como la

bilim,tbí:na, que son los productos de desecho de la degradadón de la hemoglobina y 3) colesterol, que es excretado en las heces. Los fármacos y otros xenobióticos son eliminados de la-sangre por procesamiento hepático y también son excretados en la bilis. Las sales biliares, que actúan como detergentes pata solubllizar las grasas durante la digestión, se forman a partir de los ácidos bi· liares esteroideos combinados con aminoáddos. La bilis es secretada en los conductos hepáticos que llevan a la vesícula biliar, la cual almacena y concentra la soluctón ~iliaL Durante una comida, ~a contraCCión de la veskula biliar envía bilis en el duodeno a través del colédoco, juntamente con una soluctón acuosa de bicm:bonato y enzimas digestivas provenientes del~creas.

REGULACIÓN DE LA FUNCIÓN DIEL APARATO DIGESTIVO El aparato digestivo tiene una reguladón notablemente com. pleja de la motllidad y la secreción. Los 9istintos mecanismos de control incluyen componentes neurales, endocrinos y locales entre los siguien~: l. Reflejos largos integrados en el SNC. Un reflejo neural dá·

sico comienza con un estímulo transmitido a lo largo de una. neurona sensitiva hasta el SNC, donde el estímulo es iritegra. do e interpretado. En el aparato digestivo, algunos reflejos dá7 slcos se originan en receptores sensitiVos en el tubo digestivo, pero otros se originan fuera de él {flechas grises en la F¡g. 21~ 11 m). No importa dónde se originen, los re.flefos digestivos integrados en el SNC se llaman reflejos largos. Los reflejos largos que se originan completamente fuera del aparato digestivo incluyen los reflejos por prealimentadón {~ p. 200) y los reflejos emoctonales. Estos reflejos se derur minan reflejos cefáll.cos porque se originan en la parte ante· rior del cerebro o prosencéfalo. Los reflejos por prealimentación comienzan con estímulos como la vista, el olfato, el oído o los pensamientos sobre alimentos; ellos preparan al aparato di· gestivo para alimentos que el cerebro está antictpando. Por ejemplo, si usÍed tiene hambre y huele la cena que se está cotinando, se le hace agua la boca y su estómago hace ruidos. La influencia de las emodones sobre el aparato digestiVo ilustra otra conexión refleja entre el encéfalo y este aparato. 1.$ respuestas emodonales que .tienen manf:festadones gas· ~ointestinales varían desde el estreiiimien~o de los viajeros y

689

las "mariposas en el estómago" hasta la dian:ea inducida psi· cológicamente. Las reacdones de lucha o huida también in· fluyen en la fundón gastrointestinal. En los reflejos largos, el músculo liso y las glándulas del apa· rato digestivo están bajo control autónomo. En generaL ded· mos que las neuronas parasimpáticas para el aparato dígesti· vo, transportadas principalmente en el nervio vago, son exdtatorias y aumentan las funciones gastrointestinales. Las neuronas simpáticas suelen inhibir la fundón gastrointestinal. 2. Reflejos cortos integrados en el sistema nervioso ent~co. El control neural del aparato digestivo no depende estricta· mente en el SNC. En cambio, el plexo nervioso entérico de la pared intestinal actúa como un upequeño encéfalo", que permite a los reflejos locales comenzar, integrarse y terminar completamen~e en el aparato digestivo {flechas rojas en la Fig. 21·11). Los reflejos que se originan dentro del sistema 'nervioso entérico y son integrados allí sin aferendas externas se na. roan reflejos cortos. Aunque el sistema nervioso entérico puede fundonar de forma aislada, también coordina la fun. ción con neuronas autónomas que traen señales desde el SNC. Los procesos controlados por el sistema nervioso entérico están relacionados con la motilidad, la secreción y el credmíento. El plexo submucoso contiene neuronas sensitivas que reciben señales desde la luz del intestino. La red del sistema nervioso entérico integra la información sensitiva, luego inida las respuestas a través de new:onas submucosas que controlan la secredón por las células epiteliales gastrointestinales y neuronas entéricas que influyen en la motilidad. 3. Reflejos que involucran péptídos gastrointestinales. Una parte espectalmente complicada del control de la regulactón gastrointestinal es el aprendizaje de la termínolpgía. Algunas de las moléculas seftal peptídicas involucradas en la regula· dón digestiva fueron identificadas inicialmente en otros sistemas o aparatos y por eso su nombre no tiene ninguna ~la· ctón con su fundón en el aparato digestivo. Los péptidos secretados por las células del aparato digestivo pueden actuar como hormonas o como señales paracrinas. Las hormonas gastrointestinales, como todas las hormo-1 nas, son secretadas en la sangre. Ellas actúan sobre el tubo di· gestlvo, sobre órganos accesorios como el páncreas y sobre sitios diana más distantes,-como el cerebro. Las moléculas pa. racrinas son secretadas en la luz del tubo digestivo o en el líquido extracelulá.r. Las señales paracrinas luminales se combi· nan con receptores sobre la membrana apical del epitelio lu~ : minal para obtener una respuesta. Las moléculas paracrinas del liquido extracelular actúan localmente, sobre células próximas adonde fueron secretadas. En general, los péptidos gastrointestinales excitan o inhi· ben la secreción y la motilldad (Fig. 21·12 ~. Entre los efectos sobre la motilldad están la alteradón de la actividad peristálica, la contracción de la vesícula para liberar bilis y la reguladón del vadamiento gástrico para maximizar la digestión y l~ absor· dón. Los procesos secretorios influidos por los péptidos gastrointestinales incluyen funciones endocrinas y exocrinaS. Algunas de las vías
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¡REFERENCiAS" .

{visi;.'~~' ""·l ¡ ..

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;strnrulo

1

Receptor

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l~

Vía eferente

o""'"""'""" ==+Reflejos cortos .

~

Relle,ios largos

Reguladón de !a función del aparato digestivo Aspados generales ~e los refi~Ios ~strointe~ales

Estimules

Fase cefáf~ea de la digestióÍl (preallmentaclón) Distensión Áoido Presencia de alimentos

v

.

Células secretoras del estómago y el intestino delgado

Péptldos gastrointestinaleS e~--

~

Músculo liso gastrointestinal Células exocrtnas de estómago,

páncreas e intestino Otras células endocrinas Sistema ne!Vioso

~

mi FIGURA 21·11/ntegradón de reflejos largos y cortos en el

EGUNTAS

aparato digestivo

• ¿Cuáles son los efectores y respuestas controlados por el plexo m!entérlco, y cuáles están controlados por el plexo st:bmucosp? • ¿Qué tipo de receptores sensitivos responden al

Los reflejos largos son integrados en e! SNC; algunos se originan fuera" del tubo digestivo y otros se originan en el sistema nervioso entérico. Los reflejos cortos se originan en el sistema nervioso ent& rico y soill!evados a cabo por neuronas en la pared del intestino.

el encéfalo. Por ejemplo, se observó en algunos estudios experimentales que la hormona gastrointestinal coledstocinina (CCK) aumentaba la sadedad, la sensadÓn de que el hambre estaba satisfecha. Sin embargo, estos hallazgos se ven complicados por el hecho de que la CCK también es elaborada por las neuronas y fundona como un neurotransmisor en el encéfalo. Otro péptido gastrointestinru," la grelina. es secretado por el éstómago y actúa sobre el encéfalo para aumentar la ingesta de alimentos. Los péptidos y el apetito se explican mejor en el capítulo 22.

El sistema nervioso entérico puede actuar de forma independiente del SNC El sistema nervioso entérico Jue reconocido por primera vez

hace más de un SiglO, cuando los científicos observaron que un aumertto de la ptéión en la luz del tubo digestivo produda una onda refleja de contracción peristáltica a lo largo de secciones de intestino aislado extraídas del cuerpo. Lo que ellos observaron fue la capacidad del sistema nervioso entérico para llevar a cabo un reflejo independiente del control del SNC. A este respecto, el sistema-nervioso entérico es muy similar a las redes nerviosas de las medusas y las anémonas de mar (filo CnJdarla) que fueron presentadas en el capítulo 9 ( i!! p. 293). Usted puede haber visto las anémonas de mar alimentadas en un acuario, Cuando un trozo de camarón o de pez se acerca a los tentáculos, ellos comienzan a ondular, recogiendo los "olores" químicos a través del agua. Una vez que ~ alimento hace contacto

estiramiento? ¿Ya laosmo!aridad? ¿Ya los productos de la digestión?

con los tentáculos, es ditlgido hada la boca, pasando de un -tentáculo a otro hasta que desaparece en la cavidad digestiva. Este reflejo se logra sin un cerebro, ojos ni nariz. El sistema nervioso de la anémona consiste en una red compuesta por neuronas sensitivas, intemeuronas y neuronas eferentes que controlan los músculos y las células secretoras del cuerpo de la anémona. Las neuronas de la red están conectadas de una forma que les permite integrar la información e interpretarla. De la misma forma que una anémona captura su alimento, el sistema nervioso entérico recibe estímulos y actúa sobre ellos. Por lo tanto, el sistema nervioso entérico es capaz de funcionar de forma autónoma, independiente de las señales eferentes del SNC.

Cambios en la motllidad gastrointestinal Ube!ación de bilis y secreciones pa11creática.S Sil tesis/liberación de enzirrr..s, ácklo y bicarbonato Hambre/sadedad

li FIGURA 21·12 Reflejos que involucran péptidos gastrointestinales

denominan a veces no adrenérgicos, no colinérgicos para distinguirlos de los neurotransmisores autónomos tradicionales noradrenalina y acetilcolina. Entre los neurotransmisores y neu-

xos nerviosos del aparato digestivo son aquellas que se ubican completamente dentro de la pared del intestino. Por lo tanto, estas neuronas del sistema nervioso entérko son similares a las_intemeuronas del SNC, (Las neuronas autónomas que llevan señales desde el SNC hasta el aparato digestivo se denominan neuronas extrínsecas.) 2. Neurotransmisores y neuromoduladores. Las neuronas del sistema nervioso entérico liberan más de 30 neurotransmisores y neuromoduladores, la mayoría de los cuales son idénticos a moléculas halladas en el cerebro. Estos neurotransmisores se

romoduladores mejor conoddos se encuentran la serotonína, el péptido intestinal vasoactivo y el óxido IÍÍtrico. 3. Células de sostén. Las células de sostén de las neuronas dentro

del sistema nervioso entérico son más similares a la astroglía del encéfalo que a las células de Séhwann del sistema nervioso periférico. 4. Barrera para la difusión. Los capilares que rodean a los ganglios en el sistema nervioso entérico no son muy permeables y crean una barrera para la difusión que es similar a la barrera hematoencefálica de los vasos sanguíneos cerebrales. 5. Centro inttgradar. Como señalamos antes, los reflejos qUe se originan en el aparato digestivo pueden ser integrados e interpretados sin que las sefiales neurales abandonen el sistema nervioso entérico. Por lo tanto, la red neuronal del sistema nervioso entérico es su propio centro integrador, al igual que el encéfalo y la médula espinal. En una época se creía qu_e, si se pudiera explicar cómo el sistema nervioso entérico integra las conductas simples, se podría utilizar al sistema como modelo para la función del SNC. Pero es di· ficil estudiar la función del sistema nervioso entérico porque los reflejos entéricos no tienen ningún centro de comando separado. En cambio, en un giro interesante, los fisiólogos del aparato digestivo están aplicando la información obtenida de los estudios del encéfalo y la médula espinal para investigar la función delsís· tema nervioso entérico. Las in~~r~cdones complejas entre los sistemas nervioso entérico y nervioso central, el sistema endocrino y el sistema inmunitario prometen proporcionar a los científicos preguntas para investigar durante muchos años por v_enir.

Los péptídos gastrointestinales incluyen hormonas~ neuropéptidos y dtocinas Las hormonas gastrointestinales ocupan un lugar interesante en la historia de la endocrinología. En 1902, dos fisiólogos canadienses, W. M. Bayliss y E. H. Starling, descubrieron que el quiffio ácido que entraba en el intestino delgado desde el estómago produda la liberación de jugos pancreáticos aun cuando se seccionaran todos los nervios del páncreas. Como la única comunicación reman~nte entre el intestino y el páncreas era la irrigación que corría entre ellos, Bayllissy Starlíng postularon la existenda de algún factor transmitido por la sangre (humoran liberado por el intestino.

Desde el punto de vista anatómico yfuncional, el sistema nervioso entérico comparte muchas características con el SNC: 1. Neuronas intrínsecas. Las neuronas intrínsecas de los dos ple-

691

Preguntá 3: . _ _ Algunos iJÍitiád~o~ Contienen _bicarboiláto _de SOdio (NiJHCo;, mientras que. much~s_Otros contienen_ hidr_óxido__de ·71uminio (AI(OH)). Los_·antiá~doS:actftan CQmOtlm~rliguadores _de_ pH, que ayu~an a neutral~arel áddo do_rhf~rico (Ha) _secni~do

por el estómago._ Pará iltnbo_S_~p()S .de a_ftt¡ádcíci~<-escrfbáta ecuadóil qufmica'que m_uestra,de qu~fi!odÓ .los antiácidos amortiguan él pH del ~orh:drico. •.

á¡

~>. ¡·~ ;~, ~illlr%iU'lll

Cuando los extractos duodenaies aplicados directamente en el páncreas estimularon la secreción, supieron que estaban tratando con una sustanda química producida. por el duodeno. Estos autores denominaron a la sustancia secretina. Starling propuso además dar el nOmbre generai de hormona, de la palabra griega que significa "yo excito", a todos los agentes humorales que actúan en un sitio alejado de su liberación. En 1905, J. S. Edkins postuló la existencia de una hormona gástrica que estimulaba la secreción ádda gástrica Los investigadores tardaron más de 30 años en aislar un extracto relativamente puro de la hormona gástrica y fue en 1964 cuando la hormona, denominadagastrina, fue finalmente purificada. ¿Por qué la investigación sobre las hormonas digestivas tuvo un desarrollo tan lento? Una razón importante es que las horma-

1 .

692

Capítulo 21 8 aparato digestivo

... Gastrina

SECRETADO POR

Digestión y absorción

SmO/SOIANA

Células Gen el antro gástrico Células similares a las enterqcromafines; células parfe-

EFECfOS SOBRE LA SECREOÓN ENDOCRINA

EFECTOS SOBRE lA SECREOÓN EXOCRINA

EFECTOS SOBRE LAMOnUDAD

OTROS EFECTOS

Ninguno

Estimula la secreción ádda gástrica

Ninguno

Aumenta la proliferación de Péptl(!os y aminoácidos en las células mucosas la luz; péptido liberador de gastrina y ACh en reflejos nerviosos

pH < 1,5; somatostatina

Estimula la secreción de entimas pancreáticas; potencia la secreción de bicarbonato; inhibe la secreción de áddo

Estimula la contracción vesi· cular para liberar bilis; inh¡.. be la evacuación gástrica; promueve la moti\idad intestinal

EstimUla la saciedad

Ácidos grasos y algunos aminoácidos

Somatostatina

Inhibe la evacuación gástrica

Ninguno

Ácido en el intestino delgado Somatostatina

Ninguno

Saciedad y metabolismo de lfpidos (¿7}

Glucosa, ácidos grasos y al· gunos aminoácidos en el in-

tal"

ESTÍMULO PARA lA UBERACÓN

UBERAOÓN INHIBIDA

693

OTRA INFORMAOÓN

POR

---

Colecistodn!na (CCK}

Células endocrinas del intesti· Ves!tu!a biliar, páncreas, no delgado; neuronas del en· múKulo liso gástrico céfalo y el intestino

Ninguno

Secretina

Células endocrinas en el intestino delgado:

Páncreas, estómago

Ninguno

Péptido inhibitorio gástrico (GIP)

Células endocrinas en el in· testino delgado

Células beta del pi3ncreas endocrino

Estimula la liberación de insulina (mecanismo de preali· ·mentadón)

· Estimula la secreción de bicarQonato; inhibe la secreción ácida gástrica y la gas. trina

Inhibe la secreción de ácido

Algunos efectos pueden deberse a CCK romo neuropéptido más que comO hormona

NO

Inhibición del ácida dudosa en con<entradones fisiológicas

testino delgado

Motltina

Células endocrinas en el intestino delgado

Músculo liso del antro y del duodeno

Ninguno

Ninguno

Estimula el complejo motor migratorio

Acción en el encéfalo (¿1}

Ayuno: liberación periódica cada 1,5-2 horas por el estf. mulo neural

NO

cambios asociados tanto con el estreñimiento como ron la diarrea, pero la relación es poco clara

Péptido 1 semejante

Células endocrinas en el in· test! no delgado

Páncreas endocrino

Estimula la liberación de insulina; inhibe la liberación de glucagón

Posiblemente inhibe la secreción de ácido

Hace más lenta la evacuación gástrica

Saciedad

Comida mixta que incluye hidratos de carbono o grasasen la luz

NO

Relacionado con el glucagón pancreático, pero no es idén-tiro; actúa junto con G!P

alglu~gón

nas del aparato digestivo son secretadas por células endocrinas aisladas dispersas entre otras células del epitelio mucoso. En una época, la única formá de obtener estas hormonas era preparar un extracto Cl1l~o de todo el epitelio, procedimiento que también li· beraba enziffias. digestivas y moléculas paracrinas elaboradas en las células adyacentes. Por lo tanto, era muy difícil dedr si el efec. to fisiológico producido por el extracto provenía de una hormo· na, de más de una hormona o de una señal paracrina como la his· tamlna. Aunque en la actualidad los investigadores han secuenciado más de 30 péptidos de la mucosa del aparato digestivo, sólo atgu. nos de ellos son ampliamente aceptados como hormonas. Algu· nos péptidos tienen efectos paracñnos bien definidos, pero lama· yoría caen en una larga lista de candidatos a hormonas. Además conocemos algunas moléculas reguladoras no peptídicas, como la hi$mina, que funciona como una señal paracrina. Debido a la incertidumbre de este campo, restringitemos nuestro enfoque a las principales moléculas reguladoras. Las hormonas gastrointestinales se dividen en tres familias. Todos los miembros de una familia tienen secuencias de amlnoá· cidos similares y, en algunos casos, existe una superposición en su capacidad para unirse a los receptores.

l. La familia de la gastrina il).duye las hormonas gastiina y cole·

dstodnina {CCK), más distintas variantes de caqa una de ellas. Su sinlllitud estructural significa que tanto la gastrina como la CCK pueden unirse al receptor CCKB' que se encuen· tra sobre las células parietales, y activarlo. 2. La familia de /a seaetitta incluye a la secretina, el péptido intes· tlnal vasoactivo (VIP), una moléa.tla neurocrina (mi! p. 176), y el GIP, una hormona conocida originariamente como péptido in· hibitorio gástrko porque inlul»a la secreción de ácido gástrico en los primeros experimentos. Sin embargo, estudios posteriores in· dicaron que el GIP administrado en dosis fisiológicas más bajas no bloqueaba la secreci6n de ácido. Algunos investigadores propusieron un nuevo nombre con las mismas·inictales-péptido in· sulinotrópico dependiente de glucosa (g/ucose.dependent insuli· notropic peptide) que describe con mayor exactitud la acción de la hormona: estimula la liberación de insulina en respuesta a la glu· cosa en la luz intest:lnaL Sin embargo, en gran medida péptid<J in· híbitoritJ gástrico ha permanecido como el nombre preferido. Otro miembro de la familia de la secretina es la honnona péptido 1 semejante al glucagón (GLP·l), que también desempeña un papel importante en la homeostasis de la glucosa. GIP y GLP·l serán explicados mejor en el capítulo 22.

3. La tercera familia de péptidos contiene aquellos que no se ajustan a las otras dos familias. El miembro prindpal de este . grupo es la honnona motilina. En el cuadro 21-l!m se resumen las fuentes, tos sitios diana y los efectos de algunas de las hormonas del aparato digestivo.

DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN La dlgestión de macrornolérulas en unidades absorbibles se lo-

gra mediante una combinación de degradadón mecánica y enzi. mática {mi: p. 100). La masticación y el batido crean trozos más

pequeñ.os de alimento con una superficie mayor expuesta a las enzimas digestivas. La bilis, mezcla. química compleja secretada por el hígado, cumple un propósito similar al dispetsar los lípidos {más comúnmente denominados grasas en fisiología digestiva), en forma de gotltás finas con una superficie mayor. · El pH al cual funcionan mejor las diferentes enzimas digesti· vas { ~ p. 97) refleja la localización donde son más activas. Las enzimas que actúan en el estómago funcionan bien a pH ácido; aquellas secretadas en el intestino delgado funcionan mejor a pH alcalino.

La mayor parte de la absordón tiene lugar en el intestino delgado, con una absorción adidonal de agua y iones en el intestino grueso. El área de la superficie del intestino se encuentra muy aumentada por la presencia de vellosidades digitiformes {véase Fig.l 21-2d, e) y por el borde en cepillo de células epiteliales creado a partir de muchas mioovellosidades sobre la superficie apical (Fíg. 21-13ilil). Al igual que con la secreción, la absordón de nutrien- " tes y iones a través del epitelio gastrointestinal utiliza muchas de las mismas proteínas de transporte que el túbulo renal. Dentro de "' las vellosidades, los capilares recogen la mayor parte de los nutrientes absorbidos salvo las grasas, que entran en los vasos linfá. ticos llamados vasos quilíferos. la digestión y la absordón no se encuentran directamente re. guiadas, salvo en algunos casos. En- cambio, están influidas fun. damentalmente por la motilidad y la secreción en el tubo digestivo, los dos procesos que a su vez están-regulados por hormonas,. el sistema nervioso y mecanismos de control locales.

Los hidratos de carbono son absorbidos como monosacáridos Aproximadamente el 50% de las calorias que ingiere un esta-

694

Digestión y absorción

Capítulo 21 El aparato digestivo ~Bordeoocepil!o

695

~ (a) Estructura pep!fclica

MJcroveUosidades

Extremó aminoterminal

U.,doo

Amlnoácidos

Enlaces pepticlicos

Extremo . carboxitetminal ! .'

intestino

·~¡

los capilares transportan !a mayor parte Jos nutrientes abSorbidos. ) Las células calfcifO!meS secretan moco.

~

La glucosa entra en la célula con Na+ por el cotranspo¡1ador simportador SGLT y sale por el GLUT2. La fructosa entra por el GLUT5 y sala por el GWT 2.

¡

~~

lü FIGURA 21~14 Digestión de hidratos de carbono

Muscular de la mucosa

cotransportador bidireccional SGLT de Na+-glucosa y un transportador GLUT2 basolateral (Fig. 21-15 IJ). Estos transportadores movilizan la galactosa y la glucosa. Sin embargo, la absorción de fructosa no es Na+-dependiente. La fructosa se moviliza a través de la membrana apical por difusión facilitada sobre el-transportador GLUT5 y a través de la membrana basolateral por GLUTZ (m! . p.l46).

mFIGURA 21-13 Una vellosidad y una cripta intestinal del intestino delgado Las vellosidades y las criptas intestinales aumentan la superficie efectiva del intestino delgado. Las células madre en las criptas intestinales producen nuevas células epiteliales para reemplazar a aquellas que mueren- o son dañadas.

dounidense promedio son en forma de hidratos de carbono, principalmente almíd6n ysacarOsa {azúcar de mesa). 0tr
Si la glucosa-es el principal sustrato metabólico para la respi· ración aerobia, ¿por qué las células epiteliales intestinales no Uti~ !izan la glucosa que absorben para su propio metabolismo? ¿Cómo pueden mantener altas las concentraciones intracelulares de glucosa de modo que la difusión fadlitada movilice la glucosa hada el espacio extracelular? Al parecer, el metabolismo de las células intestinales difiere del de la mayoría de las otras en que las células intestinales no utilizan glucosa como su fuente preferida de energía. AIÍ;unos estudios actuales sugieren que estas Células utilizan el aminoácido glutarnina como su principal fuente de energía, lo que permite que la glucosa absorbida pase sin modificaciones al torrente sanguíneo.

Las'proteínas son digeridas en péptídos pequeños y aminoáddos Al contrario de los hidratos de carbOno, que son ingeridos en formas que varían desde simples a complejas, la mayoría de las

proteínas ingeridas son pOUpéptidos o más grandes ( ~ Fig. 2-9). Sin embargo, no todas las proteínas son igualmente digeribles pa· ralos seres humanos. Las proteínas vegetales.son las menos digeribles. Entre las más digeribles se encuentra la prqteína del hue· vo, el85-90% de la cual se encuentra en una forma que puede ser digerida y absorbida. Es sorprendente que entre el30% y el60% de las proteínas halladas en la luz intestinal no provengan de los alimentos ingeridos sino del desprendimiento de células muertas y de secreciones proteicaS como enz.imas y moco. Las enzimas de la digestión de las pwteinas se clasifican en dos grupos grandes: endopeptidasas (también llamadas proteasas) y exopeptidasas. Las endopeptidasas atacan los enlaces peptídi-

1

2 péptidos más pequeños

1!1 FIGURA 21·15 Absordón de hidratos de carbono en el in·

testíno de(gado cosen el interior de la cadena de aminoácidos y forman fragmentos de péptidos más pequeños a partir de una cadena larga {Fig. 21·16b m). Estas enzimas son secretadas como proenzimas inacti· vas a partir de las células epiteliales en el estómago, el intestino y .el páncreas y son activadas en la luz del tubo digestivo. ~jemp!os de endopeptidasas incluyen la pepsina secretada en el estómago, y la trlpsina y la quimiotripsina secretadas por el páncreas. Las exopeptidasas liberan aminoácidos únicos a partir de los péptidos desde los extremos, uno a la vez {Fig. 21-16c). Las exopeptidasas digestivas más importantes son dos isozimas de lacarboxipeptidasa secretadas por el páncreas. Las aminopeptidasaS desempeñan un papel menor en la digestión. Los productos primarios de la digestión de las proteínas son aminoácidos Ubres, dipéptidos y tripéptidos, todos los cuales ·pueden ser absorbidos. La estructura de los aminoácidos es tan variable que múltiples sistemas de transporte de aminoácidos se encuentran en el intestino. La mayoría de los aminoácidos libres son transportados por proteínas de cotransporte Na+-dependientes similares a las halladas en el túbulo prOXimal del riñón (Fig. 21-17 m). Algunos transportadores de aminoácidos son W dependientes. Los dipéptidos y los tripéptidos son transportados a la célula mucosa utilizando un cotransporte H+-dependiente. Una vez dentro de la célula epitelial, estos péptidos tienen dos destinos posibles. La mayoría son digeridos por peptidasas dtoplasmáticas en aminoácidos, los cuales son luego transportados a través de la membrana basolateral y en la circulación. Aquellos que no son degradados a anmioácidos son transportados intactoS a través de la membrana basolateral. El sistema de transporte que mueve estos péptidos también es responsable de la captación intestinal de ciertOs fármacos, que incluyen los antibióticos betalactámicos, inhibidores de la enzima convertidora de anglotensina e inhibidores: de la trombina.

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~ Aminoácido

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~ Aminoácido

~ Péptklo

B FIGURA 21-16 Enziinas para la digestión de proteínas Las endopeptidasas incluyen pepsina en el estómago y tri psi na y quimotripsina que actúan en el intestino delgado.

Algunos péptidos más grandes pueden ser

absorbidos intactos Algunos péptidos de más de tres aminoácidos son absorbidos por transcitosis ( ~ p. 153) después de unirse a receptores de membrana sobre la superficie luminal del intestino. El descubr_i· miento de que las proteínas ingeridas pueden ser absorbidas como péptidos pequeños tiene implicaciones en medidna porque estos péptidos pueden actuar como antígenos, sustancias que estimulan la fonnación de anticuerpos y prOducen reacciones alérgi· cas. En consecuencia, la absorción intestinal de péptidos puede ser un factor importante en el desarrollo de alergias alimentarias e intolerancias alimentarias. En los redén nacidos, la absorción depéptidos tiene lugar fun. damentalmente en las células de las criptas intestinales (véase Fig. 21-13). En el momento del nacimiento, las vellosidades intestina-

1

696

Capítulo 21 El aparato digestivo

~

Digestión y absorción

o

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Gnmdes gotilas de grasa del

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Triglicérido

Sales

o{ . :.::,::;::~

·.biliares de! hgado

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T~;;k...:,.gotitas de grasa _____ ~-

_¡;¡;, recicladas

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f

oo M/V'IfiN\A + M/V'IfiN\A

697

la llpasa y la colipasa pancreáticas degradan las grasas en monogf~eéridos y ácidos

f graso~~~~~~~ en micelas.

Ácidos grasos libres

mFIGURA 21-18 Los triglicérídos se degradan en monogticé·

Luz del intestino

delgado

rldos y áddos grasos libres arginina -vasopresina), el análogo sintético de la vasopresina. Si se ingiere la hormona natural vasopresina, es digerida en lugar de ser absorbída intacta. Al modificar ligeramente la estructura de la hormona, los científicos crearon un péptido sintético que tiene la miSllJ.a actividad pero que es absorbido sin ser digerido.

Los qul!omicrones son Hberados en el sistema Hnfát!co.

Las sales biliares facilitan la digestión de grasas

ffi FIGURA 21-17 Absorción de péptídos

Después de !a digestión, !as proteínas son absorbidas principal· mente como aminoácidos libres y como dipéptidos y tripépti· dos. AlgunoS péptidos más grandes que trlpéptidos pueden ser absorbidos portransc[tosis. les son muY-pequeñas, de modo qu~ las criptas intestinales- están bien expuestas ai contenido luminal A medida que las vellosidades crecen y las criptas intestinales tienen menos acceso al quimo, las altas tasas de absorción de péptidOs presentes en el momento del nacimiento dec:Unan constamente. Si los padres retrasan la ingesta de pépti-dos que inducen alergias, el intestino tiene la posibilidad -de-madurar, lo que _disminuye la probabilidad de formación de anticuerpos; Uno de los antígenos más frecuentes responsables de las alergias alimentarias es el gluten, un componente del trigo. La incidencia de alergias infantiles al gluten ha disminuido desde la dé-cada de 1970, cuando se les advirtió a los padres que los lactantes no debían ser' alimentados con ceteales a base de gluten hasta que tuvieran v~os meses de vida. En otra aplicación médica, las compañías farmacéuticas han desarrollado fármacos peptídicos indigertbles que puede ser adminlsttados por boca en lugar de en una inyección. Es probable que el ejemplo mejor conocido sea el DDAVP {1--desamino-8-D-

Las grasas y moléculas reladonadas en la dieta occidental in· cluyen trigltcéridos, colesterol, fosfolípidos, ácidos grasos de ca. den¡!. larga y las vitaminas liposolubles ( ~ Fig. 2-8). Casi el90% de nuestras calorías en grasas provienen de los trigllcérldos porque constituyen la forma primaria de los lípidos tanto en las plantas como en los animales. · la digestión enzimática de las grasas es llevada a cabo por li· pasas, enzimas que eliminan dos ácidos grasos de cada molécula de triglicérldo. El resultado es un monoglicértdo y dos áci!ios grasos Ubres (Fig. 21-18 la). Los fosfolípidos son digertdos·por la (os(olipasa pancreática. FJ colesterol libre no necesita ser digerido para ser absorbido. · la d;igestión de las grasas se complica por el hecho de que la mayoría de los lípidos no son particularmente hidrosolubles y por lo tanto fonnan una emulsión espesa de grandes gotitas de grasa en el quimo acuoso que abandona el estómago (Flg. 21-19 m). En el intestino delgado, para incrementar la superficie disponible para la digestión enzimática de l~ grasas, las sales biliares interactúan con los lípidos para degradar la emulsión en partículas más pequeñas y más estables. Las sáles biliares, al igual que los fosfolípidos de las membranas celulares, son anfipáticas (amphi·, sobre ambos lados; patJws, experiencia), con una región hidrófo-ba y una región hidrófila. Las regiones hidrófobas !fe las sales biliares se asocian con la superficie de las gotitas de lípidos {Fig. 2120a W) mientras que las cadenas laterales polares interactúan con el agua, creandq una emulsión estable de pequeñas gotitas de grasa hidrosoluble (Fig. 21-1? @).Se puede ver una emulsión similar cuando se sacude un frasco de aderezo para ensalada para combinar las capas oleosa y acuosa. Sin embargo, el revestimiento de sales biliares de la emulsión intestinal complica la digestión porque la lipasa es incapaz de pe-

WFIGURA 21-19 Digestión y absorción de grasas

netrar las sales biliares. Por lo tanto, la digestión de grasas también requiere colipasa, un cofactor proteico secretado por el páncreas. la colipasa desplaza algunas sales biliares, lo que permite el acceso de la lipasa a las grasas del interior del revestimiento de sales biliares {Flg. 21-19 ®).A medida que prosigue la digestión enzimática y mecánica, ácidos grasos, sales billares, monoglicéridos, fosfolípidos y colesterol forman pequeftas micelas dlscoideas ( ~ p. SS). Luego,-las micclas entran en la capa acuosa próxima a las células absortivas (enterocitos} que revisten la luz del intestino delgado. Como las grasas son Iipófilas, son absorbidas fundamentalmente por difusión simple. Los ácidos grasos y los monoglicérldos ~en de sus m!celas y difunden a través de la ~embrana api-

cal en las células epiteliales (Fig. 21-19 ®).El colesterol es transportado a través de la membrana apical en un transportador de membrana especifico dependiente de energía. Una vez en el citoplasma de una célula epitelial intestinal, los monoglicéridos y los ácidOs grasos se mueven hacia el retículo endoplásnÍico liso, donde son Iesintetizados en triglic:éridos (Fig. 21-19 @). Los triglicértdos se combinan luego con colesterol y proteínas en grandes gotitas llamadas quilomkrones. Debido a su tamafto, los quilomicrones deben ser empaquetados en vesículas secretoras y abandonan la célula por exodtosis. Una vez en el espado extracelular, el gran tamafto de los quilomicrones impide que <:rucen la membrana basal que rodea los capilares (Fig. 21-19 ®).En cambio, los quilomlcrones son absor·

1

698

Capítulo 21 El aparato digestivo

la fase

(a) Las sales biliares CtJbren a !os lipictos pam fonnar emulsiones.

Las cadenas de la cara polar qa hidróffia

La cara hidrófoba se relaciona con !fpidos. se relaciona con agua)

{b} Las micelas son discos pequeños con sales biliares, fosfo!ípidos,

ácidos grasos, colesterol ymonoglicéridos o dlglicéridos.

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'o§D ,~. ~-='•"' NJi; . ."'''

~~~ Col.,forol

. . Fosfolípidos Monog!icérido

~FIGURA

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Diglicér!do

21-20 Los papeles de las sales biliares en e!J1ulsio-

nes y micetas bidos en los vasos quilíferos, los vasos linfáticos de las vellosidades (véase fig. 21-13), Los quilomicrones atraviesan el sistema lin-. fátfco y finalmente entran eil la sangre venosa inmediatamente antes de que fluya en el-corazón ( §'! p. 519). Algunos ácidoS grasos más cortos (10 carbonos o menos) no se unen a Jos quilomicrones. Por lo·tanto, estos ácidos graso_s pueden a.travesar la membrana basal capilar y dirigirse directamente a la sangre.

1

·Los ácidos nudeicos son digeridos en bases nitrogenadas y monosacáridós Los polímeros de ácidos nucleícos DNA y RNA constituyen sólo una parte muy peqUeña de la mayoría de las dietas. Ellos son digeridos por enzin:ias pancieáticas e intestinales, primero en sus nucleótidos componentes y luego en bases nitrogenadas y monosacáridos ( ii.ii! Ftg. 2-11). Las bases son absorbidas por transporte activo, y los moti.osacáridos son absorbidos por difusión facilitada y transporte activo secundario Similar a otros azúcares simples.

El inteSti(I_O absorbe vitaminas y minerales En general, las vitaminas liposolubles (A, D, E y K) son absorbidas en el intestino delgado junto con las grasas, una Iazón de ·

cefálica

699

resumen de los principales eventos que ocurren en cada sección del aparato digestivo. El procesamiento de los alimentos se divide tradidonairñ.ente en tres fases: una tase cefálica, una fase gástrica y una fase intestinal. Ahora que los nutricionistás han déterminado que la dieta ocd~ dental típica contiene demasiada grasa, muchos consumidores quieren reducir la cantidad de grasas de sus dietas sin abandonar su sabOr" y su textura. En Consecuencia, los fabricantes de alimeritos han estado fabrica nao ·sustitUtos parii las grasas de bajas calorlas. eñ.'1996, un suStituto las grasaS llamado O!estra® fue aprobado por la Food and Drug Administration {FDA), O!estra es un poliéster de sacarosa: una molécula de sacarosa con 6-8 ácidos grasos unidos a ella. Esta disposición inusUal de sustancias naturales tiene sabor simílai' YproduCe la "se_nsación"-de !aS_gr~as de _!_a dieta pero río pue¡:le,s_er:digei"i_da· por 'aS enzimaS inteStinales ni absOrbida a traVés del. epitelio. intestinal. AlimentoS que ~ontíerl"én OieStra tUeron·ilítfoduddOs con consi- ' der
. RElllSfÓN

· ·a. las recetas para !a terapia de rehidratación ora! do· méstica habitualmente incluyen azúcar {sacarosa) y sal de mesa. Explique de qué modo la sal aumenta la absorción intestinal de glucosa.

de

por qué los profesionales sanitarios están preocupados por el consumo excesivo de "grasas falsas" que no se absorben (véase el recuadro sobre Olestra). Las vitaminas hidrosolubles (C y la mayoría de las vitaminas B) son absorbidas por transporte mediado. La principal excepción es la vitamina Bu, también conocida como cobaútrnina. Las bacteria$ producen esta vitamina, pero nosotros obtenemos la ¡p.ayor parte de nuestro aporte de los mariscos, la carne y los productos lácteos. El transportador intestinal para la vitamina B12 se encuentra sólo en el fleon y sólo reconoce a esta vitamina cuando forma complejos con una proteína llamada factor intrínseco, secretado por el estómago. En general, la absorción de minerales se produce por transporte activo. El hierro y el calcio son dos de las pocas sustancias cuya absorción intestinal está ligada a su concentración en el cuerpo. Para ambos minerales, la disminución en las concentraciones corporales del mineral conduce a una mayor captación en el in· testino. El hierro es ingerido como hierro hemo (~p. 595) en lacar· ne y como hierro ionizado (Fel+) en algunos pr9ductos vegetales. El hierro hemo se absorbe más fácilmente, pero no se conoce bien el mecanismo por el cual es absorbido: E! hierro ionizado es absorbido activamente por cotransporte apical con H+ o pOI unión a la trans(errina lumínal ( ~ p. 544), formando un complejo que es captado en la célula por endocitosis. El mecanismo por el cual el FeZ+ abandona los enterocitos es poco claro. La mayor parte de la absorción de CaZ+ en el intestino ocurre por movimiento pasivo y no regulado a travéS de vías paracelulares. El transporte de eaz.. transepitelial regulado por hormonas

9. ¿las sales biliares digieren los triglicéridos en monogli+ · céridos y ácidos grasos libres? Respuestas en !a p. 715

LA FASE CEFÁLICA

~a+:::~;~

1 c_é!ulas p::~-!t~:~ vlas.

~.La Na+-K:~;;;: ~mbea

J· __N~ hacia ellf~~-i,do extracelular,

B FIGURA 21-21 Reabsorción de NaCI en el intestino delga-

doy el colon Una parte importante de la reabsorción de Na+ en el intestino delgado también se realiza a través de la captación de so!utos orgánicos acoplados con Na+ a través de la membrana apical (no se muestra en !a figura).

tiene lugar en el duodeno. El caldo entra en el enterocito a través de canales de Ca2+apicales y es transportado a~vamente a través de la membrana basolateral por una Ca2+·ATPasa o por un rotransportador bidireccional de Na+-Ca+. El balance de caldo es descrito en detalle en el capítulo 22.

Los intestinos absorben iones y agua La mayor parte de la absorción de agua tiene lugar en el intestino delgado; otros 500 mililitros adicionales por día son absorbidos en el colon. Como sucede con la secreáón de líquido intestinal, el agua sigue los gradientes osmóticos creados por la abSor· ción de solutos. Los enterocitos del intestino delgado y los colonocitos, las células epiteliales sobre la superficie luminal del colon, absorben Na+ utilizando tres proteínas de membrana (Fig. 21-21lllll): los canales de Na+ apicales, el cotransportador simportador de Na+·Cl-yel contratransportador bidireccional de Na+-H+, En el intestino delgado, una fracción importante de la absorción de Na+ también tiene lug;u a través de la captación de solutos orgánicos Na+-dependiente, como los t;:ansportadores SGLT y de Na+-aminoácidos (véanse Figs. 21-15 y 21-¡7). Sobre la c;ua basolateral de enterodtos y colonocitos, el transportador principal para el Na+ es la Na..-K+-ATPasa. La captación de cloruró utiliza el contratransportador bidireccional de Cf"".HC03- apica! y un canal de CI- basolateral. La absorción de potasio en el intestino ocurre por la vía paracelular. En el resto de este capítulo seguiremos el alimento cuando atraviesa ei: aparato digestivo. Como anticipo vea la figtna.21·22Rf, un

Los procesos digestivos del cuerpo comienzan aun antes de que el ?funento entre en la boca. Simplemente oler, ver o incluso pensar en el alimento puede hacer que nuestra boca se haga agua y nuestro estómago haga ruidO. Estos reflejos largos que comienzan en el encéfalo crean una respuesta por prealimentación conocida como la fase cefálica de la digestión (Fig. 21-23 !2'1). Los estímulos anticipa torios y el estimulo del alimento en la cavidad oral activa~ neuronas del bulbo raquídeo. Por su parte, el bulbo raquídeo envía una señal eferente a través de neuronas autónomas hacia las glándulas salivales y a través del nervio vago hada el sistema nervioso entérico. En respuesta a estas señales, el estómago, el intestino y los órganos de las glándulas accesorias comienzan la secreción y aumentan la motilidad en anticipación del alimento que va a llegar.

La digestión qUímica y mecánica comienza en la boca Cuando el alimento entra por primera vez en la boca, se encuentra con una inundación de la secredóri que llamamos saliva, La secreción salival se encuentra bajo control autónomo y puede . ser desencadenada por múltiples estímulos, que íncluyen la vista, el olfato, el tactO e incluso el pensamiento del alimento. El agua y el moco en la saliva ablandan y lubrican el alimento para facilitar su deglución. Usted puede apreciar esta función si alguna vez intentó deglutir una galleta salada sin masticarla bien. La saliva también disuelve el alimento para que podamos saborearlo. La saliva comienza la digestión química con la secreción de amilasa salival y una cantidad muy pequeña de lipasa. La amilasa divide el almidón en maltosa después de que la enzima es activada por el Ct" en la saliva. Si usted mastica una galleta no salada por mucho tiempo, podrá detectar la conversión del almidón de la harina de la galleta en maltosa, que es más dulce. La función final de 13. saliva es la protección. La lisoziJJUl es una enzima salival antibacteriana, y las inmunoglobulinas saliva. les inactivan bacterias y virus. Además, la ·saliva ayuda a limpiar los dientes y a mantener la lengua libre de partículas alimentarias. La digestión mecánica del alimento comienza en la cavidad oral con la masticación. Los labios, la lengua y los dientes contribuyen a la masticación del alimento, lo que crea una masa húmeda y reblandeáda (bolo) que puede ser deglutida fácilmente.

700

Capítulo 21 El aparato digestivo

la fase gástrica La vista, el ólfato, el gusto y el pensamiento del alimento Inician !os reflejos !ruges qua preparan el estómago

REFERENCIAS M:moblklad

S: secrecl6n O: digestión k. absoroi6n

CAVIDAD ORAL Y ESóFAGO

701

la lengua empuja el bolo contra el paladar blando y !a parte posterior de la boca, lo que desencadena .el reflejo deglutorio.

M: deglución, masticación S: saliva (glándulas salivales), lípasa D: hidratos de carbonO, grasas (pooo) A: nada

Paladar blando

ESTÓMAGO

esofágico wperior

M: mezcla y propulsión furu:lamentalmente por

segmentación

Luz do

8 esffnter esofágico superior se relaja

S: enzimas, HCO:r y eozlmas (páncreas), bilis (higado}, moco {células calicifonnes), honnol1as: CCK. secre!ina, G!P y otras D: hidratos de carbono, grasas, polipéptidos, ácidos nuc!ek:os

mientras !a epiglotis sa cierra para mantener el material deglutido fuarn. de !as vfas aéreas

INTESTINO GRUESO M: mezcla segmentarla; movimiento masivo pam

!apropulslón

Esffnteres :males--+---

1!!1

S: moco {células caliciformes} D: nada {excepto por las bacterias) A: lenas, agua, minerales, vitaminas y pequeñas moléculas orgánicas producidas por las bacterias

FIGURA 21~22 ~esumen de motilidad, secreción, digestión y absordón en diferentes regiones del aparato digestivo

·.·a -.alimento se mueve hacia abajo en el esófago, !as

T

ImpUlsado por

La deglución mueve el alimento desde la boca hasta

entre el esófago y el estómago. Cuando el alimento es deglutido, la

e/ estómago

tensión se relaja, lo que permite que el bolo pase al estómago. Si el esfínter esofágico inferior no permanece contraído, el ácido gástrico y la pepsina pueden in:itar- el revestimiento del esófago, lo que ptoduce el dolor yla irritación en la pirosis. Las paredes del esófago se expanden durante la inspiración, cuando la. presión intra· pletual cae ( ¡¡¡¡¡ p. 572). La expansión crea una presión subatmosfé.. rica en la luz esofágica y puede aspirar el contenido ácido fuera del estómago si el esfínter está relajado. La acción de batido del estómago cuando se llena con alimentos también puede llevax ácido hada atrás en el esófago si el esfínter no está complet.!Inente contrafdo.

La deglución es una acción refleja que .empuja un bolo de ali· mento o líquido hada el esófago (Fig. 21·24 m}. El estímulo para la deglución es la presión creada cuando la lengua empuja el bo. lo contra el paladar blando y el dorso de la bóca. La aferencia sensitiva hada el centro de la deglución en el bulbo raquídeo comienza el reflejo. Primero, la epiglotis cierra el orificio de la laringe para eVitar que el alimento y el líquido entren en las vías aéreas. Al mismo tiempo, se inlube la respiración y el esfínter esofágico superior se relaja a medida que el bolo entra en el esófago. Las ondas de contracción peristáltica empujan luego el bolo hacia el estómago, ayudadas por la gravedad. Sin embargo, la gravedad no es un requerimiento, como lo sabe si alguna vez ha tragado algo estando parado de cabeza. El ~o inferior del esófago se ubiéa inmediatamente por debajo del diiliagma y está separado del estómago por el esfinter esofágico infeP,or.. Éste no es un verdadero esfínter sino una región con. una tensión muscular xelativamente alta que actúa como barrera

1

ondas peristálticas

y ayudado por la gravedad.

REFERENCiAS

O Estimulo ·o Receptor

~ Vmeferenta ~ ReSpuesta tisular

~ Integrado( '«!/!

=+- Reflejo corto

""'""

1

€i!) E"""'

L ..J Vmaferente

-+ Reflejo !algo

S FIGURA 21·23 ReflejOs largos y cortos de las fases cefálica

y gástrica de la digestión

LA fASE GÁSTRICA Aproximadamente 3,5Iitros de alimentos, bebidas y saliva entran en el fondo del estómago cada día. mestómago tiene tres funciones generales: l. Almacenamiento. El estómago almacena alimentO y regula su pasaje al intestino delgado, donde tiene lugar la mayox parte de la digestión y la absotción.

9 FIGURA 21 24 El reflejo deglutorio 8

702

Capítulo 21 El aparato digestivo la fase gástrica

2. Digestión. El estómago digiere química y mecán1Camente el alimento en una mezcla con consistencia de sopa de partículas uniformemente pequeñas llamadas quimo. 3. Protección. El estómago protege al cuerpo destruyendo muchas de las bacterias y ottos patógenos que son deglutidos con el alimento y atrapados en el moco de la vía aérea. Al mismo tiempo, el estómago debe protegerse de ser daftado por sus propias secreciones.

T1Fos celulares

Cuando llega el alimento, el estómago se relaja y distiende para contener el aumento de volumen. Este ·reflejo mediado neurológicamente se denomina relaj_ad6n receptiva. la mitad superior del estómago se mantiene relativamente inactiva, conteniendo el alimento hasta que está listo para ser digerido. La función de almacenamiento del estómago es tal vez el aspecto menos evidente de la digestión. Pero considere que cada vez que ingerimos más de lo que necesitamos desde el punto de vista nutrtcional, el estómago debe regular la velocidad a la cual el alimento entra en el intestino delgado. Sin es~ regulación, el intestino delgado no seria capaz de digerir y absorber la carga que se le presenta, y cantidades importantes de quimo no absorbido pasarían al intestino grueso. El epitelio del intestino grueso nq está diseñado para la absorción de nutrientes a gran escala, de modo que la mayor parte del quimo deberla evacuarse con "las heces, lo que producirla dianea. Este "síndrome d~.evacuación rápida" (dumping) es uno de los efectos colaterales máS desagÍadables de la cirugía que extirpa porciones del estómago o del intestino delgado. Mientras el estómago superior contiene_ el alimento, el estómago inferior está orupado con la digestión. En la mitad distal del estómago, una s_erie de ondas peristálticas empujan e1 alimen. to hacia abajo en dirección a la válvula del píloro, mezclando el alimento con el ácido y las ~as digestivas. A medida que se digieren las partículas alimentarias grandes y se forma una mez.. da más unlforme de quimo, cada onda contráctil lanza una pequeña cantidad de qUimo a través de la válvula pilórica dentro del duodeno. El aumento de la motilldad gástrtca durante una comida éstá fundamentalmente bajo ·el conttol neural y es estimulado por la distensión del estómago.

El estómago secreta áddo, enzimas y moléculas señal Cuando el alimento entra en el estómago, el :reflejo vagal cefáliCo·por prealimentadón dispara la secreción gástrica._ Las distintas secreciones, los estímulos para su· liberación y sus fundo-

Función tle la secreción

Moro

Bicarbonato

Aun antes de que el alimento llegue, la actiVidad digestiva en el estómago comienza con el reflejo vaiallargo de la fase cefálica. Luego, cuando el alimento entra en el estómago, los estímulos de la luz gástrica inician una serie de reflejos cortos que constituyen la fase gástrica de la digestión. En los reflejos de la fase gástrica, la distensión del estómago o la presencia de péptidos o aminoácidos en la luz activan las células endocrinas y las neuronas entéricas. Luego, las hormonas, las secreciones neurocrinas y las moléculas. paracrinas influyen en la motilidad y la secreción.

El estómago almacena alimento

703

c..nes están resumidos en la figura 21·25 m!. La digestión química en el estómago se logra del siguiente modo: Las células parietales en la profundidad de las glándulas gástticas secretan ácido clorhídrico (HCI), que ayuda a destruir las bacterias y otros microorganismos ingeridos. El áctdo también desrmturaliza las proteínas ( ái p. 31), destruyendo su estructura t~aria al romper los puentes disuifuro e hidrógeno. El desplegamiento de las cadenas proteicas permite que los enlaces peptídicos entre los aminoácidos sean accesibles a las enzimas. Las células parietales secretan factor intJinseco. Como señalamos antes, el factor intrínseco forma complejos con la vitamina B12 y es esendal para la absorción de esta vitamina en el intestino. En ausencia de factor intrínseco, la deficienda de vitamina B12 conduce al trastorno conocido como anemia pernidosa. En este estado,. la síntesis de eritrocitos (eritropoyests), que depende de la vitamina B121 está gravemente disminuida. La falta de factor intrínseco no puede ser :remediada directamente, pero los pacientes con· anemia perniciosa pueden recibir inyecciones de vitamina B12• Las células principales en las glándulas gástrtcas secretan la enzima inactiva pepsinógeno. El pepsinógeno es escindido para formar pepsina activa en la luz del estómago por acción del H+. La pepsina es una endopeptidasa que lleva a cabo la digestión inicial de las proteínas. Es particularmente eficaz sobre el colágeno y, por lo tanto, desempeña un papel importante en la digestión de la carne. La lipasa gástrica es secretada simultáneamente con pepsina Sin embargo, menos del lO% de la digestión de las grasas tiene lugar en el estómago. La digestión de los hidratos de carbono que comenzó en la boca continúa en el estómago hasta que la mezcla expone la amilasa al ácido gástrico. La amilasa salival se inactiva a pH bajo.

Una vez que el alimento entra en el estómago, las moléculas señal de la fase gástrica promueven !a secreóón gástrica y el au· mento de la motilidad:

mFIGURA 21-25 Actividad de las células secretoras de la mucosa gástrica Las células D, que están estrechamente asociadas con las células parietales, secretan el paracrino somatostatina, Las células similares a las enterocromafines secretan el paracrino histamina. Las células G, que se encuentran en la profundidad de las glándulas gástricas, secretan la honnona gastrina. La hberadón de gastrina es estimulada por la presencia de aminoácidos y péptidos en el estómago, pOr la distensión del estómago y por los reflejos nerviosos mediados por el péptido liberador de gastrina. El café (aun el descafeinado) también es un buen estimulante de la h"beradón de gastrina, y es una razón de por qué se aconseja evitarlo a los individuos que tienen síndromes de exceso de secreción ácida, La liberación de gastrina es inhibida por la somato~tatina y por un pH luminal por debajo de 1,5.

la luz, el ácido convierte el pepsinógeno en pepsina y comienza la digestión de las proteínas. El ácido. también dispara la hberadón de somatostatina de. las células D @. La somatostatina actúa mediante retroalimentación negativa para inhibir la secreción de ácido gástrico, gastrina y pepsinógeno.

El estómago _equilibra dlgestión y protecdón

En condiciones normales, la mucosa gástrica está protegida de la autodigestión por una barrera de moco--bicarbonato. Las células mucosas en el ruello de las glándulas gástricas secretan ambas sustancias. El moco forma una barrera fisica y el bicarbonato crea una barrera química de amortiguadores de pH debajo del moco (Fig. 21-2711), Algunos investigadores que Utilizan microe. lectrodos han mostrado que la capa de bicarbonato que se en-~ La función coordinada de la secrectón gástrica se muestra en cuentra inmediatamente por encima de la superficie celular en el la figurn Zl-Z61ik estómago tiene un pH que está próximo a 7, aun cuando el pH en ~ la luz es altamente ácido y llega a 2. La secrectón de moco aumen. ta cuando el eStómago está irritado, como por la ingestión de as-En un reflejo cefálico, las neuronas parasimpátícas del nervio pirina (áctdo acetilsalicilico) o alcohol. _ vago estimulan a !as células G a liberar gastrina en la sangre La barrera de moc
704

la fase intestinal

capítulo 21 El aparato digestivo

ción de GIP alcanza estos niveles con una comida normal. Tanto GIP como GLP·l efectúan una prealimentación y promueven la liberación de insulina por el páncreas endocrino. La mezcla de ácido, enzimas y alimento digerido en el quimo habitualmente forma una solución híperosmótica. Los osmorreceptores de la pared intestinal son sensibles a la osmolari· dad del quimo que entra. Cuando los receptores son estimulados por la alta osmolaridad, inhiben la evacuación gástrica en un reflejo mediado por alguna sustancia desconocida de transmisión bemática.

é "ta 9~::;:~~·~secreclónácida por acción directa sobre las células parietales o indirectamente a través .de la histam!na.

-·---·

Una vez que el alimento entra en el intestino delgado, es impul· sado lentamente hada adelante por una combinación ·de contrae· dones de ondas lentas, segmentarlas y peristálticas. Estas acdones mezclan el quimo con las enzimas y exponen los nutrientes, digeridos a la mucosa para la absotdón. El movimiento anterógrado del quimo a través del intestino debe ser Jo suficientemente lento ca.. mo para permitir que la digestión y la absorción se completen. La irtervación parasimpática,la gastrlna y la CCK promueven la motllldad intestinal; la inervadón simpática la inhibe.

8 ácldo estimula la secreción por ~ejos cortos de pepslnógeno.

la flberaclón de somatostatina por H+ es la serial da retroalimentaCión negativa que modula la liberación da ácldo y pepsina.

......,....,

........ ..

El bicarbonato en el intestino delgado neutraliza el

mFIGURA 21~27 La barrera de moco~bicarbonato de la mu~

cosa gástrica

~""""" W integrador @ü)

Vla eferente

mi FIGURA 21~261ntegradón de la secreción en fase Cefálica y gástrica en el estómago

La fase cefálica se in ida al ver. oler, ofr o pensar en alimentos o por la presencia del alimento en la boca. La fase gástrica se inicia por !a llegad~ del alimento a! estómago.

cobacter pylari, una bacteria que crea inflamación de la mucosa gástrica (véase Temas Relacionados de este.capítulo). Durante muchos años el tratamiento primario para el exceso de secreción ácida o dis.pepsia era la iÍlgestión. de antiácidos, agentes que neutralizan ácido en la ~uz gástrica. Pero a medida que los . biólogos moleculares·exploraron el mecaniSmo para la secreción de ácido por las células parietales,. se hizo obvio el potencial de nuevos tratamientOs. Actualmente tenemos dos clases n~evas de fármacos para luchar.contra la hiperacidez: los antagonistas de los receptores Hz (cimetidina y raniditina, por ejemplo) que bloquean la acciQn-de la histamina y los inhibidores de la bomba de protimes (PROTON POMP INHIBITORS-PPn, que bloquean a la H+· K+-ATPasa (omeprazol y lansoprazol, por ejemplo).

1

El estómago de Tonfc¡ todavla le dolla esa noche •. Su-compafiera de cuarto le sugirió probar uno de los nuevos "bloqueanteS de ácidos" que habfa_visto en publjcidadesde !a TV. Estos_ fármacos se _i::on:Óten nlás"CO'rrectamente"i::oinó anfagOnistas ·de !oúetéptóres de_la_histamlri~ p'orqtie se ~nen 'Conlpetitiitni_érite_COnioireceptoi-es H2 histamfn!cos en las célulaS Partetates:--Afortu.nada- . mente,·la tompafiera de habitaclór{d: Tonya·terifa· Uri".paq_Uete de estos fármacOs; óos hoTas deSpUés_ de recibir· et fánmico; Sonya Se sintió muchO rilej-or.' · Pre_gunta:. __ : ___ .. ·- -.'-: -;- - -·. ___ -,.< -_o.:,· -. ¿De qúé mÓdo:ét .bfo!J_uéo _de téJs_:r~ptOrtis_ histainfn,iCJJS. H2

LA FASE INTESTINAL El resultado de la fase gástricá es la digestión de proteínas en

el estómagO por·la pepsina la formación del quimo-por acción de la pepsina, el ácido y las contracciones peristálticas y el control del ingreso de quimo en el intestino delgado, donde continuará

detiene la produCción.·.··..{,e . áa··.··.·. o

p

705

en ~1 esfémago?.

·

la digestión y la absorción. Una vez que el quimo entra en el in· testino delgado, comienza la fase intestinal de la digestión. La iniciación de la fase intestinal dispara una serie de retléfos de retroalimentadón que regulan el ritmo de_ in.gre'so de quimo desde el estómago y de prealimentadón que promueven la digestión, la motilidad y la utilizadón de nutrientes. Las señales de retroalimentación para el estómago son tanto neurales como hormonales (Fig. 21·281il): El quimo en el intestino activa el sistema nervioso entériéo, el cual disminuye la motllidad gástrica y la secreción. Ad~,­ tres hormonas refuerzan la señal de retroalimentadón: la secretina, la colecistocinina {CCK) y el péptido inhibitorio gástrico (GIP} (véase cuadro 21~1). La secretina es liberada por la presencia de quimo ácido en el duodeno. La secretina inhibe la producdón de ácido y la motilidad gástrica, retardando el vadado gástrico. Además la secretina estimula la producción pancreática de HC03- para neutralizar el quimo ácido que ha entrado en el intestino. Si una comida contiene grasas se secreta CCK en el torrente sanguíneo. La CCK también disminuye la motilidad gástrica y la secreción de ácido. Como la· digestió1;1 de grasas es más lenta que la de. los hidratos de caxbono o de las proteínas, es fundamental que el estómago permita que sólo entren pequeñas cantidades de grasas en el intestino a la vez. Si la comida contiene hidlatos de carbono, se liberan las fwmw.. nas inaetinas GIP y péptido 1 semejante al glucagón (GLP-1). Experimentalmente, grandes dosis de GIP inhiben la seCreción á~da gástrica, pero existen ~ dudas a~ ·de si la libera-

áádo gástrico Alrededor de 5,5 litros de alimento, liquido y secreciones en~ tran en el intestino delgado cada día y aproximadamente 3,5 li· tros de secrecta:nes hepática, pancreática e intestinales se agregan allí, lo que constituye un ingreso total de 9 litros en la luz (véase Fig. 21·5). Las secreciones agregadas incluyen bicarbonato, moco, bilis y enzimas digestivas. La secreción de bicarbonato en el intestino delgado neutraliza el quimo altamente ácido que entra desde el estómago. La ma-

yor parte del bicaxbonato proviene del páncreas y es liberado en respuesta a estímnlos neumles y secretina. Las células caliciformes intestinales secretan moco para prOtección y lubricación. La hbe!ación de bilis en el intestino ocune cuando la CCK estimula la contracción de la vesícula biliar luego de la ingestión de grasas. Las sales biliares no se modifican durante la di-~ gestión de grasas. Cuando alcanzan la sección terminal del in· testino delgado (el íleon), encuentran células que las trans· . portan nuevamente hada la circulación. Desde allí, retoman al hígado, Son captadas nuevamente en los hepatodtos y resecretadas. Esta redrculadón de sales biliares es esencial para la digestión de las grasas porque el pool de sales biliares del . cuezpo debe ciclar desde dos a cinco veces para cada comida. La bilinubina y otros desechos secretados en la bilis no son reabsorbidos y pasan al intestino grueso para su excreción. Las enzii1UlS digestivas son producidas por el epitelio Intestinal y las células atinares del páncreas e>;ocrlno. Las enzimas del borde en cepillo, que Incluyen peptidasas, disacarldasas y una proteasa llamada enteropeptidasa (antes llamada enterocinasa), están unidas a la membrana luminal del enterocito y no son barridas del intestino delgado a medida que se impulsa el quimo bada adelante. Las sefiales para la liberación de las enzimas pancreáticas incluyen la distensión del intestino delgado, la presencia de

706

capítulo 21 E! aparato digestivo REFERENCIAS

,..

''~-

Estimulo

'1

la fase intestinal

707

Luz del Intestino delgado

~ Vfa eferente ~~-----

ESTÓMAGO

''

''

----~

'' ''

CJ Respuesta tisular

L ___,,.....

------,''

INTESTINO

DELGADO

mAGURA 21-29 Activadón de los dmógenos pancreáticos Las enzimas inactivas secretadas por el páncreas son activada~ en una cascada. El tripsinógeno es transformado en tripsina por la enteropeptidasa del borde eÍl cepillo; la tripsina activa luego otras enzimas pancreáticas.

PANcREAs

La digestión de hidratos de carbono en el intestino delgado termina convirtiendo los polisacáridos digeribles y los disacáridos en monosacáridos que pueden ser absorbidos. La amilasa pancreática sigue digiriendo el almidón en maltosa. La maltosa y los disacáridos de los alimentos, como sacarosa y lactosa (azúcar de la leche), son digeridos por la disacaridasa apropiada del'borde en cepillo hasta sus productos terminaleS absorbibles: glucosa, galactosa y fructosa. Las grasas llegan al intestino delgado en forma de una etnul· · slón de gota gruesa. En el duodeno, las sales biliares revisten las gotitas de grasa para estabilizarlas de modo que la lipasa pancreática pueda digerirlas. El colesterol y los áddos grasos son absorbidos como se describió antes.

mFIGURA 21-28 Efectos de los eventos de la fase intestinal sobre la fundón gástrica La presencia de quimo en el intestino delgado produce la secreción de hormonas y reflejos neurales que inhiben por retroalimenta-

ción la motilidad y la secreción gástricas. alimentos en el intestino, las señales neurales y la hormona CCK. Las enzimas pancreáticas entran en el intestino en un liquido acuoso que taníbién contiene bicarbonato. En su mayoría son_~ecretadas como cimógenos que deben ser activados a su llegada al !JlteStino. Este proceso de activación es una caso cada que comienza cuando·1a enteropeptidasa del borde en cepillo convierte el tripsinógeno inacti~o en tripsina activa (Fig. 21-29 m). La tripsina convierte luego los otros cimógenos pancreáticos en _sus formas· actiVas.

1

La mayor parte de/liquido es absorbida en

el intestino delgado De los 9 litros que entran en el intestino delgado cada día, la mayor parte (7,5litros) se reabsorben aquí. El transporte de nutrientes orgánicos y iones, que tiene lugar principalmente en el duodeno y el yeyuno, crea un gradiente osmótico para la absor· ción de agua. La mayor parte de los nutrientes absorbidos se mueven hada)os capilares en las vellosidades y desde allí al sistema porta hepático ( i1 p. 460). Esta región especializada de la circula· dón tiene_dos conjuntos de lechos capilares: uno que recoge los. nutrientes absorbidos en el intestino y otro que lleva los nutrien-

tes directamente al hígado (Fig. 21-30 il). La mayor parte de las grasas digeridas entra en el sistema linfático en lugar de.hacerlo en la sangre. El hecho de que las sustancias absorbidas sean llevadas directa· mente al hígado destaca la importancia de ese órgano como filtro biológico. Los hepatocitos contienen distintas enzimas, como las isoenzimas del dtocromo p450, que metabolizan fármacos y xenobióticos y los eliminan del torrente sanguíneo antes de que alcancen la circulación sistémica. La depuración hepática es una razón de poi qué a menudo un fármaco admi.niStrado por boca debe dar· se en dosis mayores que cuando se administra por infusión IV.

·c.R~c!Í'ISIÓN

i{t\\.,,f(¡-fo. Mencione las acciones de la CCK sobre el aparato di· ~f;Y' gestlvo, y explique cómo estas funciones se coordinan para promover la digestión y absorción de grasas. Respuesta en la p. 715

La mayorparte de la digestión ocurre en el intestino delgado · El quimo que entra en el intestino delgado ha sufrido relativamente poca digestión químlca. La digestión proteica se inició en el estómago, pero la pepsii).a que entra en el intestino delgado es pronto i.nactivada con un pH intestinal más alto. Las proteasas pancreáticas y al menos 17 proteasas y peptidasas adicionales en el borde en cepillo continúan la digestión proteica, creando pe· queños péptidos y aminoácidos libres que pue~en ser absorbidos.

El intestino grueso concentra los desechos para la excrea'ón iíl FIGURA 21~30 Sistema porta hepático la mayoria de los nutrientes absorbidos por el intestino atravie-

san el hígado, que sirve como filtro que Puede eliminar-los xenobióticos potencialmente nocivos antes de que entren en la circulaC¡ón sistémica.

En el íleon terminal queda sólo alrededor de 1,5litros de quimo no reabsorbido. El colOn absorbe la mayor parte de este volumen, de modo que normalmente sólo alrededor de 100 mililitros de agua se pierden diariamente en las heces. El quimo entra en el intestino grueso a través de la válvula ileocecal. Se trata de una región con un engrosamiento del músculo que estrecha el orificio entre el íleon y el ciego, la parte inidal del intestino grueso (Fig. 21-31 ~·La vál-

Funciones inmuriitarias del tubo digestivo

708

cuentra bajo control voluntario, es relajado conscientemente si la situación es apropiada. La defecación a menudo eS ayudada por contracciones abdominales conscientes y movimientos espiratorios forzados a glotis cerrada (la maniobra de Valsa/va). La defecación, al igual que la micción, está sometida a la influencta emocional. mestrés puede aumentar la motilidad intestinal y producir diarrea psicosomática en algunos individuos, pero disminuir la motilidad y producir estrefiimiento en otros. Cuando las heces están retenidas en el colon, ya sea por ignorar conscientemente un reflejo de defecación o por una menor nlotilidad, la absorción continua de agua crea heces secas y dw:as que son di· ficiles de expulsar. Un tratamiento para erestteííimiento son los supositorios de glicerina, pequeñas preparaciones con fonna de bala que se introducen en el recto por el ano. La glicerina atrae agua y ayuda a ablandar las heces y promover la defecación. Digestión y absorción en el intestino grueso Según el punto de vista tradicional sobre el intestino grueso, alli no ocurre ninguna

digestión importante de moléculas orgánicas. Sin embargo, en afios recientes se ha revisado este ptmto de vista. Ahora sabemos que muchas bacterias que habitan el colon degradan a través de fermentación cantidades importantes de hidratos de carbono complejos y proteínas no digeridos. Los productos terminales in· cluyen lactato y ácidos grasos de cadena corta, como ácido butirico. Varios de estos productos son lipófilos y pueden ser absorbidos mediante difusión simple. Por ejemplo, los ácidoS grasos son utilizados por los colonocttos como su sustrato preferido de energía. Las bacterias colónicas también producen cantidades impor· tantes de vitaminas absorbibles, sobre todo vitamina K. Los gases -intestinales, como el sulfuro de hidrógeno, que salen del aparato digestiVo, son un producto menos útil. Algunos alimentos con almidón, como las habas, son notorios por su tendenda a producir gases intestinales (flatos). fiil AGURA 21~31

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709

Capítulo 21 El aparato digestivo

Anatomla del intestino grueso

vula ileocecal se relaja cada vez que una onda peristáltica llega a ella. También se relaja cuando el alimento abandona el estómago como parte del reflejo gasuoifeal. El intestino grueso tiene siete regiones. El ciego es un fondo de saco con un apéndice, una pequeíía proyección digitiforme en su extremo ventral. Las sustancias se mueven desde el ciego hada arriba a través el colon w;:endente, luego transVersalmente por el colon transVerso, y después I,.ada abajo por el colon descendente y el colon sigmoides (sigmceides, con forma similar a la. letra sigma 1:). El rectO es la parte terminal corta (unos 12 cm) del intestino grueso. Está separado del medio externo por el ano, un orificio c~do por dos esfínteres; un esfínter interno de músculo liso y uno externo de músculo esquelético. La pared del colon difiere de la del intestino delgado en que la muscular del intestino grueso tiene una capa circular interna peto una capa muscular longitudinal discontinua concentrada en tres bandas llamadas tenias del colon. Las contracciones de las tenias ttaccionan de la pared y forman saculaciones que protruyen IIaliiadas haustros. La mucosa del colon tiene dos regiones, al igual que la del in· testino delgado. La superficie luminal carece de vellosidades y parece lisa. Está compuesta de colonocitos y células caliciformes

mucosecretantes. Las criptas intestinales contienen células ma· dres que se dividen para producir nuevo epitelio, así como células calldfonnes, células endocrinas y colonocltos en maduración. Motilidad en el intestino grueso El quimo que entra en el colon se sigue mezclando gradas a las contracciones segmentarlas. El movimiento hada adelante es mínimo durante las contracciones de mezcla y depende primariamente de una única contracción colónica conocida como movimiento en masa. Una onda de contracdón disminuye el diámetro de un segmento del colon y envia el bolo de materia hada adelante. Estas contracciones ocu· nen 3-4 veces al día y se asocian con la alimentación y la distensión del estómago a través del reflejo gastroi6liaJ. El movimiento en masa es responsable de la distensión súbita del recto que dis· para la defecación. El refLejo de la defecación elimina las heces no digertdas del cuerpo.. La defecación se parece a la micción en que es un reflejo espinal desencadenado por la distensión de la pared del órgano. El movimiento de la materia fecal en el recto normalmente vaáo desencadena el reflejo. El músculo liso del esfínter anal interno se -relaja y las contracciones peristálticas empujan la materia hada el ano. Al mismo tiempo, el esfínter anal externo, que se en-

21-9). Cuando un aumento de la secreción de líquido se asada con un aumento de la motilidad, ocurre una diarrea. La diarrea secretora en respuesta a la infección intestinal puede considerarse adaptativa porque ayuda a borrar los patógenos de la luz. Sin embargo, también tiene el potendal de producir deshidratación si la pérdida de líquido es excesiva. La Organizadón Mundial de la Salud calcula que, en los paí· ses en vías de desarrollo, 4 millones de individuos mueren por diarrea cada afio. En los Estados Unidos, la diarrea en los níños produce unas 200 000 hospitalizadones cada año. Los líquidos de reposición oral para el tratamiento de la pérdida de sal y agua en la diarrea pueden evitar la morbilidad (enfermedad) y la mortalidad (muerte) asodadas con la diarrea. En general, las soluéiones de rehidratación oral contienen glucosa o sacarosa así como Na+, K+ y a- porque la inclusión de un azúcar aumenta la absorción de Na•. Si la deshidratación es grave, puede ser necesario el tratamiento con líquidos intravenosos. "ReYISIÓN

.

(&.~1\ En la diarrea secretora, las células epitelial!!:S de !as ve!!o·~':'ji sldades intestinales pueden estar daf'iadas o pueden des. prenderse. En estos casos, ¿sería mejor utilizar una solución de rehidratación oral que contenga glucosa o una que contengan sacarosa? Explique _su razonamiento. Respuesta en !a p, 715

FUNCIONES INMUNITARIAS DEL TUBO DIGESTIVO

Como aprendimos al comienw del capítulo, el tubo digestivo es el órgano inmunitario más grande del cuerpo. Su superficie !uminal está expuesta continuamente a microorganismos que producen erúermedad y las células inmunitarias del tejido linfoide intestinal {GAL1) deben evitar que estos patógenos entren en.el f.a diarrea puede producir deshidratación cuerpo a través de los delicados tejidos absortivos. Las primeras lí· la dianea es un estado patológico en el cual la secredóq inneas de defensa son las enzimas y las inmtmoglobulinas en la satestinal de líquído no está balanceada por la absorción, !(); que - liva y el medio altamente áddo del estómago. Si patógenos o ma· conduce a heces acuosas. La diarrea ocurre si se intemmlpen los teriales tóxicos entran en el intestino delgado, los receptores senmecanismos de absorción intestinal normal de agua o si existen sitivos y las células inmunitarias del GALT responden. Dos ressolutos osmóticamente activos no absorbidos que "mantienen" puestas frecuentes son diarrea, que acabamos de describir, y vóagua en la luz. Las sustancias que producen diarrea osmótica inclumitos. yen la lactOsa no digeÍi.da y el sorbitol, un alcohol de azúcar de las plantas. El sorbitol se usa como edulcorante '!artificial" en al· Las células Mcontrolan el contenido del intestino gunas gomas de mascar y en alimentos elaborados pata diabétiEl sistema inmunitario de la mucosa intestinal está constituicos. Otro soluto no absorbido que puede producir diarrea osmódo por células inmunitarias dispersas en toda la mucosa, grupos tica, cólicos intestinales y gases es Olestra®, la "falsa grasa" elabode células inmunitarias en las placas de Peyer (véase Fig. Zl-Ze) y rada con aceite vegetal y azúcar. células epiteliales especializadas llamadas células M que cubren En drcunstandas clínicas, los pacientes a los que se les deben las placas de Peyer. Las células M piOporclonan infonnadón solimpiar los intestinos antes de la cirugía u otros procedimientos a bre el contenido de la luz de las células ipmunitarias.del GALT. menudo redben cuatro litros de una soludón _isotónica de pollelas microvellosidades de las células Mson menos en cantidad tilenglicol y electrolltos para beber. Como no se puede absorber el y están más ampliamente espadadas que las de tma célula intespolietilenglicol, un gran volumen de solución sin absorber pasa tinal típica. La superficie apical de las células M contiene fositas al colon, donde desencadena una diarrea abundante que elimina recubiertas con clatrina ( ii!! p. 149) con receptores de la membratodos los desechos sólidos del tubo digestivo. na incluidos. Cuando los antigenos se Wlen a estos receptores, la Las diarreas secretoras ocurren cuando toxinas bacterianas, cocélula M utiliza la transdtosis para transportarlos hasta su memmola toxina del cólera por V'lbrio choleare y la enterotoxina de Esbrana basolateral, donde son liberados en el líquido intenticial. cheriéfzi.a coli, aumentan la secreción colónica ~e ct (véase Flg.

1

Capítulo 21 El aparato digestivo

Los vómitos constituyen un reflejo protector Los vómitos, o emesis, o sea la expulsión forzada del conteni-

PREGUNTA 1.

-

do gástrico y duodenal por la boca, constituyen un reflejo protector que elimina los materiales tóxicos del tub_o digestivo antes de que puedan ser absorbidos. Sin embargo, los vómitos excesivos o prolongados, con su pérdida de ácido gástrico, pueden produdr alcalosis metabólica ( ~ p. 671). El reflejo del vómito es coordinado a través de un centro'del vómito en el bulbo raquídeo. El reflejo comienza con la estimulactón de los receptores sensitivos y a menudo (pero no siempre} se acompaña de náuseas. Distintos estimulas provenientes de todo el cuerpo pueden desencadenar vómitos. Estos estímulos incluyen sustancias químicas en la sangre, como citoctnas y ciertos fármacos, dolor y trastornos del equilibrio, como ocurre en un automóvil en movimiento o un barco que cabecea. El estímulo de la pared posterior de la faringe también puede inducir vómitos. Las señales eferentes provenientes del centro del vómito inician una onda de peristaltismo inverso que comienza en el intestino delgado y se mueve hacia arriba. La onda es ayudada por la contracción de la pared abdominal que aUmenta la presión intraabdominal. El estómago se relaja de modo que el aumento de la presión fuerza el contenido gástrico e intestinal nuevamente hada el esófago y fuera de la boca. Durante los vómitos, se inhibe la respiración. La epiglotis y el paladar blando cierran la tráquea y naso faringe para evitar que el v6mito sea 'inhalado (aspirado). Si ácido o ~uetias partículas ali~ mentarias entran en las vías aéreas, podrían dañar el aparato res- piratoño y producir una neumonía aspirativa. En el capítulo siguiente se verán los destinos de los nutrientes una vez que han sido absorbidos por el aparato digestivo.

-

Macrófagos y linfocitos ( ~ p. 538) están esperando en el compartimento extracelular para que la célula M l~s presente los antígenos. Si los antígenos son sustancias que ponen en peligro al cuerpo, las células inmunitarias entran en acción. Secretan dtodnas para atraer más células inmunitarias que pueden atacar a los invasores y cttocinas que disparan una respuesta inflamatoria. Una tercera respuesta a las dtodnas es un aumento de la secreción de a-, líquido y moco para eliminar a los invasores del tubo digestivo. En las enfermedades intestinales inflamatorias (colitiS ulcerosa y enfermedad de Crohn), la respuesta inmunitaria és disparada inapropiadamente por el conteni~o normal del intestino. Un tratamiento experimental aparentemente exitoso para estas enfermedades incluye bloquear de la acción de las cttocinas liberadas por el tejido linfoide intestinal. El modo en que ciertas bacterias patógenas atraviesan la barrera creada por el epitelio intestinal ha intrigado a los científicos durante años. El descubrimlento de !_as células M pue
Resumen del capítulo

~

710

, _ _ _<

--~H,ECHOS

¿Por qué !as úlceras pépticas aparecen en el duodeno y no-en el yeyuno o en el íleon?

2. ¿De qué modo la conversión de ureá en amoníaco protege a H. pyfori del medio hostil del estómago?

<----

las úlceras péptkas son causadas por el

ácido gástrico y las enzimas gástricas. El quimo que sale del estómago pasa hacia el duodeno.

Una base es un anión que se combina con

711

INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS

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Si los mecanismos protectores-en el intestino fallan, e! duodeno es la primera parte del intestino delgado que está expuesta al ácido gástrico y las enzimas.

con-W para crear iones amonio,· NH/; Es· to retira W libres y aumenta el pH.

H. pylor(tiene enzimas pro~uctoras de ari10nfac0, que se combina con W para reduCir la acidez. De esta forma las bacterias se protegen_ de ser destruidas por e! m'ei:lio ácido del estómago.

W. El amoníaco, una base, se combina

3.

Escriba las ecuaciones qufmicas que' muestran cómo los antiácidos bicarbonato de sodio (NaHC03) e hidróxido de aluminio {AI(OH)3) amortiguan el pH del ácido dorhrdrico {Hd)

Los amortiguadores de pH son moléculas que se combinan con W. El bicarbonato (HCO¡) y OH· son amortiguadores de pH.

NaHC01 + HCI-7 NaCl + H2C03 A!(OH)3 .f. 3 HCI-'-'i A1CI3 + 3 Hp

4.

¿De qué modo el bloqueo de los receptores histamínicos H2 detiene la producción de ácido en el estómago?

La histamina es un paracrinó que estimula la secreción de áddo por el estómagO.

Si los__reáij:ltores-H2 ii?n bloqueados por antagonistas, la histaÍnina no puede
~· los resultadoS Chil l-abOratorio de Tonya ~stá~ .listOs. las ·prueba~

realizadas en e! tejido de su e:stóm.3gQ confirman que tiene una· infección po_r H. py!ori que probableinente sea l
guildoresde pH; _comO. ~rbon~o Oe 'caldo, bkarb_ona~o de_sodio, hidróxido de alUminio e hidróXido de_ magnesio, que neUtralizan W en la _luz d~l estóffiago. Se _lian desarronad_o terápias más nuevas basadas en. estudiOs fi_siológicos de la sécredón del á,cido gás· trice~_ Para ver ta secreción áCida -en 2cci6ii;haga una búsqueda en Google de parllúar ce!T ani_mtition. ' · ·

'

Ahora controle su conoCimientO de esté 1ema relacionado comparando sus respuestas con la información del siguiente cuadro resumen.

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RESUMEN DEL CAPITUlO El aparato digestivo, al igual que el aparato renal, desempeña un papel importante en el equilibrio de masas del cuerpo. la mayor parte de las sustandas que entran en el aparato, ya sea por la boca o por la Secreción, es absorbida antes de que alcance el final del tubo. En trastornos como la diarrea, en las que la absorción y la secreción están desequilibradas, la pérdida de material a través del tubo digestivo puede alterar gravemente la horneostruis. La absotdón y la secreción en el tubo digestivo proporcionan numerosos ejemplos de movimiento a través de membranas, la mayoría de los ruales siguen patrones que se han hallado en otros sistemas y aparatos. Por último, la regulación de la función del tubo digestivo nos ilustra

~

sobre las complejas interacciones que hay entre los sistemas deccntrolendocr!no y neural y el Sistema Inmunitario.

Función y procesos del aparato digestivo l. El aparato digestivo mueve nutrientes, agua y electrolitos desde el medio externo hada el medio interno. (p. 677)

2. Los cuatro procesos del aparato digestivo son digestión, absorción, motilidad y secreción. la digestión es la degradación química y mecánica de los alimentos en unidades absorbibles. la absorción es la

1

712

Capítulo 21 El aparato digestivo

transferencia de sustanctas desde la luz del tubo digestivo hasta el liquido extracelulat: La motllidad es el mOVimiento de materia a través del tubo digestivo. La secreclán se. refiere a la traQ.sferenda de líquido y electt:olltos desde el líquido extracelu!ar hasta la luz o la liberación de sustancias de las d!lulas. (p. 678; Hg. 21-1) 1 El tubo digestivo contiene la aaunulación más grande de tejido linfolde en el cuerpo, el líquido llnfoide intestinal (GAL1); (p. 678)

Anatomía del aparato digestivo Revisión anatómica 4. Er quimo es una sustancia similar a una sopa que se forma a medida que se degrada el alimento ingerido mediante digestión mecánica y qufmica. (p. 678) S. El alimento que entra en el aparato digestivo atraviesa la boca, faringe, esófago, estótnago (fondo, cuerpo y antro), intestino delgado (duodeno, yeyuno, ileon), Intestino grueso {colon, recto)y ano, (p. 679; Fig. 21-2a) ' 6. Las glándulas salivales, el páncreas y el hígado agregan en la luz secreciones exocrinas que contienen enzimas y mOO) (p. 679; Flg. 212>)

7. La pared del tubo digestivo está compueSta por cuatro capas: mucosa, submuoosa, muscular externa y serosa (p. 679¡ Fig. 21-2d) 8. La mucosa enfrenta a la luz y está compuesta por elepltello, la lámina propia y la muscular de la mucosa. La lámina propia contiene células inmunitariaS. Las pequeñas vellosidades e invaginaciones .aumentan el área de la superficie. (p. 679; Flg. 21-Ze) 9. La submucosa contiene vasos sanguíneos,·vasos linfáticos y el plexo subniucoso del sistema nervioso entérico. (p. 682; Flg. 21~2c, d) 10. La muscular externa está compuesta por una capa de músculo dtcular y una capa d~ múseulo longitudinal El plexo mientérlco se ubica entre estas dos capas musculares. (p. 682¡ Fig. 21-2c) 11. La serosa es la capa externa de la pared del tubo digestivo. Es una membrana de tejido conectiVo que es una C9ntinuactón de la membrana perttoneaL (p. 682)

Moti/idad 12. La motllidad es la facultad de trasladar el alimento desde la boca hasta el atio y mezclarlo mecánicamente. (p. 682) 13. Las células de músculo liso gastro!ntestlnal están conectadas eléctri,c:amente por uniones en hendidura. Algunos segmentos tienen contracciOnes tónicas, pero otros muestran contracctones fásicas. (p. 683)

14. El músculo Intestinal muestra potenciales de onda lenta espontáneos. Cuando una onda lenta alcanza el umbra~ dispara potenciales de acd.ón y se contrae. (p. 683; fig. 21-3) 15. Las ondas lentas se orlginan en. las células intemictales de ca¡ai. (p.

1

683)

16. Entre las comidas, el complejo motor migratorio mueve Jos wtos de alimentos desde el aparato digeStivo superior hacia las regiones inferiores. (p. 683) 17, Las contracciones J;lerlstálticas son ondas progresivas de contracción. El perlstaltismó está mediado por el sistema nervioso entérico y es modificado por ·hoimonas, señales paracrlnasy neuropéptidos. (p. 683; Flg. 21-4) . 18. Las contracciones segmentarlas son fundamentalmente contracciones de mezcla. (p. 684¡ Fig. 21-4).

Secredón 19. Aproximadamente 2litros de líquido por día entran en el tubo digestivo a través de la boca. Otros 7 litros de agua, iones y proteínas son secret!:dos por et cuerpo. Casi. todo este volumen es reabsorbido. (p. 684; FJg. 21-5) 20. Las células parietales de las glándulas gástricas secretan ácido clorhidrtco. (p. 685; Fig. 21-6)

21. El páncreas secreta una solución acuosa de NaHC01 a partir de las cé·

lulas ductales. (p. 685¡ Figs. 21-7, 21-8) 22. Las células intestinales sectetan CJ· utilizando el canal de cloruro CFTR. El agua y el Na• slguen pasivamente a favor de sus gradientes osmóticos y electroquímicos. (p. 685; Hg. 21-9) 23. Las enzimas digestivas son secretadas por glándulas exocrinas o por et epitelio gástrico e Intestinal. (p. 687) 24. El moco proveniente de las células mucosas y las células callctformes forma una cubierta protectora y lubrica el contenido del intesti. no. (p. 687) 25. La saliva es una secred.ón exocrina que contiene agua, iones, moco y proteínas. La salivación está bajo control autónomo. (p. 689) 26. La bilis formada por los hepatodtos contiene sales biliares, bilitrubina y colesterol. la bilis es almacenada y concentrada en la vesícula billar. (p. 689; Fig. 21.10)

Regulación de la función del aparato digestivo

Preguntas 42. Los monoglicéridos y los ácidos grasos se UI!en fonnando triglicéridos en la célula intestina~ y luego se combinan con colesterol y proteínas en los quilomicrones. Los quilomicrones son absorbidos por la linfa. (p. 697; Fig. 21~19) 43. Los áddos nucleicos son digeridos y absorbidos como bases nitrogenadas y monosacáridos. (p. 697) 44. Las vitaminas liposolubles son absorbidas juntamente con las grasas. Las vitanUnas hidrosoiubles son absorbidas por transporte mediado. La absorctón de la vitamina B12 requiere el factor intrínseco secretado por el estómago. La absorción de minerales suele producirse a través de un traillporte activo. (p. 698)

La fase cefálica 45. En la fase cefálica de la digestión, la vista, el olfato o el gusto de los alimentos inidan los reflejos gastrointestinales. (p. 699¡ Fig. 21-23) 46. La digestión mecánica se inlda con la masticaci6n. la saliva humedece y lubrica el alimento. La amilasa salival digtere los hidratos de carbono. (p. 699) 47. La deglUCión es un reflejo integrado por un centro bulbar. (p. 699; fig. 21-24)

Control del aparato digestivo 27. Los reflejos cortos se originan en el sistema nervioso entérico y son integrados allí. Los reflejos largos son integrados en el SNC. Los reflejos largos pueden originarse en el sistema nervioso entérico o fuera de a. (p. 689¡ Fig. ?1-11) 28. En general, la inervación pmsimpática es excitatorta para la función gastrointestinal y la inervación simpática es inhibitorla. (p. 689) 29. Los péptidos gastrointestinales excitan o Inhiben la moh1ldad y la secreción. La mayoría de los estfmulos para la secreción de péptidos gastrointesttnales se producen por la Ingestión de alimento. (p. 690; F:ig. 21-12) 30. Las moléculas paracrinas gastrointestinales, como la hlstamina, inte"· ractúan con neuronas y reflejos neutales. (p. 690) 31. El sistema nervioso entérico se denomina ~el pequeño cerebron porque puede integrar información Sin aferenctas del SNC. Las neuronas intrínsecas se ubican completaínente dentro del sistema nervioso entérico. (p. 691) 32. Las hormonas digestivas se dividen en la familia de la gastrtna {gaStlfna, coleclstoctnina), la familia de las secretlnas (secretlna, péptido intestinal vasoactivo, péptido inltibltorio gástrico, péptido 1 semejante al glucagón) y hormonas que no se ajustan a ninguna de esas dos familias (motllina). (pp. 692-693; cuadro 21-1)

=-

Digestión y absorción

(Wase las respuestas en el apéndice A)

33. La digestión combina degradaciones mecánica y enzimática del ali· mento. I.a digestión no está regulada directamente, sino que depende de las regulaciones de secrectón y la motilidad. (p. 693) · 34. La absorción de la mayor parte de los nutrientes tiene lugar en el in· testlno delgado. El intestino grueso absorbe agua y iones. (p. 693) 35. La amilasa digiere el ahn:ldón y lo convierte en maltosa. Las disacaridasas digieren los disacártdos y los convierten en monosacáridos. (p. 694; Fig. 21-14) 36. La absOIC!ón de glucosa utiliza el cotransportador simportador de Na+glucosa SGLT y el transportador GLUTZ. La b:uctosa utiliza loúransportadores GLUI'S y GLUT2. (p. 694¡ Fig. 21-15) 37. Las endopeptldasas (también llamadas proteasas) degradan las proteínas en péptidos más pequeños. Las exopeptidasas separan aminoácidos de los péptidos. (pp. 694-695; Fig. 21-16) 38. Los aminoácidos son absorbidos a través de un. cotransporte Na•-dependiente. Los dipéptidos y tripéptidos son absorbidos a través de un cotrnnsportalbr H•-
La fase gástrica 48. El estómago almacena alimento, inicia la digestión de las proteínas y las grasas y protege al cuerpo de los patógenos deglutidos. (p. 7QO) 49. El estómago secreta moco y bicarbonato gradas a las células mucosas, ácido gástrico por las células parietales, pepsinógeno por las células principales, somatostatina por las células D, h!Stami.na por las células de tipo enterocromafin y gastrlna por las células G. (p. 702¡ Ftg. 21-25) so. La función gástrica se inwgra con las fases cefálica e intestinal de la digestión. (p. 703; Figs. 21-26, 21-28)

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PREGUNTAS

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS

713

La fase intestinal 51. El ácido f.'ll el Intestino, la CCK y la secretlna retardan la evacuactón gástrica. (p. 705; Fig. 21-28) 52. El páncreas secreta bicarbonato para neutralizar el ácido gástrico. (p.

705) 53. Las enzimas intestinales forman parte del borde en cepillo. La mayo. tía de las enzimas pancreáticas son secretadas como dmógenos que deben ser activados. (p. 705; F¡g. 21-29) 54. La mayor parte de la absorción tiene lugar en el intestino delgado. (p. 706) 55. La digestión y la absordón de Jos nutrientes se completa en el intestino delgado. la mayor parte de los nutrientes abSOrbidos se dií:lgen directamente hada elllígado a través del sistema porta hepático antes de entrar en la drculactón sistémica. (p. 706) 56. EI intestino grueso concentra los 1,5l!tros de quimo que ingresan en él diariamenw. (p. 707) 57. El material no digerido en el colon se mueve hada adelante por el movimiento en masa. El reflejo de la defecación, un reflejo espinal sujeto a un control superior, es desencadenado por la distensión súbi· ta del recto. (p. 709) SS. Las bacterias colónicas utilizan la fermentación para digerir materia orgánica. (p. 709) 59. Las células del colon pueden tanto absorber como secretar lfquido. La secreción eXcesiva de líquido o la disminución de l
Fundones inmunitarias del tubo digestivo 60. Ips mecanismos protectores del tubo digestivo incluyen la producdón de ácido y moco, los vómitos y la dlanea. (p. 709) 61. Las células M controlan el contenido intestinal y presentan antígenos a las células del GALt (p. 709) 62. Los vómitos son un reflejo protector integrado en et bulbo raquídeo. (p. 71~

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1

4. Mencione las cuatro capas de las paredes de! tubo digestivo. ¿Qué tiL Defina los cuatro procesos básicos del aparato digestivo y dé un ejempo de tejido predomina en cada capa? plo de cada uno de ellos. S. Describa los tipos funcionales de epitelio que revisten el estómago y 2. Para la mayoría de los nutrientes, los procesos ---y~ Ios intestinos. - no están reguladas, mientras que y--6. ¿Qué son las placas de Peyer? • --están continuamente reguladas. ¿Por qué piensa usted que 7. ¿Qué propósitos cumple la motilldaden el tubo digestivO? ¿Qué tipos existen estas diferencias? Explique su respuesta. de tejido con~'buyen a la motilldad intestinal? ¿Qué tipos de contrac3. Relacione cada una de las siguientes descripciones con el/los ténntción realizan los tejidos? no/s apropiadots: 8. ¿Qué es un cimógeno? ¿Qué es una proenzima? Mendone dos ejem- · a) aquí se produce el quimo 1. quimo plos de cada uno de ellos. b) órganos donde orurre la 2. estómago 9. Reladone cada una de las siguientes células con elnos producto/s que mayor parte de la digestión 3. Intestino delgado secreta. Los elementos pueden ser utilizados más de una vez. e) sección inlc!al del intestino 4. duodeno a) células parietales l. enzimas delgado S. íleon b) células caliciformes 2.hlstamina d) agrega secreciones ~ocrinas 6. yeyuno e) células del borde en cepillo 3. moco al duodeno a través de un 7. páncreas d) células pancreáticas 4. pepsinógeno conducto 8. píloro e) células D 5. gastrfua e) esfínter entre el estómago y 9. recto f) células similares a las 6. somatostatina el intestino 10. hígado enterocromafines 7. HCO¡ f) aquf se producen em1mas g) células prfncfpales 8. HQ g) la distensión de sus paredes h) células G 9. factor intñnseco desencadena el reflejo de la defecactón 10. ¿Cómo afecta a cada uno de los siguientes factores la digestión? Explique brevemente cómo y dónde ejerce cada factor sus efectos. a) emulsifica~ón

714

Capítulo 21 El ¡¡parato digestivo Respuestas

b) actividad neu.ra\ c)pH d) tamaño de las partículas alimentariaS •. 11. La mayor parte de los nutrientes digeridos son absorbidos en losdel sistema , que lleva nutrientes al (órgano), Pero las grasas digeridas enttan en el sistema porque los capilares intestinales tienen una alrededor que la mayoría de los lipidos no pueden atravesar. 12. ¿Qué es el sistema nervioso entérico y cuál es su fundón? 13. ,-Qué son los reflejos cortos? ¿Qué tipOs de respuestas regUlan? ¿Qué indica el término reflejo largo? 14. ¿Qué papel desempeñan los paracrlnos en la digestión? Dé ejemplos ~p&llko;.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 15. Ejercido con mapas: escriba los tres grupos prindpales de biomoléculas en la parte superior de un papel. En el lado Izquierdo del papel escriba boca, estómago, intestino delgado y abwnión. Para cada biomol&:ula en cada locallzadón, llene las enzimas que digieren la biomoiécula, Jos productos de digestión para cada enzima y la locatizadón y los mecanismos por los cuales estos Productos'son a~orbidos. 16. Defina, compare y contraste los sigtrlentes pares o conjuntos de términos: a) masticar, deglutir b) microvellosidades, vellosidades e) penstaltismo, segmentadón, complejo motor migratorio, movimientos en masa, defecadón, vóniiios, diarrea d) qUimo, heces e) reflejos cortos, reflejos largos f) plexo submucoso, plexo nlientér!co, sistema nervioso entérico, nervio vago g) fases cefálica, gástrica e intestinal de la digestión 17.1l.fal!ceun diagrama de los mecanismos por los cuales Na+, K+y a· son transportados fuera del intestino. Realice un diagrama de los mecanismos por los cuales se secretan H+ y Hco; en la luz. 18. Compare el sistema nervioso entérico con el cerebro. Dé algunos ejemplos específicos de neurotransmisores, neutomoduladores y célu· las de sostén en los dos. · 19. MenctÍme y describa brevemente las acctones de los miembros de cada uno de los tres grupos de hormonas gastrointestinales. 20. Explique cómo los antagoniStas de los receptores ~y los lnhibidotes de la bomba de protones disminuyen la secreción de ácido gáStrico.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 21. Dibuje unil·célula del epitelio intestinaL Marque las membranas apical y basolateral, la luz y el liquido -extracelular. Agregue y rotule a cualquier proteína de membrana, orgánulo y otras estructuras que necesite para diag:ramar todos los pasos para el siguiente escenario: una célula epitelial intestinal absorbe algunos aminoáddos libres y algunos dlpéptidos desde la luz iittestinal. En el interior de la célula, los aminoácidos y Jos dipéptidos ensamblan una enzima digestiva, que luego es colocada spbre la superlide apical como una enzima del borde en cepillo. 22. Dibuje y rotule dos célulis intestinales como lo hizo en la pregunta 21. Utilice las descripciones del texto de la absorción de hierro y caldo de página 698 pata diagramar la absorción de estos dos m!netales. Utilice flechas marcadas con "¿?" para indicar los pasos sobre los cuales los Científicos np están seguros. 23. El hijo de Ertca, Justin, ha sufrido _una ataque de dianea y ahora está deshidratado. ¿Es más probable que-su sangre esté addótica o alcalótica? ¿Por qué?

24. Mary Uttlefeather consulta a su médico por dolor constante e intenso en el hipocondrio derecho de su abdomen. El dolor comenzó poco después que comió pol!o frito, patatas fritas y habas. Las pruebas de laboratorio y una ecografía muestran la presenda de cálculos biliares en el colédoco que une el hfgado, la vesícula biliar y el páncreas hasta el intestino delgado. a) ¿Por qué el dolor de Mary fue precipitado por la comida que hlglrió? b) ¿Cuál de los siguientes procesos se verán afectados por cálculos billares: formadón de micelas en el intestino, digestión de hidratos de carbono en el intestino, absordón de proteínas en el intestino? Expllque su respuesta. 25. Utilizando lo que ha aprendido acerca del transporte epitelial en este capítulo y en los referentes a los riñones, haga un cuadto de las células de la luz del conducto salival. Disponga los canales de membrana y los transportadores sobre las membranas apicales y vasolaterales de modo que la célula ductal absorba Na+ y secrete K•. Con la estimuladón neural, la velocidad del flu¡o de la saliva puede aumentar desde 0,4 mL/min hasta 2 mL/min. ¿Qué piensa que sucede con el contenido de Na+ y K• de !a saliva cuando aumenta el flujo?

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALfrtCOS 26. El transporte intestinal del análogo de los aminoácidos MlT (monoyo-

dotirOsina) puede estudiarse utilizando el preparado de ~saco evetti. dO". Se da vuelta un segmento de intestino, con el interior hacia afuera, se lo llena con una solución que contiene MIT, se lo liga en ambos extremos, y luego se Jo coloca en un baño que contiene nutrientes, sales y una concentración igual de MIT. Se controlan los C<~mblos en la concentración de MIT en el baño (lado mucoso o a?.cal del intestino evertldo), en las células intestinales {tejido), y de.1tro del saco (lado seroso o basolateral del intestino) por un periodo de 240 minutos. Los resultados se presentan en el gráfico que mostramos aquí. (Datos tomados de Nathans y coL, Bioclúmica et Biophysica Acta 41:271-282,

715

=--------====·-'"--"'~=~~"="--~'- ""~~,...,.,.,,,,..,..~·"'·~·-~"' ··=-~~~~-==·-

RESPUESTAS

V Respuestas a las· preguntas de revisión Página678 l. La digestión es la degradadón qufmica y mecánica del alimeilto en

unidades absorbibles. 2. La digestión tiene lugar en la luz del tubo digestivo, que es externa al cuerpo; el metabolismo tiene lugar en el medio interno del cuerpo. 3. La absorción mueve sustandas desde la luz gastrointestinal liada ellí· quido extracelular; la secreción rúueve las sustanCias desde las células o el liquido extracelular hada la luz. Página682

4. La luz del tubo digestivo está sobre el lado apical o mucoso del epitelio intestinal. 5. Boca~ faringe ..... esófago ..... estómago (fondo, cuerpo, antro).,.... in· testino delgado (duodeno, yeyuno, ileon) ..... intestino grueso (colon, recto)--> ano. 6. Como el tubo digestivo tiene una superficie vulnerable grande que enfrenta el medio externo, necesita de las células inmunitarias del tejido linfoide para combatir a los invasores potenciales.

Página 707 10. La CCK disminuye la motilidad gástrica y la secreción de ácidos, promueve la liberación de enzimas pancreáticas y bilis y estimula lamotilidad intestinal. La bilis de la vesícula biliar y la lipasa y colipasa pancreáticas son necesarias para una digestión efidente de grasas. La

digestión de grasas tarda más tiempo que la de otros productos alimenticios y la disminución de la motilidad gástrica brinda al intesti· no más tiempo para digerir las grasas. La disminuctón de la sea:í;ctón de .iddos gástricos también retarda el movimiento de quimo desde el estómago hada el intestino. La promodón de la motllidad intestinal asegura que las sales biliares puedan emulsificar las grásas, y que las micelas puedan lograr la exposidón adecuada al borde en cepillo, donde son bien absorbidas. Página 709

11. El daño de las células epiteliales significa que la sacarasa del borde en cepillo puede ser menos eficaz o estar ausente. En estos casos, la di· gestión de :la sacarosa estarla alterada, de modo que sería niejor utili· zar una soludón que contenga glucosa porque este azúcar no necesita ser digerida antes de ser absorbida.

Página684

7. Algunos esfínteres están tónicamente contraídos para aislar el_ tubo digestivo del mundo exterior y evitar que el material pase libremente de una sección hacia otra. Página699

8. El Na• de la sal de mesa aumenta la absorción Intestinal de glucosa porque la glucosa debe ser cotransportada con Na~. 9. Las sales biliares no digieren triglicéridos. Simplemente los emulsifi. can en pequeñas partículas de modo que la lipasa pueda digerirlas.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página690 F'¡gu.ra 21-11: a) El plexo mientérico controla la contracción del músculo

liso; el plexo submucoso controla la contracción del músallo liso y las secreciones endocrina y exocrina por las células secretoras. b) Los ret:eptores de estiramiento responden al estiramiento, los osmorreceptores a la osmolaridad y !os quimiorreceptores a los productos de la digestión.

1960.)

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--Tiempo {minutos)--

a) De acuerdo con los datos que se mu~ ¿el transporte transepitelial de MIT es un proceso pasivo o un proceso activo? b) ¿De qué forma se mueve el MIT: 1) de apical a tisular y baso!ateral, o 2) de basolateral a tisular y apical? ¿Este movimiento es absorción o seaeción? e) ¿El transporte a través de la membrana apical es activo o pasivo? Explique su condu.slón. d) ¿El transporte a través de la metnb-?Oa basolateraJ es activo opasivo? Explique su conclusión.

1 .

Metabolismo y balance de energía

Metabolismo y balance de energía 717

El cerebro controla la ingesta de alimentos

:)?:L1rY:e de et~t~rg;-;; 718 El ingreso de energía es igual al egreso de energfa 719

El uso de energfa se refleja en el consumo de oxígeno de un individuo

720 La energía se almacena en grasas y glucógeno

Sara lnman y Nicole Baker habían sido de _las mejores amigas mientras crecían, pero no se veían desde hada tiempo. Cuando Sara supo que Nicole estaba en el hospital fue a visitarla, pero no estaba preparada para lo que vio. Nkole, que siempre había sido delgada, ahora estaba tan demacrada que Sara apenas la reconoció. Nicole había sido !!evada a la sala de emergencias cuandO se desmayó durante una dase de danzas. Cuando el doctor Ayani vio a Nicole se preocupó tanto por su peso como por su muñeca fracturada. Con 1,65 m de estatura, Nkole pesaba sólo 42,75 kg (el rango saludable normal para su altura es de 49,s.69,75 kg), E! doctor Ayani sospm:hó un trastorno de la conducta alimentaria, probablemente anorexia nervlosa, y ordenó pruebas sanguíneas

P'" mnfkm" su

'" ."'

sospec~

11

~,~B-t-aboHsrnü

722

La energía proyeniente de los nutrientes ingeridos puede ser utilizada de inmediato o almacenada

722 Las hormonas controlan las vías metabólicas al modificar la actividad enzimátka 723 El metabolismo anabólico domina en el estado posprandial 725 las concentraciones plasmáticas de colesterol son factores pronóstico de cardiopatía coronaria 727 El metabolismo catabólico domina en el estado de ayuno

Con::ro¡ hom0ostátíw de\ metabülissnc 728 729 729 731 733 734 735 736 739

El páncreas secreta insulina y glucagón La relación insulina-glucagón regula el metabolismo La insulina es la hormona dominante del estado posprandia! La insulina promueve el anabolismo El g!ucagón domina en el estado de ayuno La diabetes mellitus es una familia de enfermedades metabólicas Los diabéticos tipo 1 son propensos a la cetoacidosis Los diabéticos tipo 2 a menudo tienen concentraciones elevadas de insulina El síndrome metabólico asocia la diabetes con la enfermedad cardiovascu!ar

f\E''i)\iÍ8Ckm dE' \a temperaü.-!P:i wrporai 740 La temperatura corporal es un balance entre producción, ganancia y pérdida de calor 741 La temperatura corporal está regulada homeostáticamente 743 El cuerpo produce calor por el movimiento y el metabolismo 743 El termostato corporal puede ser reconfigurado

INFORMACIÓN BÁSICA Glucógeno: 27; Grasa parda: 77; Trabajo biológico: 91; Equilibrio de masas: 129; Metabolismo: 101; Betaoxidadón: 111; Transportadores GLUT: 146; Endocitosis mediada por receptores: 149; Receptores de tlrosindnasa: 183; Hormonas peptídicas: 217; Control de !a presión arterial: 521; Umbral renal para la glucosa: 629; Páncreas exocrina: 685; CK: 692; GIP: 692; Quilomicrones: 697

Las cubiertas de las revistas en los expositores de las tiendas muestran mucho sobre los estadounidenses. Títulos que proclaman "Pierda 5 kg en una semana sin hacer dieta" o "CCK: la hormona que la adelgaza" disputan Ja atendón con fotografías satinadas de postres llenos de grasas y calorías, cargados de chocolate ycrema batida. Como lo afirma un artículo de una revista, somos una nadón obsesionada con la delgadez y con comer, dos asuntos mutuamente excluyentes. ¿Pero qué determina cuándo, qué y cuánto comer? Los factores que influyen en la ingestión de alimentos constituyen un área de investigación intensa, porque el acto de comer es la ins· tanda prindpal en la cual nuestro cuerpo puede ejercer el control sobre el ingreso de energía.

El cerebro controla la ingestión de alimentos El control de la ingestión de alimentos es un proceso complejo. Et aparato digestivo no regula el ingreso de energía, de modo que debemos depender de mecanismos conductuales, como el hambre y la saciedad (satis, suficiente), que nos indiquen cuándo y cuánto comer. Ciertos aspectos psicológicos y sociales sobre las comidas, como los padres que dicen "Termina tu plato", complican el control fisiológico de la ingestión de alimentos, En consecuencia, aún no conocemos cabalmente qué gobierna cuándo, qué y cuánto comer. Nuestro modelo actual se basa en los centros hipotalámícos ( ¡¡¡; Fig. 11·3), influidos porneurotransmisores y hormonas. Estudios en ratones transgénicos y con genes inactivados muestran que el control de estos centros involucran varios neuropéptidos encefálicos y hormonas "cerebro-intestinales". Lo que sigue es una revisión sobre este campo, complejo y constantemente cambiante. El hipotálamo contiene dos centros que regulan la ingestión de alimentos: un centro de alimentación que está tónicamente activo y un centro de saciedad que detiene la ingesta de alimentos inhibiendo el centro de alimentación. Las señales eferentes

717

desde estos centros producen cambios en el comportamiento alimentario y crean sensaciones de hambre y plenitud. Los animales a los que se les destruye el centro de alimentación de¡an de CO· roer. Si se destruye el centro de saciedad, los animales comen de forma exagerada y se vuelven obesos (obesus, rechoncho o gordo). Existen dos teorías clásicas sobre la regulación de la ingestión de alimento: la teoría glucostátíca y la teoría lipostática. La teoría glucostática afirma que la utilización de glucosa por los centros hipotalámicos regula la ingestión. Cuando las concentraciones sanguíneas de glucosa disminuyen, el centro de saciedad es inhi· bido y el centro de alimentación se toma dominante. Cuando la cantidad de glucosa es alta, el centro de saciedad inhibe al centro de alimentación. La teoría lipostática del balance de energía propone que una señal proveniente de los depósitos de grasa del cuerpo haci.a el encéfalo modula la conducta alimentaria de modo que el cuerpo mantiene un peso particular. Si los depósitos de grasa aumentan, el deseo de comer clisminuiye. En los períodos de inanición, el deseo de comer aumenta. La obesidad es el resultado de la interrupción de esta vía. El descubrimiento de la leptina (leptos, delgado), una hormona proteica sintetizada en los adipocitos, proporcionó evidencias sobre una señal de retroalimentación negativa entre el tejido adJ. poso y el encéfalo: cuando aumentan los depósitos de grasa, las células adiposas secretan más leptina y el deseo de comer disminuye. La leptina se sintetiza en los adipodtos bajo el control del gen obese (ob). Los ratones que carecen del gen ob (y, por lo tanto, carecen de Jeptina) se vuelven obesos, al igual que Jos ratones conre-ceptores de leptina defectuosos. Sín embargo, estos hallazgos no son similares en los seres humanos, ya que sólo un pequeño porcentaje de los seres humanos obesos tienen una defidenda de leptina. la mayoría tienen concentraciones elevadas de leptina. Co· mo estamos aprendiendo, la leptina es sólo parte de la historia. Otra molécula señal importante es el neuropéptido Y(NPY), un neurotransmisor encefálico que parece ser el estímulo para la ingestión de alimento. En los animales de peso normal, la leptina inhibe al neuropéptido Ypor una vía de retroalimentdón negativa (Fig. ZZ1 l!if). El péptido grelina, secretado por el estómago, aumenta el hambre cuando se infunde en seres humanos. Otros neuropéptidos y hormonas también influyen sobre el neuropéptido Yy los centros hipotalámícos (cuadro 22-1 fil). Es interesante señalar que muchos " de estos péptidos afectan otras funciones además del deseo de comer. Por ejemplo, la g¡:elina promueve la liberadón de honnona de . crecimiento y los péptidos encefálicos llamados orexinas parecen desempeñar un papel en el sueño. Nuestro conodmiento de cómo interactúan todos estos factores es incompleto. El apetito y la alimentadón también están influidos por afe· rendas sensitivas del sistema nervioso. El simple hecho de deglutir y masticar alimentos ayuda a crear una sensación de plenitud. La vista, el olfato y el gusto del alimento pueden estimular o suprimir el apetito. Un estudio interesante intentó determinar si el antojo de chocolate es atribuible a factores psicológicos o a es!únulos fisiológicos, como algunas sustandas químicas en el chocolate.* Los indi-

1

••Pharrna,o!oglca.l verous sensory factors in the satiation of dloco!ate cravlng.• Physiclcgy & Behavlor 56(3):419-422, septiembre de 1994.

718

Capitulo 22 Metaboflsmo y balance de energía

Balance de energía ''>.-.:-·_·-::'.;<>'::>>::é:~<(. ¡._,;',·

·: _(~fB~9~ª~~ff;; ··~=~~¡~;;;~fi=-~~~·sm~:~utan

quema en un Instrumento llamado calarímetro de bomba o bomba calorimétrica, y el calor liberado es. atrapado y medido. El calor Ji. berado es una medida directa del contenido de energía del ali· mento quemado y suele medirse en kilocalorías (kcal). Una kilo· caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de un litro de agua. Una kilocaloria es igual que una Ca/aria (con C mayúscula). Aunque la calorimetría directa es una forma rápida de medir el contenido total de energía de los alimentos, su contenido de energía metab6lica es ligeramente menor porque la mayoría de los alimentos no pueden ser completamente digeridos ni absorbidos. El contenido de energía metabólica de proteínas e hidratos de carbono es de 4 kcal/g.Las grasas.tienen más del doble de esta energía: 9 kcal/g. El contenido calórico de cualquier aUmento se puede calcular multiplicando la cantidad de gramos de cada componente por su Contenido en energía metabólica. Por ejemplo, si una rOsca de pan tiene 2 g de grasas, 7 g de proteínas y 38 g de hidr(ltos de car. bono, su contenido calórico es (2 g de grasas x 9 kcal/g) + (7 g de proteínas x 4 kcal/g) + (38 g de hidratos de carbono x 4 kcal/g) = 198 kcal. En los Estados Unidos, usted puede encontrar el contenido de energía para distintos alimentos en el titulo Nutritian Facts de los envases.

,.,~,·.,:--

PEPTIOO Aumentan la ingestión de ?limentos

FUENTE

Neuropéptido Y (NPY)

Hipotálamo

Orexinas {también !!amadas hipoaetlnas) Ga!anina Honnona.concentradora de melanina (MCH) Gre!ina Disminuyen la ingestión de alimentos

Hipotá!am~

Hipotálamo Hipotálamo Estómago

lntéstino

CCK

delgado; neuronas Hipotálamo Hipotálamo

liil FIGURA 22-1 Papeles de los péptidos en la reguladón de

Hormona liberadora de corticotropina {CRH} Hormona a·me!anodto estimulante (a·MSH) CART (ñ:anscrito regula-do por cocaína y anfetamina) Péptldo t semejante al g!ucagón (GLP·t)

Hipotálamo Intestinos

la ingestión de alimento

PYY,_

Intestinos

viduos recibieron chocolate oscuro, cliocolate blanco (que no contiene ninguno de los agentes farmacológicos del cacao), cáp. sulas de cacao o cápsulas de placebo. Los resultados mostraron que el chocolate blanco era el mejor ~tituto de la cosa real y que el aroma desempeña un papel importante para satisfacer el antojo de chocolate, lo que sugiere que una parte de dicho deseo es psicológico. · Se sabe que hay factores psicológicos, como comer o no comer cuando se está estresado, que desempeñan un papel importante en la regulación de la alimentación. El trastorno de la conducta ali. mentaria anorexia nerviosa probablemente tiene componentes tan. to psicológicos como fisiológicos. El concepto de apetito está estrechamente relacionado con la psicología de la alimentación, lo que explicariá por qué los individuos que hacen dieta y están ansiosos por un sabroso y crerp.oso helado no pueden ser satisfechos con una crujiente zanahoria. Se dedica una cantidad considerable de di· nero para inv.estigar acerca de las conductas alimentarias. "-jiSIÓN

. Explique los papeles de los centros.de_ saciedad y de alimentación. ¿Dónde_ se localizan?

que hacen difícil cerrar la cremallera de los pantalones? En esta secctón examinamos el balance de energía del cuerpo._

-El ingreso de energía es igual al egreso de energía La primera ley de la termodinámica ( 5!: p. 93) estableCe que la cantidad total de energía del universo es constante. Por exten· sión, esta afinnactón significa que toda la energía que entra en un sistema biológico, como el cuerpo humano, puede medirse. En el cuerpo, la energía se almacena fundamentalmente en los enlaces químicos de las moléo.Ilas, de modo que se puede aplicar el con· cepto de equilibrio de masas al balance de energía: energía del cuerpo= ingreso de energía- egreso de energía (1) El ingreso de ene¡gúz en los seres humanos es la energía conte· nida en los nutrientes que comemos, digerimos y absorbemos. El egresa de energía _es una combinación del trabajo realizado y la energía que retoma al medio ambiente como calor: egreso de energía-= trabajo+ calor

(2)

2. Algunos estUdios muestran que la mayor[a de los seres

humanos qbesos tienen concentraciones elevadas de !eptina en- la Sangre. De acuerdo con sus conodmien· tos de los trastornos endocrinos ( ~ p. 232), propon· ga algunas razones de por qué la leptina no disminu· ye el deseo de alimento en estos individuos. ResPuestas en !a p. 748

BALANCE DE ENERGIA Una vez que el alimento ha sido dig-erido y absorbido, las reac. dones qi.ümlcas del cuerpo -conocidas en conjunto como meta. bolismo- determinan lo que sucede con los nutrlentes conteru. dos en los_ alimentos. ¿Están destinados a quemarse como calo!? ¿Se convierten en músculo? ¿O se convierten en kilogramos extia

El trabajo de la ecuadón 2 adopta una de tres formas ( ~ p. 91):

l. El trabajo de transporte mueve las moléculas de tmlado de

la membrana al otro. Los procesos de transporte llevan sus· tandas dentro y fuera del cuerpo y los transfieren entre los compartimentos. 2. El trabaja mecániro utiliza las fibras y filamentos intracelu· lares para crear movimiento. Esta forma de trabajo incluye trabajo externo, como el movimiento creado por la con· tracción del músculo esquelético, y trabajo interno, como el movimiento de las vesículas dtoplasmáticasy el bomblio del corazón, 3. El trabajo química es utilizado para el crecimiento, el mantenimiento y el almacenamiento de información y energía.

719

El trabajo químico del cuerpo puede subdividirse en sínte-.

El consumo de oxigeno puede considerarse similar al fndice metabólico Calcular el gasto de energía de tm individuo, índice me. tabólico o tasa metabólica, no es sólo estimar el contenido calórico del alimento ingerido. El calor liberado por el cuerpo puede

sis y almacenamiento. El almacenamiento incluye tanto el almacenamientJJ de energía a corto plaza. en compuestos de

fosfato de alta energía como ATP, y el almacenamientJJ de energfa a largo plazo en los enlaces químicos del glucógeno

y las grasas. En el cuerpo humano, al menos el SO% de la energía liberada en las reac:oones químicas se pierde hacia el medio ambiente como calor de "desechen no regulado. La mayoría de los procesos que consumen energía en el cuerpo no están bajo control consctente. Los movimientos corpo~ales, · como caminar y hacer ejercido, son la única vfa por la que las personas pueden aumentar voluntariamente el egresa de energía. · Sin embargo, pueden controlar su ingreso de energía, limitando lo que comen. Aunque el balance de energía es un concepto muy simple, es difictl. que las personas lo acepten. Las modificaciones conductua. les, como comer menos y hacer más ejercido, están enti:e las instrucdones más frecuentes que dan los profesionales sanitarios a los pactentes. Estas instrucctones también son las más difíciles de seguir y la adhesión de los padentes a menudo es baja

El uso de energía se refleja eri el_consumo de oxígeno de un individuo Para controlar el balance de energía del cuerpo humano, se debe estimar tanto el contenido de energía de los alimentos (ingreso de energía) como el gasto de energía por pérdida de calor y distintos tipos de trabajo (egreso de energía). La forma más direc. ta de medir el contenido de energía de los alimentos es mediante la calorimetría directa. En este procedimiento, el alimento se

Sara y NicO!e se conocieron én una dase_ de danza clásica a los 11 años. Ambas practicaban la dania eo·n reS¡:JOnscibmdad y tra. bajaban duro para mantener el perfecto cuerpo delgado de una. bailarina·de ballet Ambas niñas tomaban ocasioiia!mente pfldo-ras para adelgazar o laxantes,·y era casi un concurso ver quién podfa coiner la- menor cantidad de comida. ASara siempre la im· presionó la voluntad de Nicole, 'pero por Otra parte, Nicole era una perfeccionista. Hace dos años, Sara ·perdió.el interés en !a danza e ingresó a !a universidad. Nicole fue aceptada en una prestigiosa compañia de ballet y se concentró la"_ dan'za
en

Pregunta 1: Si midiera la concentmáón de leptina de Nicote, ¿qué i:spera· rla enContrar?

Presjuntil2: ¿Se puede esperart¡ue Nicole tenga concentracfones efe'vadas o disminuidaS de 'neuropéptido Y?

~

1

720

Capítulo 22 Metabolismo y balance de ene~gfa

medirse encerrando a un individuo en un compartimento sellado. La diferencia entre el calor producido y el ingreso calórico del individuo es la energía utiliZada para el trabajo-químico, mecánico y de transporte. Sin embargo, en términos prácticos la medidón de la hberadón de calor co¡poral total no es una forma muy sencilla de medir el uso de energía. Probablemente, el método más usado para calcular el índice metabólico sea medir el consumo de oxfgeno de un individuo, o sea la velocidad con la cual el cuerpo consume oxígeno a medida que metaboliza los nutrientes. Recuerde del capítulo 4 (:! p. 107) que metabolizar glucosa para guardar energía en los enlaces de ATP es un método más eficiente en presencia del oxígeno sufidente: C6H120 6 + Oz + ADP + P1 ..-+COz+ HzO+ ATP +calor. Es:tudios han demostrado que el consumo de oxígeno para diferentes alimentos es relativamente constante, a una tasa de 1lítro de oxígeno consumido por cada 4,S..5 kcal de energía liberada del alimento que se está metabolizando. La medición del consumo de oxígeno es una forma de calorimetrla indirecta. Otro método para estimar el índice metabólico es· medir la producción de dióxido de carbono, sola o combinada con el consumo de oxígeno. La ecuación anteriot muestra que el metabolismo aerobio consume Oz y produce C02• Sin embargo, la reladón entre el C02 producido y el Oz consumido varía con la composición de la dieta. Esta relación se cónoce como cociente respiratorio o cociente de intercambio respiratorio. El cociente respiratorio varía entre 1,0 para una dieta de hidratos de carbono pura, 0,8 para una dieta proteica pura y 0,7 para una dieta grasa pu· ra. La dieta estadounidense promedio tiene un cociente respiratorio de alrededor de 0,82. Muchos factores influyen en el índice metabólico Ya sea que se mida por consumo de 0 2 o por producción de C021 el índice me. tabólico puede ser sumamente variable de un- individuo a otro, o de un día a otro en un mismo individuo. El índice metabólico más bajo de un individuo se conoce como metabolis.mo basal o índice metabólico basal. En realidad, el índice metabólico de un individuo seria mínimo cuando duerme. Sin embargo, como es difícil medir el metabolismo basal de una penona que duerme, el índice metabólico a Menudo se mide luego de un ayuno de 12 horas en un~- persona que está vigil pero descansando (índice metabólico de ~poSo). El índice metabólico (basal; de repóso o en act:Mdad) se calcula multiplicando el consumo de oxígeno por la cantidad de kilocalorías metabolizadas por lit:fo de oxígeno consumido: í:Q.dice metabólico (k~{día)-= litros de 0 2 con,suml.dos/día x kcal/litro de Oz Una dieta mixta con un cociente respiratorio de 0,8 requiere un litro de O~ por cada 4,80 kcal metabolizadas. Pot lo tanto, para un hombre de 70 kg cuyo consumo de oxigeno en reposo es de 430 L/día; índice metabólico de reposo= 43Ó Lde Ozfdía x 4,80 kcal!L de 0 2 = 2 064 kcal/dia Los factores que afectan el met$0lismo en los.seres humanos son la edad, el sexo, la cantidad de masa muscular magra, el ni· vel de" acti~dad, la dieta, las honno~ y la genética.

Metabolismo l. Edad y sexo. Los·hombres adultos tienen un índice metabó-

2.

3.

4.

5.

6.

lico basal promedio de 1,0 kcal por hora por kilogramo de peso corporal. Las mujeres adultas tienen uri. índice metabólico más bajo que los hombres: 0,9 kcalJh/kg. La diferenda se debe a que las mujeres tienen mayor poiCentaje de tejí do adiposo y menos masa muscular magra. Los índices metabólicos-en ambos sexos declinan con la edad. Algo de esta declinádón se debe a disminudones de la masa muscular magra. Cantidad de masa muscular magra. El músculo tiene mayor consumo de oxígeno que el tejido adiposo, aun en reposo. {La mayor parte del volumen de una célula de tejido adiposo está ocupada por gotitas de lipidos metabólicamente inactivas.) Ésta es una razón de por qué el consejo para perder peso a menudo incluye el entrenamiento con pesas además del ejercido aerobio. El entrenamiento eón pesas aumenta la masa muscular en el cuerpo, lo que aumenta el metabolismo basal y con. duce a que se quemen más calorías en reposo. Nivel de actividad. La actividad física y la contracción muscular aumentan el índice metabólico. Estar sentados y acosta· dos consume relativamente poca energía. El remo competitivo y el ciclismo son algunas de las actividades que consumen más energía. Dieta. El índice metabólico- de reposo aumenta después de una comida, fenómeno denominado tennogénesis inducida por Ja ingestá.. En otras palabras, existe un costo energético para la digestión y asimilación de los alimentos. La termogénesis inducida por la ingesta está relacionada con el tipo y la cantidad de alimento ingerido. Las grasas producen una ter· mogénesis inducida relativamente pequeña; las proteínas son las que más aumentan la producción de calor. Este fenómeno apoyarla la afirmación de algunos nutricionistas de que ingerir una caloría de grasas es diferente de ingerir unil. caloría de proteínas, aunque contengan la miSma cantidad de energía cuando se las mide mediante una calorimetría directa. Hormonas. El índice metabólico basal es aumentado por las honnonas tiroideas y por las catecolaminas (adrenalina y noradrenalina). Algunos de los péptldosque regulan la ingestión de alimentos también pat:ecen influir sobre el metabolismo. Genética. El efecto de los ¡asgos hereditarios sobre el balance de energía se puede observar en los distintos tipos corporales nor· males. Algunas personas tienen un metabolismo muy eficiente que convierte la energfa del alimento en energfa almacenada en el tejido adiposo con poca pérdida de calor, mientras que otras pueden comer grandes cantidades de alimento y nunca aumentan de peso porque su metabolismo es menos efidente.

De todos los factores que afectan el índice metabólica, un in· dividuo puede controlar voluntariamente sólo dos: el aporte de energía (cuánto alimento comer) y el nivel de actividad física. Si la actividad física de un individuo incluye el entrenamiento en fuerza, que aumenta la masa muscular magra, el metabolismo de reposo aumenta. El agregado de masa muscular magra al cuerpo provoca un uso adicional de energía, el cual a su vez disminuye la cantidad de calorías que se dejan en depósito.

La energía se almacena en grasas y glucógeno El requerimiento energético diarto de un individuo, expresa-

Cuando volvieron los resultados de los análiSis' sángUfneOs.de !e, el doctor Ayani inrÍl_ediatamente indicó comenzar una infuSión intravenosa y una monitorización cardfac:a. El informe del labora~ · torio mostró qúe el pO~io_plasmátko erá de 2,5 mEqll (normá.l: 3,5-5,0 mEqll.). el HC~~ de 40.mE(¡n. (norma~ 24-29)y-el pH.p!as." mático de 7,52 (normal: 7,38-7.42). El doctor Ayaf"!i.hosPitalizó a Nkole para someterla a mástratarriíe~tos y nllevas:_e_vaJ~a~cf~~~: ___.-· con la esperanza de pqder conVe~r!a de que necésiiá a}rudá Párf· · . ~anorexia, la anorexTa, que significa "sin apetitci•;p-ti&fe te~er ' Orfgenes tanto fisiológicos -CO!flO psiCo!ógicoS. Pregunta3:· -_-._,-_ ._:,•<,·_ ._. __ . ·_, ¿Cómo ~e llama al trastorno del K+-de NicOte? ¿Q'uá efed~ tÚi~ ne su trastorno del K+ sob~ el potendal de_ me171brana de ;e: poso de sus células? Pregunta4:_ =-_- __ . _-,.·_- __ :.c:-¿Por qué et doctor Ayani quiere controlar la _fJnd~n_ cafdfaCii · deNicole?

En consecuencia, el cuerpo mantiene la mayor parte de sus reservas de energía en moléculas de grasa compactas de alta energía. Un gramb de grasa tiene 9 kcal, más del doble del contenido de energía de una cantidad igual de hidratos de carbono o de proteínas. Esta característica convierte ai teJ1do adiposo en una ,for• roa muy eficiente para que el cue¡;po almacene grandes cantidades de energía en un espado mínimo. Sin embargo, desde el pun-· to de vista metabólico, es más difícil acceder a la energía de las grasas y la metabolizadón de las grasas es más lenta que la de los hidratos de carbono.

,>R,~)VI S 1 ó N [i{:{lf/ 3. Mencione siete factores que pueden influir sobre el \~if!J' metabolismo de un individuo. ·

4. ¿Por qué el cuerpo deposita la mayor parte de su energfa extra en las grasas y no en el glucógeno?.

5. Complete y equilibre la siguiente eruación para el me--

tabolismo aerobio de una molécula de glucosa: C6H1206 + 02 ~ ? +? 6. ¿Cuál es el cociente respiratoño para la ecuación equi·

librada en la pregunta anterior?

PreguntaS: .---.--__ . __... _____ _ De acuerdo, con los valores dfnfcos, ¿cuál es el_ ~rfo del_ equHibrio áddo--baSe de Nfcole? .... _.-__-_.--: _:\ .. .- ,:_.: _:_ ._,.: ..

····~••,t~~ ~ ~;: •[~¡,,j#J:~~w

721

Respuestas en fa p. 748

METABOLISMO

El capitulo 4 presentó las vías básicas del metabolismo celular. El metabolismo es la suma de todas las reacciones qtÚmicas cuerpo. Las reacciones que constituyen estas vías 1) extraen energía do como aporte calórico, varia con las necesidades y la actividad de los nutrientes, 2) utilizan energía para trabajo y 3) almacenan del cue¡;po. Por ejemplo, los atletas varones corpulentos en un el exceso de eneriía para que pueda ser utilizado más tarde. Las programa de entrenamiento intensivo pueden necesitar más de vías metabólicas que sintetizan grandes moléculas a partir de 10 000 kcal por día. Por otro lado, una mujer que partidpa en acotras más pequeñas se denominan vías anabólicas (anaw, hada tividad normales puede requerir sólo 2 000 kcal/día. arriba; metabole, cambio); las que degradan moléculas grandes en Supongamos que el requerimiento de energía de esa mujer puotras más pequefias se denominan vías catabólicas (cata-, abajo o atrás). diera ser cubierto ingiriendo sólo glucosa. La glucosa tiene un contenido de energía de 4 kcallg, lo que significa que para obte- · La clasificación de una vía representa su resultado neto, no lo ner 2 000 kcal, ella tiene que consumir 500 g de glucosa pOr día. que sucede en algún paso individual de la vía. Por ejemplo, en el Sin embargo, nuestro cuerpo no puede absorber glucosa a;istali~ primer paso de la glucélisis ( ¡¡¡¡ p. 104),la glucosa agrega un fos-1 na de modo que esos 500 g de glucosa tendrlan que ser disueltos fato para convertirse en una molécula más grande, glucosa-6-fos- · en agua. Si esta glucosa se recibe como una solución al 5% isosfato. Esta reacción aislada es anabólica, pero para el final de la :" mótica, los 500 g deberán ser disueltos en io litros de agua, un glucólisls la molécula inicial de glucosa de 6 carbonos se ha convolumen demasiado grande para beber en un día. vertido en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos. Esto convierte a la glucólisis en una vía catabólica. Afortunadamente, no solemos ingerir glucosa como nuestro combustible primario. Las proteínas, los hidratos de carbono En el cuerpo humano, dividimos el metabolismo en dos estacomplejos y las grasas también proporcionan energía. El polímedos. El periodo luego de una comida, cuando los productos de la digestión son absorbidos, utilizados y almacenados se denomina ro de glucosa glucógeno {fa p. 27) es una forma más compacta estado pospralldial o estado absortivo. Es un estado anabólico de energía que una cantidad igual de moléculas individuales de glucosa. El glucógeno también requiere menos agua para su hi· en el cual la energía de las biomoléculas de los nutrientes es tfans.. dtatación. ferida a compuestos de alta energía o almacenada en enlaces químicos de otras moléculas. Así es que nu~ células convierten la glucosa~ glucógeno Una vez que los nutriel].tes de una comida reciente ya no espara su almacenamiento. Normalmente mantenemos unos 100 g tán en el torrente sangufneo y están disponibles para su uso por de glucógeno en el hígado y zoo·g en los músculos esqueléticos. los tejidOS¡ el cuerpo entra e.n lo que se denomina estado de ayu · Pero incluso estos 300 g de glucógeno pueden proporcionar sólo no o estado posabsortivo. A medida que disminuye el pool de la energía sufidente durante 10 a 15 horas. El cerebro solo requiere 150 g de glucosa por día. nutrientes dispom'bles en la sangre, el cuerpo utiliza las reservas

722:

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

Pregunta]:_ ._ . __:-: -. . .-·--.'-:_::.._'e_·.. _·_:;· _ ,----_ ¿ESperarla usted que las ~nce~do~_.de t:enina y aidosttifo:; na de Nicole fue~n_normates;· elevadas ó bajas_? ¿_é~ino Pod~an ·· refadonarse e$$ concentfadones _con sU afterad~n. del[(+? -· PreguntaS:·-' _-.-.- .- __.-_- ._:_,_.·. ____ .-_-: . -::-->:- ---: Dé argunas raioÍles_ Pt;s_fb!es _de_p_~i ~u~_ Nicy;te: habta -e~do_.. -, sintiéndose débif duiaitte tós ensaYos de-danta: -· ··-- -. · -·

Ji !íz!t~~t~:JÍ¡~~i"¡t~r

almacenadas. El estado posabsortivo es catabólico porque las células de8f
La energía proveniente de los nutrientes íngerídos

puede ser utilizada de inmediato o almacenada Las biomolérulas- que lUlO de tres destinos:

ingerim~

están destinadas a a.tmplir

l. Energía. Las biomoléculas pueden ser metabolizadas de in-

mediatO y la energía liberada de los enlaces químiCos almacenarse en ATP,_ -fosfocreatina y otros compuestos de alta energía. Esta enérgía puede se_r utilizada más tarde para trabajo mecánico. 2. Síntesis. Las biomoléculas que entran en las células pueden ut:ilizarse para sintetizar componentes básicos necesarios para el crecimiento y el mantenimiento de células y teji· dos. 3. Almacenmnientc. Si la cantidad de alimento ingerida excede los requerimientos del a.terpo de energía y síntesis, el exceso 4e energía se almacena en los enlaces de glucógeno y grasas. ·g¡. almacenamiento hace que la energía esté disponible para los periodos de ayuno.

Metaboli$mo El destino de una biomol~cula absorbida depende de que sea hidrato de carbono, proteína o grasa. La figura 22·2 mes un diagrama esquemático que muestra el camino de estas biomoiéculas a los tres paols de nutrientes del cuerpo: el pool de ácidos grasos li· bres, el pool de glucosa y el pool de aminoácidos. Los pools de nutrientes son nutrientes que se ena.tentran disponibles para-uso inmediato. Se 'localizan fundamentalmente en el plasma. Los ácidos grasos libres forman el principal pool de grasas en la sangre. Pueden ser utilizados como fuente de energía por muchos tejidos pero también son fácilmente almacenados como grasas (fri. glicéridas) en el tejido adiposo. Los hidratos de carbono son absorbidos principalmente como glucosa. La concentración plasmática de glucosa es el pool de nutrientes más estrechamente regulado porque la glucosa es el único combustible que el cerebro puede metabolizat, excepto en periodos de inanición. Obsérvese que por las ubicaciones de las dos "tuberías" de salida del pool de glucosa en la figura 22-2, si el pool cae por debajo de cierto nivel, sólo el cerebro tiene acceso a la glucosa. Fsta medida de conservadón asegura que el cerebro tenga un aporte suficiente de energía. Al igual que el aparato cirOilatorio da prioridad al aporte de oxígeno al cerebro, el metabolismo también le da prioridad. Si el pool de glucosa del a.terpo está dentro del rango normal, la mayoría de los tejidos utilizan la glucosa como fuente de energía. El exceso de glucosa se almacena como glucógeno. La síntesis de glucógeno a partir de glucosa se conoce como glucogenogénesis. Sin embargo, el almacenamiento de glucógeíJ.o tiene un límite y el exceso de glucosa es convertido en grasas (lipogéne. sis). Si las concentraciones plasmáticas de glucosa_ gisminuyen, el cuerpo degrada glucógeno (glucogenólisis) y libera glucosa. El cuerpo mantiene las concentraciones plasmáticas de glucosa den." tro de tm rango estrecho. Gradas al equilibrio entre metabolismo oxidativo, glucogenogénesis, glucogenólisis y lipogénesis. Si la homeostasis fracasa y la glucosa plasmática excede un ni· vel crítico, como ocutte en la diabetes mellitus, el exceso de glu· cosa es excretado por la orina. La excreción de glucosa oaure sólo cuando se excede el umlnal renal para la reabsorción de glucosa ( iil p. 629). El pool de aminoácidos del cuerpo se utiliza fundamentalmente para la síntesis de protelnas. Sin embargo, si el ingreso de glucosa es bajo, los aminoácidos pueden ser convertidos en glucosa a través de las vías conocidas como gluconeogénesis. Esta palabra significa literalmente "nacimiento (génesis) de nueva glu· cosa (neo)" y se refiere a la síntesis de glucosa a partir de un precursor no hidrato de carbono. Los aminoácidos constituyen la fuente principal de glucosa a través de las vías de la gluconeogénesis, pero se puede utilizar también el glicerol proveniente de los triglicéridos. Tanto la glu· coneogénesls como la glucogenólisis constitúyen fuentes impor· tantes de respaldo de la glucosa durante los períodos de ayuno.

Las hormonas controlan las vías metabólicas al modificar la aetívídad enzimática · Las vías bioquímicas más importantes para la producción de energía se muestran en la figura 22-3 lB. Esta figura no incluye a todos los intermediarios metabólicos en cada vía {véaSe capítulo

§1

723

FIGURA 22·2 Resumen del metabolismo

Adaptado de L L Langley, Homeostasis (New York: Reinhold, 1965.) 4 por detalle). En cambio, destaca los puntos en los cuales se in· tersecan diferentes vías, porque estas intersecciones a mehudo son puntos clave en los cuales se controla el metabolismo. Una característica importante de la regulación metabólica es. el uso de diferentes enzimas para catalizar las reacciones anterógradas e inversas. Este doble control equilibrado pennite la regu~ ladón cuidadosa de uúa reacdón. La figura 22-4 le muestra de qué modo las hormonas regulan el flujo de nutrientes a traVés de las vías metabólicas al alterar la actividad enzimática. En la figura 22-4a, la enzima 1 cataliza la reacción en la ata! Ase convierte en B, y la enzima 2 cataliza la reacción inversa. Cuando la actividad de las dos enzimas es más o menos igual, tan pronto como A se convierte en B, B se convierte nuevamente en A. El reciclado entre los dos sustratos es rápido, pero no hay producción neta de AoB. En la figura zt.4b, la aCtividad di? la enzima 1 está aumentada mientras que la enzima 2 que cataliza la reacción inversa está in·

hibida. Este tipo de doble control es ejercido por la hormona pancreática insulina, que estimula a las enzimas para la glucogenogénesis e inhitie a las enzimas Para la glucogenólisis. El resultado neto es la síntesis de glucógeno a partir de glucosa. En la figura 22-4c se muestra el patrón inverso, en el cual el glucagón, otra hormona pancreática, estimula las enzimas de la glucpgenólisis mientras inhibe a las enzimas para la glucogenogé·

nesis. El resultado neto es la producdón de glucosa a partir de glucógeno.

El metabolismo anabólico domina en el estado posprandial Como hemos señalado, el estadoposprandial es anabólico: los nutrientes absorbidos se utilizan para ~ergía, síntesis y almacenamiento. El cuadro 22·2 m resume los destinos de los nutrientes en el estado posprandial. los hidratos de carbono proporcionan energía La glucosa absorbida después de una comida entra en la cir<.ulación del sistema porta hepático y es llevada directamente hada el higado, donde alrededor del 30% de toda la glucosa: ingerida es inetabolizada. El 70% restante continúa en el torrente sanguíneo para su distribu· ción hada el encéfalo, los músculos y otros órganos y tejidos. La glucosa pasa del liquido intersticial a las células por medio de transportadores GLUT {~ p. 146). La mayor parte de la glucosa absorbida de una comida va inmediatamente a la glucólisis y al ciclo del ácido cítrico para formar ATP. Parte de glucosa la utiliza el hígado para la sintesis de glucoproteínas.la glucosa que no es requerida para energía y síntesis es almacenada como glucógeno o como grasa. La capacidad del cuerpo para almacenar glucó-

.

1 .

~

72<3

Metaboflsmo

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía (a) Sin regU!ad6n da !a actividad enzimática; la vfa simplemente realiza la reacción hacia un lado y hacia el otro.

""""'1

A~B Enzima2

PRIEGUNTA " Coloque las letras que siguen cerca de ras fle<:has que representan cada vfa: a) glucogenogénesls b) betaoxidación e) lipogénesls d) g1uoogenó!lsls

(b) Metabo!!smo en estaMPosprandíaJ bajo-la Influencia de la insUlina

glm=

e} fosforUaelón oxidativa

" ¿Sa puede utilizar un aminoácido que entra en el ciclo del ácido ci!ric9 para fabr!car glucosa? ExpTique._

é ~ GUJcóGI ......-0

(e) Metabolismo. en estado da ayurio bajo !a Influencia del g!ucág-On

0 .

GLUCOSA~glu~o

"'

'1

~t~;¡A ~['' ~~ P<<-At·l!~~

0 mFIGURA 224 Control equilibrado del metabolismo En este tipo de control, diferentes enzimas catalizan las reacciones anterógradas e inversas. 697) y entran en la circulación venosa a través de los vasos linfá~ ticos (Fig. 22-.S S). Los quilomicrones están fonnados por coleste-

rol, triglicéridos, fosfolípidos y proteínas transportadoras de lipi· dos llamadas apoproteínas o apoüpoproteínas (apo-, derivado de).

mFIGURA 22~3 ~esumen de las vfas bioquímicas para la producción de energ[a geno es limitada, de modo que la mayor parte del exceso de glu~ cosa es convertida en triglicéridos y-almacenada en el tejido adiposo. ISIÓN

¿Cuál es la diferenda entre gluoogenogénesis y gluconeogénesis? 8. ¿Los transportadores GLUT son transportadores activos

o p~~ivos?

Respuestas en la p. 748

Se forman nuevas proteínas a partir de aminoáddos La mayoría de los aminoácidos absorbidos en una comida se dirigen a los tejidos para la sfutesis de proteínas. Al igual que la glucosa, los aminoáddos son llevados primero al hígado a través del sistema por~ ta hepátko: El hígado los utiliza para sintetizar lipoproteínas y proteínas plasmáticas, como albúmina, factores de la coaguladón y angiotensinógeno.

Los aminoácidos que no son captados por el hígado son utili~ zados por las células para crear proteínas estructurales o funcionales, como elementos del dtoesqueleto, enzimas y hormonas. Los aminoácidos también son incorpora_Q:os en moléculas no proteicas, coino aminohormonas y neurotransmisores. Si el apórte de glucosa es bajo, los aminoácidos pueden utilizarse como fuente de energia Sin embargÓ, si se ingiere más proteína que la necesaria para la síntesis y los gastos energéticos, el exceso de aminoácidos se convierte en grasa. Algunos fisicoculturistas gastan grandes cantidades de dinero en suplementos de aminoácidos publicitados como panacea para tener músculos más grandes. Pero estos aminoácidos no entran automáticamente en la síntesis de proteínas. Cuando la ingesta de aminoácidos excede las necesidades del ruerpo para la síntesis de_proteínas, el exceso de aminoácidos es quemado como fuente de energía o almacenado como grasa.

Las grasas almacenan energía La mayor parte de las grasas inge· ridas ingresan en los quilamicrones en el epitelio intestinal ( i!1!l p.

2. Utilizados para s!ntesis de lipoprotefnas en el hfgado

3. Almacenados como glucógeno en e1 hfQado y el músculo 4. El excesO es-convertidO eó grasas Yalmacenado en el tejido a"dipO: so· (glucosa ~ piruvatO -4 acetíl CÓA-+ ácidos grasOs) .

··

·,~;~~~~n~-~~~~~~T~~:~,~~~~~-~~~~,~~~~¿~l.la ~ayOrla_ de_!os aiilin_o_á~do_s Se.dlri!Je~ a ~~-Í~jidoS·p~~· !a:_~_¡p~;;.-

Sis_ dé protefnas*

, ·

·

-

2. Si Son ne<:esarios para la producción de energfa, los amlnóácidos_ se convierten en intermediarios para el metabolismo aerobio-en. e! hf· _gado · · . 3. El exceso es convertido en grasas yálmacenado en el tejido
:;~t;:fi~;_,~-~~~~H~~~~~~~J~~-~-~rt~1:i1i;~:~ 1:A¡rtiat:enad~ comO

j!do ádipoSó* ""Des;tino principal.

grasas furida.riieittaJ_ITu:'i,te erí_,el ~rgado y er.te.. ·

·

·

·

725

Una vez que estos complejos llpídicos comienzan a circular por la sangre, la lipoprotcinlipasa unida al endotelio capilar de los músculos y el tejido adiposo convierte sus triglicéridos en ácidos grasos libres y glicerol. Estas moléculas se usan como fuente de energía en la mayoría de las células o reconstituidas en ttiglicirldos para su almacenamiento en el tejido adiposo. Los remanentes de quilomicrones que quedan en la drculadón son captados y metabolizados por el hígado (Fig. 22-S). El colesterol de los remanentes se une al pool de lipidos del hígado. Si el colesterol es excesivo, una parte puede ser convertido en sales bi· liares y excretado en la bilis. El colesterol restante es agregado al colesterol y los ácidos grasos recién sintetizados, y empaquetado en complejos de lipoproteínas para la secredón en la.sangre. Los complejos de lipoproteínas que vuelven a entrar.en la san~ gre contienen cantidades variadas de triglicéridos, fosfolfpidos, colesterol y apoproteínas. Cuanto más proteína contiene un complejo, más pesado es, y los complejos plasmáticos de lipoproteí~ nas varían desde llpoprotefnas de muy baja densidad (VLDL) hasta lipoprotefnas de alta denslda4/.HDL). La combinación de lípidos y proteinas hace que el colesterOl sea más soluble en el plasma, pero los complejos son incapaces de difundir a través de las mem~ branas celulares. En cambio, deben ser llevados a las células por endodtosis mediada por receptores ( ~ p. 149). Las apoproteínas en los complejos tienen receptores de membrana específicos en diferentes tejidos. La mayoría de las lipoproteínas en la sang¡e son lipoproteínas de baja detisidad (LDL) ( 5!1 p. 525). Aesto a veces se le conoce como "colesterol malo" porque las concentraciones elevadas de LDL se asocian con el desarrollo de aterosderosis {ii p. 150). Los complejos LDL tienen apoprotefn!l B (apoB), que se une a receptores que ingresan la LDL en la mayoña de las células del cuerpo. Varias formas hereditarias de hipercolesterolemia {concentraciones plasmáticas elevadas de colesterol) se han asociado con formas defectuosas de apoB. Estas apoproteínas anómalas podrían expli· car el desarrollo acelerado de la aterosderosis en los individuos con hipercolesteiolemia. La segunda lipoprotefna más freruente en la sangre es la lipoproteína de alta densidad (HDL), a veces llamado "colesterol bueno~ porque la HDL es la lipoprotefna involucrada en el tiansporte de colesterol fuera del plasma. La HDL contiene apoprotefna A, que facilita la captación de colesterol por el hígado y otros tejidos.

Las concentradones plasmáticas de colesterol son factores pronóstico de cardiopatía coronaria Entre los nutrientes del plasma, los lipidoS y la glucosa reciben la mayor atención de los profesit>nales sanitarios. El metabolismo anormal de la glucosa es el sello de la diabetes mellitus, descrita más adelante. Las concentraciones plasmáticas anormales de lípi~ dos se utilizan comó factores pronóstico de la aterosderosis y la cardiopatía coronaria ( ~ p. 525). Las pruebas para medir los lipidos sangre y evaluar el riesgo cardiovascula:r varían desde la toma por punción digital, sim~ pies pero menos exactas, hasta las más costosas pruebas en sangre venosa que estudian todos los tamaiios de las lipoproteínas, desde VLDL a HDL. A medida que se recogen más datos epide-

en

miológicos y de tratamiento, los expertos siguen redefiniendo los

1

···~ 726

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

Metabolismo . LUZ INTESTINAL

El metabolismo catabólico domina en el estado de

ayuno

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P:R E G U N TA ¿Qué dfsminución de 30 mg/dL en la LDL tiene el máximo efecto sobre la reducción del riesgo de cardlopatía CQronaria?

mFIGURA 22·6 Reladón entre la LDL y el riesgo de carc#o· patía coronaria Datos tomados de Grundy y co!s., Circulation 110:227-239, 13 de julio de 2004.

~FIGURA 22·5

'fransporte y destino de las grasas de la dieta

líRi~os

valores de convenientes. El National Colesterol Education Panel de los EStad~s Unidos redactó. pautas en 2001 y las actualizó en 2004 (www.nhlbi.nih.gov/guidelines/cholesterol). El énfa. sisen el correr de los años ha cambiado de preocuparse por los ni· · veles de colesterol total (recomendado < 200 mg/d.L de plasma) a

1

preocuparse por las ¡:;antidades absolutas y proporciones relativas de los distintos subtipos~ Algunos estudios indican que la LDL elevada es el mayor tacfur de riesgo para cardiopatía coronaria (Fig. 22-6 6), porque la LDL oxidada es captada por los macrófagos y lleva al desarrollO de placas aterosderóticas ( ii! Fig. 15-24). Los valores deseables IDL varían de< 160 mg/dL para los individuos de bajo riesgo de cardiopatía coronaria hasta < 100 mg/dL para aquellos considerados de alto riesgo (que incluyen a los que tienen diabetes). El niVel de HDL en· el plasma también se ha utilizado para predecir el riesgo de desarrollar aterosderosis de un individuo. Al.igual que con la LDL alta, la HDL baja (< 40 mg/dL) se asocia cOú un riesgo mayor de desarrollar una cardiopatía coronaria. MáS recientemente, los profesionales sanitarios han co-

m~do a mirar los

valores del colesterol no-HDL (colesterol to-

tal- HDL) tal vez como mejor indicador del riesgo de cardiopatía

coronaria. Las modificaciones del estilo de vida (cambiar la dieta, dejar de fumar y hacer ejercido). pueden ser muy eficaces para mejorar los perfiles lipídicos, pero pueden ser difidles de implementar para los pacientes y aun de mantener. Todos los tratamientos farma· cológicos desarrollados pata tratar el colesterol elevado tienen como objetivo algún aspecto de la absorción o e}. metabolismo del colesterol, lo que subraya el principio del equilibrio de masas en la homeostasis del colesterol. La disminUción de la Cap~ción o la síntesis de colesterol y el aumento de su depuración o adaramiento por metabolízación o excreción son mecanismos eficaces para redudr la cantidad de colesterol en el cuerpo. Los fármacos conocidos como secuestradores de ácidos biliares se unen a los ácidos biliares en la luz intestinal e impiden que se absorban, aumentando así la excreción de colesterol ( ¡¡:¡,¡¡ p. 696). Con menos sales biliares recidadas, ellúgado aumenta la síntesis

727

de ácidos biliares a partir de colesterol, disminuyendo así la con. centración plasmática de colesterol cuando Ios receptores hepáticos de LDL ingresan colesterol. El agente hipolipemiante más nuevo, la ezetimiba, inhibe el transporte intestinal de colesterol. Otra estrategia para reducir l_a captación intestinal de colesterol es agtegar esteroles (alcoholes es· teroides) vegetales y estanoles (esteroles saturados {i1! p. 28)) a la dieta. Los esteroles y los estanoles desplazan el colesterol en los qullonúcrones, lo cual disminuye la absorción de colesterol. Todos los agentes hipolipemiantes restantes modifican el metabolismo del colesterol en el hígado. Los fármacos llamadOs· es.tatinas inhiben a la enzima HMG coA reductasa, que media la síntesis de colesterol en los hepatodtos. Los fibratos, que estimulan un factor de transcripción llamado PPARa (se pronuncia p.par-al· fa), y la niacirta (vitamina Bl' ácido nicotínico) disminuyen la LDL y aumentan la HDL por mecanismos que todavía no se conocen bien. Todos los fármacos que modifican el metabolismo hepático del colesterol tienen baja incidencia de toxicidad hepá· tica u otros efectos colaterales impo~tes.

!S IÓN

'9. ¿Cuáles efectos colaterales predominantes podrfa predecir usted de !os secuestradores de ácidos biliares y el ezetimibe? Respuesta en !a ¡i. 749

Una vez que todos los nutrientes de una comida han sido digeridos, absorbidos y distribuidos a distintas células, las conc€ntradones plasmáticas de glucosa comienzan a caer. Ésta es la se· ñal para que el cuerpo cambie del metabolismo del estado posprandial (absortivo} al del estado de ayuno (posabsortivo). El ob- · jetivo del metabolismo en el ayuno es mantener las concentra· dones plasmáticas de gluc~a dentro de un rango aceptable de modo que el cerebro y las neuronas tengan el combustible suficiente. El hígado es la fuente primaria de producción de glucosa du. rante el estado de ayuno (Fig. 22-7 8). El glucógeno hepático puede proporcionar la glucosa suficiente a través de la glucogenólisis como para cubrir 4-S ho_ras de las necesidades energéticas del cuerpo. El glucógeno del músculo esquelético puede ser convertido en glucosa durante el eStado de ayuno pero no a través de conversión directa en el músculo. Las células musculares, como muchas otras células, carecen de la enzima que consigue glucosa a partir de la glucosa &fosfato. En consecuencia, la glucosa 6-fosfato producida a partir de la glucogenólisis es convertida en piruvato (condiciones aerobias) o lactato (condiciones anaerobias). El piruvato y e! lactato son transportados entonces hasta· el hígado, que los utiliza para fabricar glucosa por medio de gluconeogénesis. También se puede elaborar glucosa o ATP a partir de aminoá· ciclos, sobre todo los de las proteínas musculares (Fig. 22-7). Enzimas extraen los grupos amino de los aminoácidos (desaminad6n) (m! p. 111) y convierten los grupos aminoen urea, que es excretada. Algunos aminoácidos desaminados se convierten en inter. mediarios del ciclo del ácido átrico, entran en el ddo y produ· cen ATP. Esta fuente alternativa de ATP conserva así la glucosa plasmática para que sea utilizada por el cerebro. Otros·aminoáci· dos son convertidos en piruvato, que se dirige al hígado y se transforma en glucosa, como lo describimos previamente. En el estado de ayuno, el tejido adiposo degrada sus depósitos de triglicéridos en ácidos gtasos y glicerol. El glicerol se dirige hacia el hígado y puede convertirse en glucosa. Los ácidos gtasos son liberados en la sangre, de la cual pueden ser captados por m u · l chos tejidos. Una vez en el interior de las células, las latgas cadenas de carbonos de los ácidos grasos son cortadas en unidades acilo de dos carbonos a traVés del proceso de la betaoxidacWn (mi! p. 111). En la mayoría de los tejidos, estas Unidades acilo alimentan el cido . del ácido átrico a través de la acetil CoA y proporcionan el sus-trato para la síntesis de ATP por medio de fosforilación oxidativa. Si existe una degradación excesiva de ácidos grasos, la betaoxidación en el hígado crea cuapos cetónicos ácidos (a menudo deno-minados simplemente ceWnas en fisiología y medicina). Los cuer. pos cetónicos entran en la sangre, creandp un estado de cetosis. El aliento de los individuos en cetosis tiene un olor frutal debido a la acetona, una cetona volátil cuyo olor se puede reconocer en el removedor de esmalte para uñas. Los cuerpos cetónicos son el único combustible, además de la glucosa, que el cerebro puede utilizar, de modo que en los casos de inanición prolongada, estos compuestos se convierten en una

728

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energfa

Control homeostátíco del metabolismo

729

Durante un ayuno de toda la noche, las concentraciones plasmáticas de glucosa caen hasta sus niveles más bajos, y la secreción de insulina también disminuye. La secreción de glucagón se mantiene relativamente constante durante _el período de 24 horas, Jo que apoya la teoría de que es la relación entre la insulina y el glucagón lo que determina la dirección del metabolismo.

.METABotisMO EN _Es'rA_bo DE AYUNO

8 glucógeno hepático se convierte en glucosa

La insulina es la hormona dominante en el estado posprandial la J.nsuljna es una hormona peptídica típica (cuadro 22-3m), sintetizada como una prohounona inactiva y activada antes de la. secreción ( &! Ftg. 7-4c). La glucosa es un estímulo importante para la secreción de insulina, pero los siguientes factores Pueden estimular, amplificar o inhibir la secreción:

L Aumento de las concentradones de glucosa. Un estímulo importante para la liberación de insulina es una concentractón plasmática de glucosa mayor de 100 mg/dL. La glucosa absorbida desde el intestino delgado alcanza las ~ulas pdel

8 glucógeno muscular pueda ser utilizado como fuente da energla. Los músculos también utllitan ácidos grasos y degradan sus prole!nas en aminoácidos que entran .

Célula de origen Naturaleza químiCa

en la sangre.

minan en los islotes, lo que proporciona un medio por el cual el sistema nervioso puede influir en el metabolismo.

mFIGURA '12-7 Metabolismo en estado de ayuno la fundón del metabolismo en estado de ayuno es mantener concentraciones plasmáticas suficientes de glucosa para el cerebro.

La relación insulina-glucagón regula el metabolismo fuente importante de energía para el cerebro; Los cuerpos cetóni-

cos pueden ser metabolizados convirtiéndolOs en acetil CoA, que luego entra en el ciclo del ácido dtrico. Lamentablemente, los cuerpos cetónicos ácido acetoacético y áddo (J--hidroxibutfrico son ácidos moderadamente fuertes y la producdón excesiva de cetonas conduce a un estado de cetoaddosis ( il§ p. 670}. Con este resumen" de las vías metabólicas como información básica, abo~ pasar~os a la regulación endocrina y neural del metabolismo. S IÓN ··Cuando se utilizan aminoácidos como energfa, ¿qué vlas de~~ figura 22-3 es la que siguen?

11. El colesterol es soluble en llpidos, ¿por qué entonces el co!esteio! plaSmático necesita !a ayuda de un transportador de membrana para entrar en las células? Respue;tas en la p. 749

CONTROL HOMEOSTÁTICO DEL METABOLISMO El s~a endoctino tlene la responsabilidad principal de la reguladóri metabólica, aunque el sistema nervioso tiene. derta influencia, sobre todo en lo_que respecta a dirigir el deseo de afi. mentos. La regulación de momento a momento depende_funda-

mentalmente de la reladón entre la insulina y el glucagón, dos hormonas secretadas por las células endocrinas del páncreas. Ambas hormonas tiei).en vidas medias o semividas cortas y deben ser secretadaS continuamente para que m.uestreQ. un efecto sostenido.

El páncreas secreta Insulina y glucagón Las células endocrinas del páncreas constituyen menos del 2% de la masa total del órgano; la mayor parte del tejido pancreático está dedicado a la producción y la secredón exocrma de enzimas digestivas y bicarbonato (m Fig. 21-7}. En 1869, el anatomista alemán Paul Langerhans describió pequeños grupos de células -ahora conod.das como islotes de Langerhans- dispersos en todo el ruerpo del páncreas (Fig. 2Z..Sb, e IJ). Los islotes contienen cuatro tipos celulares distintos, -cada uno asociado con la secreción de una o más hormonas peptidicas. Casi el75% de las células de los islotes son células~. que producen insulina y un péptido llamado amtlina. Otro 20% son cé_lulas a, que secretan glucagón. La mayoría de las células restantes son células D, que secretan samatostatina. Algunas células raras llamadas ce1ulas PP (Q célukls F) producen polipéptido pancreática.

Al igual que todas las glándulas endocrinas, los islotes están estrechamente asociados con capilares en los cuales se liberan las hormonas. Tanto neuronas simpáticas como parasimpáticas ter-

Como señalamos antes, la insulina y el glucag6n actúan de una forma antagónica para mantener las concentraciones plas- . máticas de glucosa dentro de un intervalo aceptable. Ambas hormonas están ptesentes en la sangre la mayor parte del tiempO. Es la relación entre las dos hounonas lo que determina cuál es Ja que domina. En el estado de alimentación, cuando el cuerpo está absorbiendo nutrientes, domina la insulina y el cuerpo realiza un ana-. bolismo neto (Fig. 22-9a IH).la glucosa ingerida es utiliza~ para la producción de energía; el exceso de glucosa es almacenadO como glucógeno o grasas. Las proteínas se dirigen fundamentalmente a la síntesis de ptoteínas. En el estado de ayuno, la regulación metabólica evita que se produzcan bajas concentraciones plasmáticas de glucosa (hipoglucemia). Cuando predomina el glucagón (Flg. 22-9b), el hígado utiliza glucógeno e intermediarios distintos de la glucosa para sintetizar glucosa que libera en la sangre. La figura 22-1011.1 muestra las concentraciones plasmáticas de glucagón, glucosa e insulina en el curso de un día. En un individuo normal, la gl~cosa plasmática en ayunas Se mantiene alrededor de 90 mg/dL. Después de la absorción de los riutrlentes de una comida, la glucemia se eleva. El aumento de la glucosa estimula la liberacióh -dé insulina, la cual a su vez promueve la transfetencia de glu~sa en las células. Las concentraciones plasmáticas de glucosa caen así nuevamente hacia el nivel de ayuno poco desplfés de cada comida.

BioSírrtesis Transporte en la circuli~eión ~mivida o vjda media Factores que afectan la libe·ración - ·

Células o tejidos diana ·

Célula> beta del páncreas Péptido de 51 aminoácidos Péptido tfplco Disuelta en el plasma 5 minutos· ~ de !a concentración de glucosa en . plasma>.100mgdt;taminoácidosen sangre; GÚ'-1 (i"eflejo de preallmentadón) y la amplificación de 1~ ilctivldad parasimpMka. Una inhibición de la actividad simpátiai Hlgado, músculo y tejido adipOso fundamentalmente; et cerebro, el riñón y el intestino no son insuünodependlerrtes

Receptor de -membrana can actividad de tirosincinasa; vfa con sustratoS del receptórde instl!ina Acción sobre un tejido o so-- ~de la .concentración.de glucosa en bre todo el cuerpo plasma por t del transporte ~n las Células o t del uso metabólico de glucosa t de la sfntesii de glucógeno; t de! meAcdón a nivel celular tabolismo aerobio de glucosa; t de !a sfntesis de proteínas y triglicéridos Acción a nivel molecular Inserta transportadores GLUT en el músculo y las células adiposas; modifica la actividad e_nzimátka. Hay invo!ucradasvlas detransdOO:ión de señii!es:C:om. plejas Receptor diana

Regulación por retroalimen- ~de la concentración plasmática de g!uta.dón C0$3 aborta la liberación de insulina· La hormona de crédmiento y el cortisol Otra información son antag<mirtas •

~­ _

730

Control homeostático del metabolismo

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

1

(a) Estado pospÍ"andial: domina !a insulina

Concentración plasmática

deglucagón

7iJ[~~./in::,

¿1 ~

731

2~

·:.. ~-~ -,-1

('!'lgfmL)

t Oxidación de glucosa tsíntesisdeglucógeno t Síntesis de grasas . t SíntesiS de proteínas

Concentración ••

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~-· ..-~-~--f-~i·-· ;-t. l .. 1 ~ .

80 .L..-.J-'-·

Concentración

(b) Estado de ayuno: domina el g[ucagón

CliUL.A \ SECRETA Células alfa@) Glucagón Cé!u!as O '

t Glucogenólisls t Gluconeogénesis

t Cetogénesis

Somatostatina

ieélu!as beta@) lnsulína. arrnlina,

+

plasmática de insulina (p,U/mL)

.

10it- ·"l--..

.

1--¡----~p ' '

8 Meó!Odía 4 NI.

A

PM

A

8

2

8

PM

AM

AM

A

Comida Comida CQmlda

mFIGURA 22-10 Concentradones de glucosa, glucagón e insulina en un período de 24 horas

mFIGURA 22-9 El metabolismo está controlado por la insulina y la glucagón

La insulina promueve el anabolismo

~1

(o)

mAGURA 22-8 Anatomia del páncreas (a) Anatomía, (b) Células de los islotes de langerhans, que constituyen el páncreas exocrina.

páncreas, donde es captada por los transportadores GLUI'2 ( l1!li Fig;-5·38). Con más glucosa disponible como sustrato, la producción de ATP aumenta y !Os.callales de K+ regulados por ATP se cierran, La célula se despolariza, los canales de Ca2+ re-gulados por voltaje se abren y la entrada de eaz.. inicia la exocitosis de insulina. 2. Aumento de las concentraciones de aminoácidos. El aumento de las cOncentraciones plasmáticas de aminoácidos luego de una ~mi~ tambiéÚ desencadena la secreción de insulina. 3. Efectos ¡}orprealimentadón de las hormonas gastrointestinales. Recientemente se ha mostrado que hasta el 50% de la secreció'n de insulina es _estimulada por la hormona péptidQ 1 seme;ante al glucagán (GLP-1). El GLP-1 y el GIP (péptido inhibitorio gástrico) son hormOnas inaetinas producidas por las células del fieon y el yeyuno eri respuesta a la ingestión de nutrl:entes. Las incretinas viajan a través de. la circulación hasta las células ~del páncreas y pueden llegar allí aun antes

de que se absorba glucosa. La liberación anticipatoria de insulina en respuesta a estas hormonas impide una elevación súbita de las concentraciones plasmáticas de glucosa cuando se absorbe la comida. Otras hormonas gastrointestinales, como CCK y gastrina, amplifican la secreción de secretina. 4. Actividad parasimpática. La actividad parisimpática en el aparato digestivo y el páncreas aumenta durante una comida y luego de ella. Las aferendas parasimpáticas que llegan a las células~ estimulan la secreción de insulina. S. Actividad simpática La secreción de ihSulina es inhibida por las neuronas simpáticas. En períodos de estrés, aumentan las aferendas simpáticas que llegan al páncreas endocrino, lo cual se ve reforzado por la liberación de catecolaminas por la médula suprarrenal (cuadro 22-411). La adrenalina y la noradrenalina inhiben la secredón de insulina y cambian el metabolismo hacia la gluconeogénesis para proporcionar com· bustible extra para ef sistema nervioso y los músculos esque-léticos.

Al igual que otras hormonas peptídicas, la insulina se combi· na con un receptor de membrana en sus células diana (Fig. 2Z.ll m). El receptor de insulina tiene actividad de tírosíndnasa, que ini· cta cascadas intracelulares complejas cuyos detalles no se conocen completamente aún. El receptor de insulina activado fosforila proteínas que incluyen un grupo conocido como los sustratos insulina-receptor (IRS). Estas proteínas actúan a uavés de vías complicadas sobre el transporte y el metabolismo celular. Las en· zimas que regulan las vías metabólicas pueden ser inhibidas o activadas directamente, o su síntesis puede estar influida indirectamente a través de factores de transcripción. Los tejidos diana primarios para la insulina son ellúgado, el tejido adiposo y los músculos esqueléticos. La respuesta habitual de la célula diana es un aumento del metabolismo de la glucosa. En algunos tejidos diana, la insulina también regula los transpor· tadores GLUT. Otros tejidos, que incluyen el encéfalo y tos epitelios transportadores del riñón y el intestino, no ·requieren insulina para la captactón y metabolizadón de la glucosa. La insulina reduce la glucosa eri plasma· de laS cuatro formas siguientes: l. La insulina aumenta el transporte de glucosa en la mayo-

ría de las células sensíbles a la insulina, pero no en toqas ellas. El tejido adiposo y el músculo esquelético en reposo requieren insulina para la captación de glucosa. Sin inSUlina, sus transportadores GLUT4 son retirados de la membrana y almacenados en vesículas cttoplasmáticas (Fig. 22-12a m). Cuando la insulina se une al receptor y lo activa, la cascada de transducción de señales hace que las vesículas se muevan hada la membrana celular e inserten los transportadores

La reguladón metabólica depende de la relación entre la insu!l· na y el glucagón. GLUT4 por exodtosis (Fig. 2Z.l2b). ~células captan entonces la glucosa del líquido intersticial mediante difusión facilitada. Curiosamente, el músculo esquelético durante el ejerdcfu no depend: de la actividad de la insulina para captar glucosa.

Médula suprarrenal (90% ·adrenalina y 10% noradrenálina) Ami nas formadas a partir de tirosina Naiuraleza qulmica Péptidotípico Bioslntesis Transporte en la drcu[ación En parte unidas a sulfato 2 minutos SemMda o vida media Factores que afectan la libe. Fundamentalmente reacciones de luchao huida a través del SNC y del sisración tema nervioso autónomo; hipoglucemia Principalmente neuronas, células endoCélulas o tejidos diana crinas pancreáticas, corazóh, vasoúan-gufneos y tejidO adiposo Receptores asociados a las proteínaS G, Receptor diana subtipos ay~ cAMP {receptores ~ y todos Jos reo;pSegundo mensajero tores ~); !P3 (réceptores ti¡) Ja concentración plasmática de glucoAcción sobre un tejido o sosa; activan las reacciones de lucha o bre todo el cuerpo huida y estrés;¡ !a sea-eóón de g!uca-gón y ¡ ta secreóón de insulina

Origen

r

Inicio y duración de la acción Rápido y breve

732

capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

Control homeoStático del metabolismo {a) Hepatoclto en estado posprandial: la célula hepática

(b) Hepatocíto en estaOO de ayuno: la célula hepática fabrica glucosa y la lrnnsporta hacia la sangre.

capta glucosa.

@)

@)

@)alta de glucosa .

®®

1--···--1----'---'-r-ATP ¡',;,.ADP G-6-P---- .

1

~"".,!'@)

Co~tración báia d_7 glucoSa ·'

Célula hepática

733

..

La conversión mediada· Por".

hexocinasa da glucosa en G-6-P . mantiene baja la concentración ·

intl'aOOu!ar ~e glu,cosa.

9 FIGURA 22-13 La insulina actúa indirectamente para modificar la captación de glucosa en los hepatocitos l!il FIGURA 22·11

Mecanismos celulares· de acáón de la insulina

la insUlina se une a un receptor de tírosindnasa y activa múltiples vfas de seguÍldos mensajeros mediadas por sustratos insulina-receptor (lRS).

Cuando los músa.dos se contraen, los transportadores GLUT4 son ínsertados en la membrana incluso en ausencia de insulina_y la captación de glucosa aumenta. La sefial intracelular para ello no se conoce pero pru:ece involucrar al eaz.. y una disminución del fosfato inorgánico (P1). El ~rte de glucosa en las células hepáticas (hepatJxitos) {a), En ausencia de insulina, la glucosa no puede entrar en la célula.

no es directamente dependiente de insulina pero está influido por la presencia o ausencia de insulina. Los hepatocitos tienen transportadores GLUT2 siempre presentes en la membrana celular. En el estado posprandial (Fig. 22-I3a li:l), la insulina activa una hexocinasa, enzima que fosforila la glucosa a glucosa 6-fosfato ( ii p. 103). Esta reacción de fosfo{b) La insulina ordena a la célula que Inserta transportadoreS GLUT

4 en la membrana, lo que permite que la glucosa entre en !a célula.

·Protefna de transporte GLUT4 11 FIGURA-22~12 La insulina pennite la captaáón de glucosa·por el tejido adiposo y el músculo esquelético en reposo

rilación mantiene las concentraciones de glucosa intracelular libre bajas en relación con las concentraciones plasmáti· cas, de modo que la glucosa difunde continuamente en el hepatocito sobre el transportador GLUT2. En el estado de ayuno, cuando las concentraciones de insulina son bajas, la glucosa sale del hígado hada la sangre para ayudar a mantener la homeostasis de la glucosa. En este proceso (Fig. 22-13b), los hepatodtos convierten los depósitos de glucógeno y los aminoácidos en glucosa. La glucosa recién formada se mueve a favor de su gradiente de concentración fuera de la célula utilizando los mismos transportadores GLUT2 que operan en la dirección inversa. Si los transportadores GLUT fueran ·retirados de la membrana durante el estado de ayuno, como ocurre en el músculo. y el tejido adiposo, la glucosa no tendóa ningún camino para salir del · hepatodto. 2. La insulina aumenta la utilización celular y-el almacena· miento de glucosa (Fig. 22-1411). La insulina activa las enzimas pata la utilización de glucosa (glw::61isis), y para la síntesis de glucógeno y grasa (glucogenogénesis y lipogbresis). La insulina inhibe simultáneamente las enzimas para la degradación de glucógeno (glucogenogenólisis), la síntesis de glu· cosa (gluconeogénesis) y la degradación de grasa (lipólisis) para asegurar que el metabolismo se i:nueve en la dirección anabólica. Si se ha ingerido más glucosa que la necesaria para energía y síntesis, el exceso se tratisfonna en glucógenO o ácidos grasos. 3. La insulina aumenta la utilización de aminoácidos. La insulina activa las enzimas para la silltesis de proteÚlas e inhibe las enzimas que promueven la degradación de proteínas. Si una comida incluye pro~, los aminoácidos en_ el ali· mento ingerido son utilizados para la síntesis_ de proteínas

tanto por el hígado como por el músculo. El exceso de aminoácidos es convertido en ácidos grasos. 4. La insulina promueve la síntesis de grasas. La insulina inhibe la betaoxidadón de los ácidos grasos y promueve la conversión del exceso de glucosa o aminoácidos en triglicétidos (lipogénesis). El exceso de triglicéridos es almacenado como gotitas de lípidos en el tejido adiposo. Por lo tanto, la insulina es una hormona anabóliCa porque promueve la silltesis de glucógeno, proteínas y grasas. Cuando !a insulina está ausente o en poca cantidad, las células entran en metabolismo catabólico. ,,REilfiSIÓN ~~1;ff,t'l. ¿Cuáles son los tejidos diana primarios para la insulina1

%f:V '

13. ¿Por qué e! metabolismo de la glucosa y el transporte de glucosa son independientes de la insulina en el epi· telio r_enal e intestinal y en las neuronas? 14. ¿Cuál es la ventaja para el cuerpo de inhibir la liberación de insulina durante una repuesta de lucha o huida mediada por la vla simpática? Respuestas en la p. 749

El glucagón domina en el estado de ayuno El glucagón, secretado por las células·« del páncreas generalmente es antagonista de la ínsulina en sus efectos sobre el metabolismo (cuadro 22-511 }. Cuando las concentradones plasmáticas de glucosa disminuyen después de una comida, la secredón de insulina se hace más lenta, y los efectos del glucagón sobre el metabolismo tisulru: son más preeminentes. Como señalamos antes, la dirección del metabolismo está detenninada por la relación

1

734

Control homeostático de! metabolismo

Capítuló 22 Metabolismo y balance de energía

735

~,.S

f ~·~(j-~;:lo

·:- ~ Centro integrador

E&! Vía eferente

: Retroalimentación

--- -negativa-

mFJGURA 22-14 En estado posprandial,.bajo la influencia de la insulina, se promueve la metabolizadón de la glucosa por las células entre insulina y glucagóD: más que por una cantidad absoluta de cualquieta de las hormonas. La función del glucagón es evitar la hipoglucemia, y el estímu· lo primario para la liberación de glucagón es la concentración plasmática de glucosa. Cuando las concentraciones_ plasmáticas de glucosa caen por debajo de 100 mg/dL, la secreción de glucagón aumenta significativamente. Con c.oncentraciones de glucosa por endnia de 100 mg/dL, cuando se está secretando insulina, la secreción de glucagón eS inhibidá y se mantiene en un nivel bajo pero relativamente constante (véase Fig. 22-10). La fuerte reladón entre la secreción de insulina y la inlu"bición del glucagón ha llevado a especular que las·células a. están reguladas por algún factor ligado a la irisll;lina-más que directamente por las concentraciones plasmáticas 'de glucosa. El hígado es el tejido diana primario del glucagón (Fig. 22-15 m). El glucagón ~ula la glucogenólisis y la gluconeogénesis para aumentar la producción de glucosa. Se calcula que durante un ayuno de toda !_a noche, el 75% de la glucosa producida por el bigado proviene de los depósitos de glucógeno, y el25% restante de la gluconeogénesis. La liberación de glucagón también _es estimulada por los aminoáctdos_plasmáticos. Esta vía evita la hipoglucemia luego de la ingestión de una comida proteica pura. Veamos cómo podría ocurrir hipoglucemia en ausencia de glucagón. SI una comida contiene proteínas peto ningún hidrato de car.

Célula de origen Naturaleza qufmica Biosíntesis TranspOrte en la circulación Semivida o vida media Factores que afectan la liberación

Células atfa de! páncreas Péptido de 29 aminoácidos Péptido típico Disuelto en el plasma 4-6 minutos Estimulada por una concentración de glucosa en plasma< 200 mgfdl, con una secreción máxima de SO mgfdl; t dE! Jos aminoácidos en sangre Células o tejidos diana Hfgado fundamentalmente Receptor/segundo mensajero Receptor asociado a !a proteína G ligadiana da al cAMP Acción sobre un tejido o so- 1 la concentración plasmática de glucobre todo el cuerpo sa por la glucogenólisisy la g!uconeogénesis; el 1de !a lipólisis conduce a cetogénesis en el hfgado Acción a nivel molecular Modifica las enzimas existentes y esti· mula la síntesis de nuevas enzimas Regulación por retroa!imen.. El t de la concentración plasmática de tación gluwsa anula la secreción de g!ucagón Otra infonm:uun Mlemnro ae la tam1lia de las secretinas (juntamente con VIP, G!P y GLP-1)

bono, los aminoáddos absorbidos del alimento producen secre· dónde insulina. Aun cuando no se haya absorbido glucosa, au. menta la captadón de glucosa estimulada por la insulina y las concentraciones plasmáticas de glucosa caen. A menos que algo contrarreste este proceso, el aporte de combustible al cerebro se ve amenazado por la hipoglucemia. La secreción simultánea de glucagón en esta situación evita la hipoglucemia al estimular la salida de glucosa del hígado. Por lo tanto, aunque sólo se ingirieron aminoácidos, los tejidos periféricos cuentan tanto con glucosa como con aminoáddos.


S 1ó N ~)t;fF'1s. ¿En qué se parecen la glucogenó!isis yla gluconeogé-c;"'

nesis, y en qué se diferencian? Respuesta en la p. 749

La diabetes me/litus es una familia de

enfermedades metabólicas El trastorno más frecuente del sistema endocrino pancreático es la familia de alteraciones metabólicas conocida como diabetes mellitus. La diabetes se caracteriza por concentraciones plasmá+ ticas de glucosa anormalmente elevadas (hiperglucemia) como resultado de una secreción insufidente de insulina, una reactividad anormal de las células diana ( ~ p. 232) o ambas. La hiperglucemia crónica y sus anomalías metabólicas asodadas producen las variadas complicadones de la diabetes, que incluyen el daño de vasos sanguíneos, ojos, riñones y el sistema nervioso.

·---·~---·-·-

REFERENCIAS

(.) Estímulo Centro integradorfa'j Vfa eferente

:-.~

,@EfuctO<

·G

Respuesta tisular

_:·',® Respuesta sistémica

·~-~--~~--

mFIGURA 22-15 Respuesta endocrina a la hipoglucemia El glucagón ayuda a mantener concentraciones plasmáticas de glucosa adecuadas al promover la glucogenóllsis y !a gluconeogénesis.

Se sabe que la diabetes afecta a los seres humanos desde ép
Los diabéticos tipo _1 son propensos a la cetoai:idosís La diai)etes tipo 1 es un trastorno complejo cuyo iniCio en individuos genéticamente susceptibles es precedido a veces por una infección viral. Muchos diabéticos tipo 1 desarrollan su enfermedad en la infancia, lo que da origen al antiguo nombre diabetes de ínido juvenil. Aproximadamente ellO% de todos los diabéticos padecen diabetes tipo l. Como los individuos con diabetes tipo 1 tienen una defidenda de insulina, el único tratamiento son las inyecdones de insulina. Hasta la llegada de la ingeniería genética, la mayor parte de la insulina farmacéutica provenía del páncreas de cerdos, vacas y ovejas. Pero una vez que se donó el gen para la insulina humana, las compañías de bíotecnologfa comenzaron a fabricar una insulina humana ~cial para uso terapéutico. Además, los científicos están desarrollando técnicas para implantar células ~ encapsuladas en el cuerpo, con la esperanza de que las personas con diabetes tipo 1 ya no necesiten depender de inyecciones regulares de insulina. Los eventos que siguen a la ingestión de hidratos de carbono en un diabético con deficiencia de insulina nos muestran lo que sucede al metabolismo en ausenda de insulina (Fig. 22-16 l!!l). Después de una comida, la absorción de nutrientes en el intesti· no se produce nonnalmente porque este proceso es independien· te de la Insulina. Sin embargo, la captadón de nutrientes de la

736

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

sangre y su metabolización por el hígado, el músculo esquelético en reposo, el tejido adiposo y muchos otros tt:jidos son ínsulinodependientes, y por lo tanto están gravemente disminuidos en ausencia de inSulina. Al carecer de nutrientes para metabolizar, las células entran en un metabolismo de ayuno: 1. Metabolismo de las proteínas. Sin glucosa para energía y ami-

noácidos para la síntesis de proteínas, los músculos degradan

sus proteínas para proporcionar un sustrato para la producción de ATP. Los aminoácidos abandonan los músculos y son transportados hasta ellúgado. 2. Metabolismo de las grasas. El tejido adiposo en el metabolismo en estado de ayuno degrada sus depósitos de grasas. Lós ácidos grasos entran en la sangre y son transportados hasta

el hígado. El hígado utiliza la-betaoxidación para degradar los ácidos grasos. Sin embargo, este órgano tiene una capacidad limitada de utilizar los ácidos grasos a través del ciclo del ácido cítrico, y el exceso de ácidos grasos se ~onvierten en cetonas. Los cuerpos cetónicos vuelven a entrar en la circulación y pueden ser utilizados por otros tejidos (como músculo y encéfalo) para la síntesis de ATP. (La degradación del músculo y del tejido adiposo en ausencia de insulina conduce a la pérdida tisular y a la ~fusión de la carne~ des. critas por Areteo.) 3. Metabolismo de lagluwsa. En ausencia de insulina; la glucosa se mantien~ en la sangre y produce hiperglucemia. El hígado, incapaz de captar y metabolizar esta glucosa, inicia las vías del ayuno de glucogenólisis y gluconeogénesis. Estas vías producen glucosa adicional a partir de glucógeno, ami~ noácidos y glicerol. Cuando el hígado enyia esta glucosa a la sangre, la hiperglucemia empeora. 4. Metabolismo cerebral._ UJs tejidos no insulinodependientes, como la mayoría de las neuronas del encéfalo, llevan a cabo el metabolismo como lo hacen habitualmente. Pero las neu. ronas en el centro de la sadedad del cerebro son sensibles a la insulina, por lo que si ella falta el centro de la sactedad e_s incapaz de.captar la glucosa plasmática. El centro percibe la ausencia de ghicosa intracelular como inanición y permite que el fetltro de la alimentación aumente la ingestión de alimento. El resultado es la polifagia (comer en exceso)r un síntoma clásico asociado con la di
Control homeóstático del metabolismo

737

circulante y una reducdón de la presión arterial. La presión arterial disminuida desencadena mecanismos homeostáticos de control, como secrecióh' de ADH, aumento de la sed que lleva a una ingestión constante de líquidos (polidipsia) y compensaciones cardiovasculares ( !i@ Flg. 20.18). . 7. Addosis metab6lica. La acidosis metabólica en la diabetes tiene dos fuentes potenciales: el metabolismo anaerobio y la produCCión de cuerpos cetónicos. Los tejidos entran en glucólisis anaerobia (que crea ácido láctico) si la compensación cardiovascular fracasa y la presión arterial disminuye hasta e1 punto en que la perfusión de los tejidos periféricos se toma insuficiente. Ácido láctico sale de las células y entra en la sangre, lo que contribuye a un estado de acidosis metabólica. Obsérvese que el metabolismo anaerobio es sólo una causa secundaria de acidosis metabólica en la diabetes mellitus insulinodeficiente no controlada. La causa primaria es la pro. ducción de ruerpos cetJíniCJJs ácidos por ellúgado. L
Los diabéticos tipo 2 a menudo tienen concentraciones elevadas de lnsulina La diabetes tipo 2 está al.canzando proporciones epidémicas en los Estados Unidos y fue responsable del lO% del dinero gastado en asistencia sanitaria en 2002. Según algunas proyeccto. nes, para el afio 2028 uno de cada cuatro estadounidenses ten· drán diabetes. UJs ~ertos atribuyen la causa de la epidemia a nuestro estilo de vida sedentario, la abundancia de alimento, y al sobrepeso y la obesidad, que aféctan a más del SCÍ% de la población. L
1 mFIGURA 22-16 Fisiopatologia en una crisis aguda de la diabetes mellitus tipo 1 La diabetes tipo 1 no tratada se caracteriza por degradación tisular, glucosuria, poliuria, polidipsia, polifagia y cetoacidosis m~bólica.

738

Capitulo 22 Metabolismo y balance de energía

metabolizadón de la glucosa. El hígado, por ejempló, no necesita cambiar a la producdón de cetonas, con lo cual la cetosis es infrecuente en la diabetes tipo 2. · · 200 No obstante, el metabolismo global no es normal, y los paIndividuo g diabético dentes con este trastorno presentan distintos problemas reladonados con la diabetes debido al metabolismo anormal de la iJu. 150 cosa y las grasas. Entre las complicaciones de la diabetes tipo 2 se incluyen aterosclerosis, problemas neurológicos, insuficiencia re¡,1 100 nal y ceguera por retinopatía diabética. Aproximadamente el 70% Individuo § de los diabéticos tipo 2 mueren por enfermedad cardiovascutar. normal a so -·---------e--------Como muchos individuos con diabetes de tipo 2 son asintomáticos cuando reciben el díagnóstico, puede ser muy dificil trao tarlos. Los individuos que van por su chequeo anual y se sienten A T¡empo después de la bien y de repente se enteran de que tienen diabetes pueden ser Concentración glucosa oral tnoras} plasmática da glucosa muy resistentes a efectuar grandes cambios en el estilo de vida daen ayunas do que no se sienten enfermos. Lamentablemente, para la época en que aparecen los síntomas de diabetes, el daño de los tejidos y los órganos ya está avanzado. La adhesión del padente en ese mo¡m FIGURA 22-17 Resultados normales y anormales de las mento puede retardar el progreso de la enfermedad pero no puepruebas de toleranda a la glucqsa · de revertir Jos cambios patológicos. El objetivo del tratamiento es En la hora O, el individuo consume una bebida con glucosa o una corregir la hiperglucemia para evitar las complicadones. comida. En !os individuos diabéticos, la concentración plasmática El primer tratamiento recomendado para la mayoría de los de glucosa se mantiene por encima de 200 mg/dl después de las diabéticos tipo 2 y para aquellos con alto riesgo de desarrollar la dos horas. los individuos con una glucemia de 14Q.199 mg/dl enfermedad es perder peso y hacer ejercido. En algunos pactendespu~s de dos horas tienen una toleranCia a la glucosa disminuites, la pérdida de peso revierte la resistenda a la insuUna. El ejerda. los individuos normales tienen concentradones de glucosa dcio disminuye la hiperglucemia, porque el músa.rlo esquelético por debajo de 1~ mg/dl en.la marca de dos horas. . en ejerdcio no requiere .insulina para la captadón de glucosa. Los fármacos usados para tratar la diabetes tipo 2 pueden: 1) estimular la secreción de insulina en las células ~~ 2} retardar la dónde insulina. En los padentes diabéti~os las concentraciones digestión o la absordón de hidratos de carbono en el intestino, 3) plasmáticas de glucemia en ayunas suelen estar por encima de lo inhibir la producción hepática de glucosa o 4) hacer que los tejinormal, e incluso pueden elevarse más a medida que se absorbe dos diana sean más reactl.vos a la insulina (cuadro 22-6 S,!. Los . glucosa. Como las células del cuerpo extraen lentamente la glu· agentes antidiabéticos más nuevos imitan a las hormonas endócosa de la sangre, la glucosa plasmática se mantiene elevada dugenas. Por ejemplo, la pramlintida, aprobada por la Food and rante dOS horas o más. Esta lenta respuesta sugiere que la insulina, aunque esté presente en la sangre, es incapaz de llevar a cabo · Drug Adnñnistration (FDA) de los Estados Unidos en marw de 2005, es un análogo de la amilina, una hormona peptidica secresu fundón normal. tada junto con la insulina. La amilina ayuda a regular la homeosUna prueba de toleranda a la glucosa anormal muestra simtasis de la glucosa luego de una comida al retardar la eVacuación plemente que la :respuesta del cuerpo a una carga de glucosa ingástrica y la secreción ácida gástrica, lo que retrasa la digestión y gerida no es normal. La prueba no puede distinguir entre los prola absorción de hidratos de carbOno. La amilina también dismi· blemas de Smtesis de insulina, liberadón de insulina o reactivinuye el deseo d.e alimentación por un efecto central sobre el apedad de los tejidos diana a la insuliÍla. Aigunos diabéticos tipo 2 tito, y ello disminuye la secreción de glucagón. tienen tanto una resistencia a la acción de la insulina como una Otros tratamientos de base hormonal_que tienen pendiente la disminudón de la secreción de insulina. Otro_s tienen una secreaprobación de la FDA son los miméticos (agonistas) de la incretición de insulina normal a alta pero una menor reactividad de las na La exendina-4 es un mimético del GLP~l derivado de un comcélulas diana puesto hallado en la saliva venenosa del monstruo de gUa. La Además, aunque- Íos diabéticos tipo 2 son híperglucémicos, a exendina-4 tiene cuatro efectos prindpales: aumenta la producmenudo tienen también niveles elfvados de glucagón. Esto pareción de insulina, disminuye la producción de· glucagón, retrasa el ce contradictorio hasta que se tiene en cuenta que las células a vaciamiento gástrico y aumenta la sadedad. También está relaciodel páncreas, al igual que las células musa.rlares y las adiposas, renada con pérdida de peso. quieren insulina para la captad.fm de glucosa. Por lo tanto, en la En la fisiología normal, las acciones combinadas de la amilina, diabetes las células a no captan_ glucosa, lo que las lleva a secretar el GIP y el GLP-1 crean un dclo de autorreguladÓn para la absorglucagón. El glucagón contribuye· entonces a la hiperglucemJa al dón y la metabolizadón de la glucosa en el estado posprandlal. La promover la glucogenólisis y la gluconeogénesis. glucosa en el intestino Juego de una comida produce la liberadón En la_ diabetes tipo 2, los síntomas agudos de la enfermedad de GIP y GLP-1 por prealimentadón. Las dos incretinas viajan a no llegan a ser tan graves como los de la diabetes tipo 1 porque través de la drculadón hasta el páncreas, donde inidan la secrela insulina suele estar presente y las células, si bien son resisten· dón de insulina y amilina. La amilina actúa entonces sobre el tutes a la acdón de la insulina, son capaces de realizar en parte la

Regulación de la temperatura corporal

739

250~-----------,

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FÁRMACO

EFECTO

MECANISMO DE ACCIÓN

Sulfonilureas y meg!itinidas

Estimulan la secreción de insulina

Cierran los canales KA'il' de las dlulas beta y despolarizan !a célula

lnhibidores de la a-glucosidasa

Disminuyen la captadón intestinal de glucosa

~loquean !as enzimas intestinales que digieren los hidratos de carbono complejos

Biguanidas {p. ej., metformina)

Reducen la glucosa plasmática al disminuir la gluconeogéÍlesis hepática

Poco claro

Activadores de PPAR {glitazo-

Aumentan la trascri¡xión genética de las protef. nas que promueven !a utilización de glucosa en el metabolismo de ácidos grasos

Activan el PPARy, un activador de receptores nucleares

Análogos de la amilina (pram!intida}

Reducen !a glucosa plasmática

Retrasan el vaciamiento gástrico, suprimen la seaeción de g!ucagón y promueven la saciedad

Análogos de la incretlna {GLP1) {exendina4)

Reducen la glucosa plasmática e inducen pérdida de peso

Estimulan la secreción de insulina, reducen la secreción de g!ucagón, retrasan el vaciamiento gástrico y promueven la saciedad

Insulina inha!atoria {Exubera®)

Igual que !a insulina endógena-

Igual que la insulina endógena

""1

bo digestivo disminuyendo la veloddad con la cual el alimento entra en el intestino mientras la insulina actúa sobre los tejidos diana promoviendo la captadón y la utilizadón de glucosa.

· El síndrome metabólico asocía la diabetes con la enfermedad cardiovascular Hace muchos años que los médicos saben que las personas con sobrepeso tienen predisposición a desarrollar diabetes tipo 2, aterosderosis e hipertensión arterial. La combinadón de estos tres trastornos se ha llamado síndrome metabólico, lo cual subraya la naturaleza integradora de las vías metabólicas. Los indi· viduos con síndrome metabólico reúnen al menos tres de los cinco criterios siguientes: obesidad central (visceral), presión arterial ;:= 130/85 mm Hg, glucemia en ayunas ;:= 110 mg/dL, concentraciones plasmáticas elevadas de triglicéridos en ayunas, y niveles plasmáticos bajos de HDL. La obesidad central se define como una drcunferencta de la cintura mayor de 100 cm en Ios hombres y de 87,5 an en las mujeres. Las mujeres que tienen un cuerpo con forma de "manzana" (más ancho en la cintura) son más propensas a desarrollar un síndrome metabólico que las que tienen un cuerpo en forma de "pera" (más ancho en las caderas). La asodadón entre obesidad, diabetes y enfermedad cardiovasa.rlar ilustra los trastornos fundamentales del metabolismo celular que ocurren en la obesidad. Un mecanismo común que desempeña un papel tanto en el metabolismo de la glucosa como en el de los lípidos incluye la familia de receptores nucleares llamados receptores activados por inductores de la proliferación de peroxisomas (peroxisome proliferator-activated receptors-PPAR). Los lípidos y las moléculas derivadas de los lípidos se unen a los PPAR, que activan distintos genes. El subtipo de PPARllamado PPARy(ppar-gamma) se ha asedado a la diferendación de los adipodtos, a la diabetes tipo 2 y a las células espumosas, macrófagos endote-

liales que han ingerido colesterol oxidado. El PPARo:, mencionado antes en la ex:plicadón del metabolismo del colesterol, es im· portante en la metabolización hepática del colesterol. Los PPAR pueden ser pistas importantes de la asodadón entre obesidad, diabetes tipo 2 y aterosclerosis que ha esquivado a los dentíficos durante mucho tiempo. ccRE,:zylSIÓN

:0:::{:~~16. ¿Por qué la insulina debe administrarse en inyección y '{i;/ no como una píldora oral? 17. Los pacientes hospitalizados con cetoaddosis diabética· aguda y deshidratación reciben insulina y líquidos que contienen K+ y otros iones. la acidosis suele acompa-

ñarse por hiperpotasemia, entonces ¿por qué se indu· ye K+ en los !!quidos de rehidratación? (Sugerencia: los padentes deshidratados pueden tener una alta con· centradón de K+, pero su volumen liquido corporal total es bajo.} Respuestas en la p. 739

REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA CORPORAL La diabetes tipo 2 es un ejemplo excelente de la reladón entre el peso corporal y el metabolismo. La obesidad puede depender de la eñdencia con la cual el CUe!po c9nvierte la energía de los

alimentos en componentes celulares y tisulares. Según una teoría, las personas que son más efidentes para transferir energía del alimento a la grasa son las que aumentan de peso. Por el contrario, los individuos con menor eficiencia metabólica pueden ingerir la misma cantidad de calorías y no ganar peso porque.se libera más energía del alimento como calor. La figura 22-181i resume los factores que contribuyen con el balance energético en el cuerpo.

1

740

Regulación dé la temperatura corporal

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

La temperatura corporal es un balance entre producdón, ganancia y perdida de Clllor El personal médico y la famiffa de_ Nico!e decidieron hablar con el!a acerca de su peso y de sus hábitos alimentarios. El trastorno

que sospecha el doctor Ayani, la anorexia nerviosa, puede tener graves consecuencias fisiológicas. la tasa de mortalidad para !as mujeres de _15·24 años que sufren de anorexia nerviosa es 12 veces ma}tor que la de la población genera!. las causas máS frecuentes de muerte son paro cardiaco, desequilibrio electro!ttico y suicidio. Se informó que, en las naciones industrializadas, la anorexia nerviosa afecta hasta f;!l 3% de l_as mujeres en algún momento de su vida. (Aunque e190% de los casos de anorexia nerviosa son mujeres, está en aumento _la cantidad Oe casos mas· cu!inos.) El tratamiento exitoso de la anorexia nerviosa incluye proporcionar nutrición, psicoterapia y terapia familiar. la investi· gadón actual se orienta a la Úíi!idad del neuropéptido Yy otros péptidos encefálicos en el tratamiento d·e la anorexia. Pregunta 9: ¿Por qué podria un agonista del NPYayudar en los casos de anorexia?

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rm;: 11,~~~5:

Gran parte de lo que sabemos acerca de la" regulación del balance energético proviene de estudios sobre la regulación de la temperatura corporal.

""'"'' sociales y psícológicos"

La regulación de la temperatura en los seres humanos está relacionada con la producción metabólica de calor (tennogénesis). Los seres humanos son animales homeotermos u homeoténni. cos, lo que significa que nuestros cuerpos regulan la temperatura interna dentro de un rango relativamente estrecho. La tempera. tura corporal promedio es de 37 "C, con un rango normal de3S,S37,7 ·c.

Estos valores están sometidos a m1a variación considerable, tanto entre los individuos como durante el día en un solo individuo. El sitio en el cual se miO-e la temperatura también muestra diferencias, ya que la temperatura corporal central puede ser más alta que la temperatura en la superficie cutánea. Las temperaturas orales son aproximadamente 0,5 oc inferiores a las temperaturas rectales. Varios factores afectan la temperatura corporal en un indivi· duo. La temperatura corporal aumenta con el ejercicio o después de una comida (debido a la termogénesis indudda por la íngesta}. La temperatura también tiene un ciclo durante el día: la temperatu· ra corporal mínima (basal) se registra en las primeras horas de la mañana y la máxima en las primeras horas de la noche. Las mujeres en edad reproductiva también muestran m1 ciclo mensual de temperatura: las temperaturas corporales basales están alrededor de 0,5 •e más altas en la segunda mitad del ciclo· menstrual, o sea después de la ovulación, que antes de ella. La gananda y la pérdida de calor están equilibradas El balance de temperatura en el cuerpo, al igual que el balance de energía, depende de un equilibrio dinámico entre el aporte y el egreso de calor (Fig. 2Z..19 m}. El aporte de calor tiene dos componentes: la

¡'"""'~:)>CALOR(- 50%) 0 No regulada oTermorregulación TRABAJO (- 50%}

o Transporte a través de las membranas

oTrabajo mecánico Movlmiento

1ii'J

FIGURA 22·18 Balance energético en el cuerpo

APORTE DE CALOR EXTERNO+ PRODUCCIÓN DE CALOR INTERNO"' PÉRDIDA DE CALOR

Procesos regufados

para homeostasis de temperatura

741

existan diferencias de tempetatura: el aire caliente se eleva y es reemplazado.por aire más fresco. La convección ayuda a desplazar el aire calentado lejos de la superficie cutánea. Las vestimen. tas, que atrapan el aire e impiden las-corrientes de aire convectivas, ayudan así a retener el calor cerca del cuerpo. El cuarto tipo de pérdida de calor del cuerpo es la pérdida de calor por evaporación, que tiene lugar a medida que el agua se evapora en la superficie cutánea y el tracto respiratorio. La conversión de agua del estado liquido al estado gaseoso requiere cantidades sustanciales de energía calórica. Cuando el agua sobre el cuerpo se evapora, elimina calor del cuerpo. Se puede experimentar el efecto del enfriamiento por evaporación humedeciendo un brazo y dejando que el agua se evapore. A medida que se seca, el brazo húmedo se siente mucho más fresco que el resto del cuerpo porque el calor del brazo se gasta evaporando el agua. Asimismo, el medio litro de vapor de aína que deja el cuerpo a través de los pulmones y la piel cada día lleva consigo una cantidad importante de calor corporal. La humedad del aire circundante afecta la pérdida de calor por evaporación; cuanto mayor es la humedad, menor es la evaporación. La pé!dida de caloi por conducción, convección y evaporación desde el cuerpo se incrementa con el flujo masivo de aire al que está expuesto el cuerpo, como·el aire movido sobre la piel por un abanico o una brisa. El efecto del viento sobre la regulación de la temperatura corporal en el invierno es descrito por el facWr de escalofríos pur el viento, la combinación entre la temperatura ambiental absoluta y el efecto de la pérdida de calor por convección.

mFIGURA 22·19 Balance de calor en el cuerpo La temperatura corporal está regulada producción tk calor interno, que incluye el calor proveniente del metabolismo normal y el b"berado durante la contracción muscular, y el apinte de calor externo desde el medioambiente a través de radiación o conducción. Todos los objetos con una temperatura por encima de! cero absoluto emiten energía radiante (radiación) con longitudes de onda infrarroja o visible. Esta energía puede ser absorbida por. otros objetos y constituye la ganancia de calor por radiación para esos objetos. La .ganancia de calor por conducción es la_ transferencia de calor entre los objetos que están en contacto unos con otros, como la piel y una almohadilla ténnica o la piel y el agua caliente. Nosotros perdemos calor del cuerpo de cuatro formas: con· ducción, radiación, convección y evaporación. La pérdida de ca· lor por conducción es la pérdida 4e calor corporal hada un ob-. jeto más frío en contacto éon el cue¡po, como una compresa he· lada o una banca de piedra fría. Se calcula que la pérdida de calor por radiación del cuerpo humano explica casi el 50% del calor perdido por una persona en tePQSO en una habitación. La ter· mografía es una técnica de imágenes diagnóstica que mide la pér· dida de calor por radiación. Algunos tumoreS cancerosos pueden identificarse visuilinente porque tienen una actividad metabóli~ ca ·mayor y emiten más calor que los tejidos circundantes. Ala pérdida de calor por radiación y por conducción se agrega la: pérdida de calor por convección, el proceso en el cual el calor se aleja del cuerpo en el aire calentado que se eleva desde su su~cie. Se crean corrientes convectivas en el aire siempre que

homeostáticamente El cuerpo humano suele estar más caliente que su medioambiente y, por lo tanto, pierde calor. El metabolismo normal genera suficiente calor como para mantener la temperatura corporal cuando la temperatura ambiental se mantiene entre 27,8 y 30 :"C. Este rango se conoce como zona termoneutra. En las temperaturas por encima de la zona termoneutra, el cuerpo tiene una ganancia neta de calor porque la producción de calor excede a la pérdida. Por deb. ajo de la zona termoneutra, la pérdida de calor excede a la producción. En ambos casos, el cuer· po debe utilizar la compensación homeostática para mantener una. temperatura interna constante. El ser humano sin vestimentas puede re:alizar la tennorreguJa. ción a temperaturas de aire ambiental de entre 10 y 55 oc. Como rara vez estamos expuestos al extremo más alto del rango de tem· peratutas, el principal reto fisiológico respecto de la regulación térmica se plantea en los ambientes fríos. Algunos fisiólogos han descrito a los seres humanos como ani· males del trópico porque estamos genéticamente adaptados para la vida en climas cálidos. Pero en realidad conservamos cierta fle· xibilidad genética, y los mecanismos fisiológicos por los cuales podemos efectuar la termorreguladón son lo suficientemente ca. paces como para adaptarse a las condiciones cambiantes. La regulación de la temperatura corporal está bajo el control de un centro tennorreguladur en el hipotálamo. Los termorreceptores sensitivos se localizan periféricamente en la piel y en el hi· potálamo anterior. Estos sensores controlan la temperatura cutá·

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742

Regulación de la temperatura corporal

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

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1

temperatura :orporal cenlr< '--------~/

rREfERÉNciAS

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1

O Receptor

Estímulo

~ Centro !ntegrador i ·@ID Vía eferente { _0Efector

¡ O

Respuesta tisular

l @ Respuesta sistémica l-·-···-· '

dades la vasodilatadón es el resultado de la disminudón del esti· mulo simpático. En la piel del resto del cuerpo la.vasodilatadón está mediada por neuronas simpáticas esped¡¡lizadas que secretan acetikolina. No está claro si el efecto es directo o si está mediado por bradicininas u otras sustancias vasodilatadoras paracrinas.

0RI;\~JSIÓN

~\t-.;f¡J? 18. ¿Qué neurotransmisor y receptor median la vasoconS.. '~h!/ trkción cutánea? 19. ¿Qué observaciones pudieron haber !lev.ado a Jos in·

vestigadorEs quE descubrieron las neuronas simpáticas que secretan ACh a clasificarlas como simpáticas y no parasimpáticas? {Sugerencia: ¡¡@ ¡). 380) Respuestas en!~ p. 749

mFIGURA 22-20 Reflejos tennorreguladores

temP~atl!ra

nea y la corporal central y envían esa información al centro tennonegulador. El "te·rtn·ostato" hip. otalámico compara entonces las señales de entrada-con el punto de regulación de la · temperatura deseado y coordina una respuesta fisiológica apropiada para elevar o descender la temperatura central (Fig. 2Z..20 m). La pérdida de calor del cuerpo es promovida por la dilatación de los vasos sanguínOOs en la piel. y por la sudoración. La gananda de calor es generada por los escalofríos y el tiritar y posiblemente por tennogénesis sin escalofríos.

1

Las modificaciones en el flujo sanguíneo cutáneo conservan o li· beran calor La pérdida de calor a través de la superficie cutánea está regulada por el control del flujo. sanguíneo en los vasos sanguíneos cutánoos {artis, piel) (los vasos que están cerca de la super· ficie de la-piel). Estos vasos sanguíneos pueden captar el calor desde el medioambiente por convección y transferirlo al centro del cuerpo, o pueden perder calor hacia el aire cira.mdante. El flujo sanguíneo a través de los vasos sanguíneos cutáneos varía desde

cerca de cero cuando debe conservarse calÓr hasta cerca de un terdo del volumen minuto cuando el calor debe liberarse hada el medioambiente. El control local influye en el. flujo sanguffieo cutáneo en cierto grado, posiblemente a través de vasodilatadores producidos por el endotelio vascular. Sin einbargo, la regulación neuW es el factor detenninante principal. La mayoría de las arteriolas del cUerpo se encuentran bajo control tónico simpático ( ~ p. 512}. Si la temperatura corporal central cae, el hipotálamo activa selectivamente las nemonas simpáticas que inervan las arteñolas 91táneas. Las_ arteriolas se contraen, aumentando su resistencia al flujo sanguíneo y desviando sangre hada los vasos sanguíneos de menor resistencia en el interior del cuerpo. Esta respuesta mantiene más caliente la sangre central, lejos de la ~etficie cutánea más fría, lo que reduce así la pérdida de calor. En las temperaturas cálidas, sucede lo opuesto: las arteriolas cutáneas se dilatan aumentando el flujo sanguíneo cerca de la su· perfide cutánea y así la pérdida de calor. En la piel de las extremi·

743

potalámico inidan estas contracciones del músculo esquelético. De esta forma genera cinco a seis veces más calor que el músculo en reposo. Los escalofríos pueden suprimirse parcialmente por control voluntario. La termogénesis sin escalofríos es la producción metabólica de calor por un medio distinto del tiritar. En animales de laboratorio como la rata, la exposidón al frío aumenta significativa· mente la producción de calor en la grasa parda ( i1! p. 77). El mecanismo para la producdón de calor por la grasa parda es el desacople mitocondrial. En este proceso, la energía que fluye a tt:avés del sistema de transporte de electrones ( ~ p. 108) es liberada como calor en lugar de almacenarse en ATP. El desacople m.itocondrial en respuesta al frío es promovido por hormonas tiroideas y por el aumento de la actividad simpática. La importancia de la termogénesis sin escalofríos en los seres humanos adultos es poco cl~. Los seres humanos naCen con cantidades importantes de grasa parda, que se encuentra fundamentalmente en el área interescapular, entre los omóplatos. En los recién nacidos, la termogénesis sin escalofríos en esta grasa parda contribuye significativamente a elevar y mantener la temperatura corporal. sm embargo, a medida que los niños crecen, la grasa blanca reemplaza gradualmente a la mayor parte de la grasa parda, Es muy difícil estudiar la grasa parda que queda porque la metodología experimental para hacerlo requiere extraer la grasa del cuerpo. Las respuestas del cuerpo a las temperaturas altas y bajas se resumen en la figura 22-21 m. En los ambientes fríos, el cuerpo in· tenta reducir la pérdida de calor mientras aumenta la producción de calor. En las temperaturas cálidas, ES cierto lo opuesto. Obser~ vemos en la figura 22-21 que las respuestas conductuales volun· tarias cumplen un papel importante en la regulación de la temperatura. Reducimos la actividad cuando el. clima es cálido, disminuyendo así la producción muscular de calor. En el_clima frío, usamos vestimentas extra, colocamos nuestras manos en las ax.i· las o nos acurrucamos para disminuir la pérdida de calor.

El sudor ayuda a perder calor La pérdida de calor en la superficiE aumenta por la evaporación del sudor. Según algunas EStimaciones, el tegumento humano tiene Z..3 millones de glándulas sudoríparas. Las concentraciones más altas se encuentran en la frente, el cuero cabelludo, las axilas, las palmas de las manos y las plantas de los pies. Las glándulas sudoríparas tienen un epitelio de transporte. Las células en la profundidad de la glándula secretan una solución isotónica similar al líquido inteiSticial. A medida que el líquido viaja a través del conducto hasta la piel se reabsorbe NaCI, lo que produce un sudor hipotónico. Una producción de sudor típica es de 1,5 L/hora. Con la aclimatación al clima cálido, algunas personas sudan 4:-6 L/hora. Pero, pueden mantener este ritmo elevado _sólo durante periodos breves a menos que beban para reemplazar el volumen de líquido perdido. La producción de sudor está regulada por nemonas simpáticas colinérgicas. El enfrtanúento por evaporación depende de la evaporación de agua del sudor sobre la superficie cutánea. Como el agua se evapora rápidamente en los ambientes secos pero lentamente o no lo hace en los húmedos, la capacidad del cuetpo para tolerar las temperaturas elevadas está directamente reladonada con la humedad relativa del aire. Los meteorólogos informan la combi- . El termostato corporal puede ser reconfigurado nación de calor y humedad como el indíce de calar o huinidex Las variadones en la reguladón de la temperatura corporal (temperatura aparente o sensación térmica). El aire que se mueve. pueden ser fisiológicas o patológícas. Los ejemplos de variación -. a través de una superfide cutánea sudorosa aumenta la evaporafisiológica incluyen el ritmo drcadiano de la temperatura corpoción aun con una humedad elevada, lo cual explica por qué son ral menctonado antes, las variadones del ciclo mEnstrual, los soútiles los abanicos en el clima cálido. focos posmenopáusicos y la fiebre. Estos procesos comparten un mecanismo común: la reconfiguración del termostato hipotaláEl cuerpo produce calor por el movimiento mico. y el metabolismo Los sofocos parecen ser disminuciones transitorias en el punto La producción de calor por el cuerpo cae en dos categorías: 1) de regulación del termostato causadas por la ausencia de estrógela producd.ón de calor no regulada por la contracción muscular nos. Cuando el. punto de regulación es más bajo, una temperatuvoluntaria y las vías metabólicas normales y 2) la producción de ra ambiente que previamente resultaba cómoda súbitamente se calor regulada para el mantenimiento d~ la homeostasis de temsiente demasiado alta. Este malestar desencadena las respuestas peratura en ambientes fríos. La producdón de calor regulada se termoneguladoras habituales al calor, que incluyen sudoración y divide a su vez en termogénesis con escalofríos y termogénesis sin vasodilatación cutánea, que produce rubor de la piel. escalofríos (Fig. 22-19). Durante muchos
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I

744

capítulo 22 Metabolismo y balance de energía

Regulación de la temperatura corporal hacen más lentas y el individuo pierde la contienda. Cuando el metabolismo se hace lento, el consumo de" oxígeno también dis-

minuye.

e Vasodilatación de los vasos sanguíneos cutáneos o Aumooto de !a sudoración

o VasoconstricciÓil davasos

a Respuestas conductuales

o Respuestas conductuales • Ponerse ropas protectoras

• Uso de ventiladores para aumentar !a pérdida de calor por convección • lfl!TlefSión en agua para aumentar la pérdida de calor por conducdón ~ R~e del sol para evitar el aumento de aporte de calor por radiación • Quitarse la ropa

;'1l!!%líi"if.$.o/"'rlf1~-~ó§§l~l. '"'~E&Y.;t!'J,W,~;c,-!f&ffi~ , ~ "~ "·~- • ·"2, o Disminuir la ingestión de alimento para reducir la producción obf!gatoria de calor e Respuestas conductuales

• Dlsminuc!ón de la actividad ffsica

sanguíneos cutáneos o Ausencia de sudomc!ón

ISIÓN

¿Porqué debe calentarse una cama de agua para per· mitir que un individuo duerma en ella confortable-mente? 21. ¿Una persona que rea!lza ejercicios al aire libre se so-

breca!ienta más rápidamente cuando la humedad del aire es baja o cuando es alta? RespuertM en !a p. 749

• Acurrucarse para minimizar la superficie expuesta • Colocarse cerca de una fuente de calor para aumentar el aporte de calor

por radiación

TRASTORNOS DE LA AL!ME~TAC!ÓN o Termogénesis con escalofrlo

o Termogénesis sin escalofrío (no

comprobada en !-os seres humanos

e Respuestas conductua!es

• Aumento de la actividad voluntaria

mFIGURA 22-21 Respuestas homeostátícas a las condidones ambientales externas

varios inmunodtos. Los pirógenos son citocinas productoras de fiebre que también tienen otros efectos. Se ha demostrado experimentalmente que algunas interleucinas (IL-1, 1[..6), algunos interferones y el factor de necrosis tumo· ral induceti. fiebre. Lo hacen reconfigurando el termostato hipotalámico en un punto d~ regulación más alto. La temperatura ambiente normal se siente demasiado fría y el paciente comienza a tiritar, lo que cr.éa calor adicional. Los pirógenos también pueden aumentar la termogénesis sin escalofríos, lo que hace que la tero~ peratura corporal se eleve. · · La importancia adaptativa de la fiebre sigue siendo poco da·ra, pero parece aumentar la acti.vida~ de los leucocitos involucrados en la respuesta inm~tarta. Por esta razón, algunos investigadores cuestionan el hecho de que los pacientes con fiebre reciban aspirina y ótros fármacos que reducen la fiebre simplemente para sentirse mejor. Sin embargo, la fiebre elevada puede ser peligrosa; una temPeratura de 4f ce que dura algo más que un breve períodoproduce dañ.o encefállco. Los trastornoS patológicos en los cuales la temperatura corporal sale fuera del-rango normal iricluyen diferentes estados de hipertermiiz e hipotermia. El agotamiento por calor y el golpe de calor son las formas más frecuentes de hipertermia, un trastorno eti el cual la-temperatura corporal se eleva hasta valores anormalmelJ,te altos. El agotamiento por calor se caracteriza por deshidratad6n grave y temperaturas corporales centrales de 37,5-39 oc.·

Las víctimas de ahogamiento en agua fría a veces pueden ser revividas sin dafio cerebral si han entrado en un estado de hipotermia. Esta observación condujo al desarrollo de una hipotermia inducida para ciertos procedimientos quirúrgicos, como la cirugía cardíaca. El paciente es enfriado hasta 21·24 ~e de modo qúe la demanda tisular de oxígeno pueda ser cubierta por la oxigenación artlfidal de la sangre por una bomba extracorpórea. Una vez coro~ pletada la drugía, el paciente es recalentado gradualmente.

745

Los pacientes pueden experimentar calambres musculares, náuseas y cefalea. En general, suelen estar pálidos y sudar profusamente. El agotamiento por calor a menudo ocurre en individuos que realizan actividades fisicas en climas húmedos y cálidos a los cuales no se encuentran aclimatizados. También ocurre enlosancianos, 01ya capaddad de termorregulación está disminuida. El golpe de calor es una forma más grave de hipertermia, con temperaturas corporales centrales más altas. En general, la piel está roja y seca. Es importante enfriar inmediata y rápidamente a estos pacientes, ya que las enzimas y otras proteínas conuenzan a desnaturalizarse a temperaturas por encima de 41 ~- La mortalidad en el golpe de calor es de casi el 50%; la hipertermia maligna, en la cual la temperatura corporal se toma anormalmente elevada, es un trastorno con base genética. Un canal de Ca2+ defechtoso en el músculo esquelético libera demasiado Ca2+ en el citoplasma. Cuando los transportadores celulares funcionan para llevar Ca2+ nuevamente a Iá.s mitocondrias y el retículo sarcoplásmico, el calor liberado por la hidrólisis del ATP eleva sustancialmente la temperatura corpoial. Algunos investigadores han sugerido que una versión menor de este proceso desempefia un papel en la termogénesis sin escalofríos en los mamíferos. La hipotennia, trastorno en el cual la temperatura coiporal cae demasiado, también es un trastorno peligroso. Amedida que la temperatura corporal central cae, las reacciones enzimáticas se

Nicole finalinente estuvo de acuerdO con someterse a una terapia -e ingresar en un progiama terapé~ko pilra la anorexia nerviosa. Tuvo suerte: su muñeca airó y sus complicaciones médiciis podrí~n haber sido mucho peores. Después de ver a Nicole y conversar con . ella sobre la anorexia, Saf.l reconoció que ella también' necesitaba ver a un terapeuta. Aunque ya no era una ba~arina, Sara aun utilizaba pl!dori!s para adé!gazar; diuréticos 'fJ
tan grave como !a_anorexia nerviosa Yque, según se estima, afecta al 4% de :tas mujeres. _Sus efectos fisiológicos y tratamiento son simflares a los de la anorexia nerviosa. Para aprender más acerca de la fisiopato!og!a y el tratamiento de; la anorexia y la bulimia. busque "trastornOs alimenticiOs• (~eating disorders") eri la-PáQími web de University_ of califomia at Dai.tis Hea\th S}tstem, http://wellness.ucdavis.edu. Para buscar ayuda de un grupo de apoyo. véase la página web de la National Association of Anorexia Nerviosa and Assodated Disordel'5 en WMV.ana-d.org.

HECHOS

Si midiera la concentración de lepti- la lePtlna es una hormona secretada por e1 na de Nicole, ¿qué esperarla encon- · ·tejida: adiposo. · · trar? 2 ¿Se puede esperar·que Nico!e tenga concentraciones elevadas o dismi· nuidas de neuropéptido (NPY)?

INTEGRACIÓN YANt\US!S Nkole tiene poco tejido adiposo, de modo que. teñdrfa una baja concentración de leptina.

El NPY es inhibidó por la leptina. El NPY es:- • ·Como su concentración de leptina es baja, se timu!a los centros de alimentación. podría predecir que el NPY estará elevado y se estimulará la alimentación. Sin embargo, el centro de alimentación es afectado pr;¡r otros factores además del NPY (FiQ. 22·1). Á!gunos estudios cerebrales de pacJentes anoréxlcos mueStran concentraciones elevadaS de CRH (cuadro 22·1), que se opon~ al NPY y disminuye _la alimentación..

3 ¿Cómo se llama el tra~omo del K+ El K+ de Nicole es de 2,5 mEq/l y el normal Las bajas concentraciones plasmáticas de K+ se de Nko!e? ¿Qué efectos tiene su es de 3,5-5 mEq/L denominan hipopotasemia. La hipopotaseinia trastorno del K~ sobre el potendcil hace que el poteodal de membrana se hiperde membran_a en reposo de sus célu- ·. . polariCe (f.l! p. 269).. las?

1

746

Preguntas

Capítulo 22 Metabolismo y balance de energía 7. la medición del consumo de oxigeno es el ~étodo más frecuente para estimar el gasto energético. (p. 720) 8. El cociente respiratorio o cociente de intercambio respiratorio es la relación del C02 producido con el 0 2 consumido. El cociente respiratorio varia según la dieta. (p. 720}

4 ¿Por qué el doctor Ayani desea controlar la función cardiaca de Nicole?

De acuerdo con los valores dinicos, ¿cuál es el Estado de! equilibrio ácido-base de Nicole?

El múS
La hipopotasemia puede alterar el potencial de membrana de las células autorrítimicas y contráctiles cardiacas y producir una arritmia potencialmente fatal.

El pH de Nicole es de 7,52 y su HC03• en plasma está elevado en 40 mEq!L

El pH normal es de 7,38-7,42, de modo que ella está en alcalosis. Su HCO; elevado indica una alcalosis metabólica. la causa es probablemente el vómito inducido y la pérdida de HC! de su estómago.

~~~~-""~-·-~~·~ .. -"········~·-~··~~·

6

De acuerdo con lo que aprendió en los capítulos 14 y 15 acerca de la frecuencia cardíaca y la presión arterial, esperule por qué Nicole

Su presión arterial es de 80/50 {baja) y

su pulso es de 90 {alto).

tiene hipotensión arterial con un pulso rápido.

Normalmente, el aumento de la frecuencia cardiaca aumentaría la presión arterial. En este caso, el aumento del pulso es un intento compensatorio para elevar su presión arterial baja. Es probable que fa presión arterial baja sea el resultado de la deshidratación •.

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7 ¿Esperaría usted que las coilcen· Todos !os estímulos primarios para !a tradones de renina y aldosterona secreción de renina se asocian con hide Nicole fueran normales, elevapotensión arterial. La renina comienza das o bajas? ¿Cómo podrían re!a-_ la vla del sistema renina-angioten_sinadonarse estas concentraciones coil · aldosterona que estimula la se<:redón su alteración de! K+? de a!dosterona. 8

Dé algunas raz-ones posibles de por qué Nicole había estado sintiéndose débil durante los ensayos de danz-a.

g~-¿p~~ q~é P~ría u~ agonista del NPY ayudar en los casos de anorexia?

En el metabolismo en estado de ayuno, el cuerpo degrada el músculo esquelético. El NPY estimula el centro de alimentación.

Como la presión arterial de Nicole es baja, se esperarían concentraciones elevadaS de renina y a!dosterona. La aldosterona promueve la secredón renal de K+, [o que reducirla su carga corporal de K+. Ella probablemente tiene bajo aporte de K+ en ¡a dieta, lo que contribuye a su. hipopotasemia. La pérdida de proteínas de.! músculo ~sque!ético, la

hipopotasemla y Posiblemente la hipoglucemia podrian ser todas causas de la debilidad de Nico!e. Un agonista del NPY podría estimular el centro de alimentación y ayudar a que Nico!e tenga ganas de comer.

~mmwm1·WII

9. El indice metabólico basal es el índice metabólico míni.mo de un individuo. Índice metabólico (kcaUd.ía) = L de 0 2 consumidos/día x kcal/L de 0 2• {p. 720) 10. la termogénesis inducida por la ingesta es un aumento en !a· producción de calor después de la comida. (p. 720) 11. El glucógeno y la grasa son las dos formas primarias de almacenamiento de energía en el cuerpo humano. (p. 721) .

Metabolismo 12. Metabolismo son todas las reacciones químicas que extraen, utilizan o almacenan energía. (p. 721; Figs. 22-2, 22-3) 13. Las vías anabólicas usan pequeñas moléculas para sintetiZar otras más grandes. Las vías catabólicas rondan o degradan las moléculas grandes en otras más pequeñas. (p. 721) 14. El metabolismo está dividido en el estado posprandial (absortivo) y el estado de ayuno {posabsortivn). El estado posprandial es anabólico, y el estado de ayuno es catabólico. (p. 722) 15. Glucogenogénesis es la síntesis de glucógeno. Glucogenólisis es la degradación de glucógeno.- (p. 722; Fig. 22-4) 16. La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa a partir de precursores no hidratos de carbono, especialmente aminoácidos. (p. 722) 17. Las grasas ingeridas entran en la circulación como quilomicrones. la

lipoproteinlipasa degrada los triglicéridos y deja los remanentes de los quilomicrones para que sean captados y metabolizados por el hígado (p. 725; Fig. 22-5) 18. El hígado secreta complejos de lipoproteínas, como LDL y HDL Las apolipoproteinas A y Bson los ligandos para la endocitosis mediada por receptores de los complejos de lipoproteínas. (p. 725; Flg. 22-5) 19. I.a LDLe!evada y la HDL baja en la sangre son factores de riesgo para · la cardiopatía coronaria. Los tratamientos para reducir el colesterol disminuyen la captadón o la síntesis de colesterol o aumentan su depuración. (p. 725) 20. La función del metabolismo en estado de ayuno es mantener concentraciones plasmáticas suficientes de glucosa porque ella es normal· mente el único combustible que puede metabolizar el cerebro. (p. 727; Fig. 22-7) 21. En el estado de ayuno, el hígado produce glucosa a partir de glucógeno y aminoácidos. la betaoxidación de los ácidos grasos forma cuerpos cetónicos ácidos. (p. 727; fig. 22-7)

747

Control homeostático del metabolismo 22. la regulación metabólica depende de !a relación entre insulina y glucagón. la inSulina domina el estado posprand!al y disminuye !a glucosa plasmática. El glucagón domina el estado de ayuno y aumen~ la glucosa plasmática. (p. 728; Figs. 22-9, 22-10) 23. Los islotes de Langerhans secretan insulina y amilina a partir de las

células ~. glucagón desde las células a y somatostatina de las células D. (p. 728; Fig. 22..S} 24. E! aumento de las concentraciones plasmáticas de glucosa y aminoá· ddos estimula la secreción de insulina. Las hormonas gastrointestinales y las aferenctas parasimpáticas la amplifican. Las señales simpáticas inhiben la secreción de Insulina. (p. 730} 25. la insulina se une a un receptor de tirosinclnasa y activa múltiples sustratos del receptor de insulina. (p. 731; Fig. ZZ..ll) 26. LQs principales tejidos diana para la insulina son el hígado, el tejido adiposo y los músculos esqueléticos. Algunos tejidos son insuUnoindependientes. (p. 731) 27. La insulina aumenta el transporte de glucosa al músculo y el tejido adiposo, así como la utilización de glucosa y el almacenamiento de glucosa y de grasas. (p. 731; Figs. 22-12, 22-14) 28. El glucagón estimula la glucogenólisis y la gluconeogénesis. (p. 734; Fig. 22-15) 29. la diabetes 'mellitus es un grupo de trastornos caracterizados por una secreción anormal o una actividad anormal de la insulina que produce hiperglucemia. En la diabetes tipo l,las células.~ del páncreas son destruidas por anticuerpos. En la diabetes tipo 2, los tejidos diana no responden normalmente a la insulina. (pp. 734-735) 30.la diabetes tipo 1 se caracteriZa por catabolismo del músculo y del tejido acliposo, glucosuria, poliuria y cetoacidosis metabólica. Los diabéticos tipo 2 tienen sintomas menos agudos. En ambos tipos, las complicadones incluyen aterosderosls; cambios Jieuro!óglcos y problemas en los ojos y los riñones. (p. 736; Ftg. 22-16) 31. El síndrome metabólico es un trastorno en el cual las personas tienen obesidad centra!, concentraciones elevadas de glucosa en ayunas y lípidos elevados. Estos indiViduos tienen alto riesgo de enfermedad cardiovascu!ar. (p. 739)

Regulación de fa temperatura corporal 32. la homeostasls de la temperatura corporal está controlada por el hipotálamo. (p. 741} 33.la pérdida de calor del cuerpo se produce pot radiadón, conducción,

convección y evaporación. La pérdida de calor es promovida por la vasodi!atactón cutánea y la sudoración. (p. 743; Fig. 22-19) 34. El calor es generado por la termogénesis con escalofríos y por la termogénesis sin escalofríos. {p. 743; Figs. 22-19, 22-20)

PREGUNTAS

RESUMEN DEL CAPÍTULO

(Véanse las respuestas en el apéndia A) El balance de energía en el cuerpo significa que el ingreso de energía del cuerpo es igual a la salida de energía del cuerpo. El mismo principio de equilibrio se aplica al metabolismo: la cantidad de nutriente en cada uno de los pools de nutrientes de cuerpo depende de ingresos y egresos. La homeostasis de la glucosa es uno de los objetivos más importantes del metabolismo regulado, porque sin glucosa suficiente el cerebro es incapaz de funcionar. El flu¡o de sustanctas a través de !as vías bioquímicas del metabolismo depende de las interacciones moleculares entre sustancias y enzi·

m".

l. El hipotálamo contiene un centro de alimentactón tónicamente ac-

tivo y un centro de saciedad que inhibe al centro de alimentación. (p. 717) 2. Las concentraciones sanguíneas de glucosa (teoría glucortática) y el

contenido de grasas del cuerpo (teoría lipostática) influyen en el deseo de comer. (p. 717} 3. La ingestión de alimentos está influida pordis!intos péptidos, que incluyen leptina, neuropéptido Yy grelina. (p. 717; Fig.. 22-1)

Balance de energía 4. En el balance de energía, el aporte de energía iguala a la pérdida de energía. (p. 718) S. El cuerpo utiliza la energía para transporte, movimiento y trabajo químico. (pp. 718-719) 6. El contenido de energía de los alimentos se mide mediante calorime· tría directa. (p. 719)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. 2. 3. 4.

Defina las vías metabólicas, anabólicas y catabólicas. Mencione y explique brevemente las tres formas de trabajo biológico. Defina una kilocaloría. ¿Qué es la calorimetría directa? ¿Qué es el cociente respiratorio? ¿CUál es el valor típico de un cociente respiratorio para !a dieta estadOtmidense? 5. Defina índice metabólico basal. ¿Bajo qué condiciones Se mide? ¿Por qué el índice metabólico basal promedio difiere en !os ho!Ilbres y las mujeres adultos? Mencione al menos cuatro factores distintos del sexo que puedan afectar el índice metabólico basal en los seres hmnanos. 6. ¿Cuáles son los tres destinos generales de las biomo!éculai en el cuerpo? 7. ¿Cuáles son las principales diferencias entre el metabolismo en los estados absortivo y posabsortlvo?

8. ¿Qué es un pool de nutrientes? ¿Cuáles son los tres pools de nutrientes primarios del cuerpo? 9. ¿Cuál es el objetivo primario del metabolismo en estado de ayuno? 10. ¿En qué formas se almacena el exceso de energía en el cuerpo? 11. ¿Cuáles son los tres destinos posibles para las proteínas ingeridas? ¿Para las grasas ingeridas? 12. Menctone las dos hormonas que regulan el metabolismo de la glucosa y explique qué efecto tiene cada hormona sobre las conceÚtraciones de glucemia. 13. ¿Qué moléculas no hidratos de carbono pueden trarisformarse en glucosa? ¿Cómo se llaman las vías a través de las cuáles estas moléculas se convierten en glucosa? 14. ¿Bajo qué circunstancias se forman los cuerpos cetónicos? ¿A partir de

748

Capftulo 22 Metabolismo y balance de energía Respuestas

qué biomolécula se fonnan los cuerpos cetónkos? ¿Cómo son utiliza. dos por el cuerpo, y por qué es potencialmente pelfgrosa su fonna. dón? •· 15. Mendone dos estímulos que aumenten la secredón de InruUna y un estímulo que inhiba la secreción de Insulina. 16. ¿Cuáles son los dos tipos de diabetes mellitus? ¿Cómo difieren sus causas y sus síntomas básicos? 17. ¿Qué factores liberan glucagón? ¿Qué órgano es el sitio diana prima· rlo del glucagón? ¿Qué efecto/s produce el glucagón? 18. Defina los siguientes términos y explique su Importancia fisiológica: a) llpoproteinlipasa e) apolipoproteina b) amilina f) leptina e) grelina g) diureSis osmótica d) neuropéptido Y h) resistencia a la insulina 19. ¿Qué efecto tiene la insulina sobre: a) glucólisiS d) Upogénesis b) gluconeogénesiS e) síntesiS de proteínas e) glucogenogénesis

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 20, Mapa conceptual: dibuje un mapa que compare el estado posprandial y el estado de ayuno, Para cada estado, compare el metabolismo en los múseulos esqueléticos, el encéfalo, el tejido adiposo y el hígado. Indique qué hormonas están activas en eada mapa y en qué puntos ejercen su influencia. 21. Examine los gráficos de secreción de Insulina y glucagón de la fiSura 22-10. ¿Por qué algunos investigadores han arribado a la conclusión de que la relad6n entre estas dos hormonas determina si la glucosa será almacenada o liberada del almacenamiento? 22. Defina, compare y contraste o relacione los ténninos en cada uno de los siguientes cOnjuntos: a) glucQSa, glucogenólisis, glucogenogénes!S, gluooneogénesls, glu. cagón, glucóllsis b) termogénes!s con escalofrío, termogéne.sJ"s sin escalofrío, termogénesis inducida por la ingesta e) lipoproteinas, quflomicrones, colesterol, HDL, WL, apollpoproteínas d) calorimetría ditecta e indirecta e) pérdida de calor por conducción, pérdida de calor por radiación, pérdida de calor por convección, pérdida de calor por evaporadOn

f) estados absortivo y posabsorttvo 23. Describa (o realice un mapa) de los eventos fislológicos.que conducen a los siguientes signos o síntomas en un diabético tipo 1: a) hiperglucemia d) cetosiS b) glucosuria e) deshidtatación e) poliuria f) sed intensa

24. Tanto insulina como glucagón son libérados luego de li1 lngesta de una comlda proteica que eleva las concentraciones plasmáticas de aminoácidos; ¿Por qué es necesatla !~ secreción de ambas hormonas? 25. Explique la teoría actual de control de la lngesta de alimentos. Util!ce los siguientes términos en su explicación: hipotálamo, centro de alimentación, centro de saciedad, apetito, leptina, NPY, neuropépti~ dos. • 26. Compare la termorregulación humana en ambientes cálidos y en am. blentes fries.

NIVEL 3: RESOLUCIÓI\I DE PROBLEMAS 27. Scott es un fislcoculturista que consume gran cantidad de suplementos de aminoácidos con la idea de que aumentarán su masa muscular. Cree que tos aminoácidos que consume son almacenados en su cuerpo hasta que los oo.:esita. ¿Tiene taZÓn Scott? Explique, 28. Dibuje y rotule un gráfico que muestre el efecto de la secredón de insulina sobre la concentración plasmática, de glucosa. 29. Uno de los debates en el tratamiento con liquidas para la cetoaddosis diabética es si se debe admlnistrar bicarbonato. Aunque en general se acepta que cl bicarbonato debe ser administrado si el pH sanguíneo del paciente es< 7, 1 (potencialmente fatal),.la mayoria de Jos autO-res no administran bicarbonato en otros casos. Una razón de por qué no se administra bicarbonato se relaciona con la capacidad fijadora de o;dgeno de la hemoglobina. En la cetoacidosis diabética, los pa· dentes tienen concentraciones bajas de 2,3-DPG (p. 598). Cuando la acidosis se corrige rápidamente, el 2,3--DPG se recupera mucho más lentamente y puede tardar 24 o más horas en retornar a la nor!T'.aü&d. Dibuje y rotule un gráfico de la curva de disoctadón. nonnal del OXí· geno (p. 597), Explique brevemente y trace líneas en el mismo gráfico

para mostrar. a) ¿qué sucede con la liberación de oxigeno durante la cetoaddosis diabética como resultado de la acidosis y de las bajas concentraciones. de 2,3-DPG? b) ¿qué: sucede con la liberación de oxígeno ruando la acidosis metabólica es corregida rápidamente con bicarbonato?

saciedad hace que un animal deje de ~omer. Ambos centros se locali· zan e,n el hipotálamo. 2. El prOblema podría estar ocasionado por una reactividad tisular anor· mat una célula diana sin receptores para !eptina o con réo!ptores de· fectubSOs. Podría también existir un problema con la m de transducctón de señales/segundo mensajero.

12. Los tejidos diana primarios para la insulina son el hígado,_ el múscu· lo y el tejido adiposo. 13. Si la captación de glucosa dependiera de la insulina, el intestino, el túbulo renal y las neuronas no podrían absorber glucosa en el estado de ayuno. Las neuronas utilizan exclusivamente glucosa para su metabolismo y deben poder captarla Siémpre. 14, Durante la lucha o la huida,. los músculos esqueléticos necesitan glucosa como fuente de energía. La inhibición de la secrectón de insuli· na hace que cl hígado hbere glucosa en la sangre e impide que las cé-lulas adiposas la capten, lo que deja más glucosa disponible para que se ejercite el músculo, que no requiere insulina para la captación de glucosa. Página734

15. La glucogenólisis y la gluconeogénesis producen glucosa, pero laglu· cOgenólisis lo hace a través de la degradación de glucógeno, _mientras que la gluconeogériesis utiliza aminoácidos o gUcerol pata formar glucosa nueva. Página 739 16. La insulina es una proteína y será destruida si es administrada por vía

ornl

17, Aunque los pacientes deshidratados pueden tener concentractones plasmátieas elevadas de K+, su cantidad total de K+ está por debajo de lo normal. Si el volumen de liquido se restablece hasta la normalidad sin agregar K+, disminuirá la concentradón de K+ por debajo .de la normal. · Página 743

18. La noradrenalina se une a los receptores a para produdrvasoconstrleción. 19. Los investigadores probablemente clasificaron a las neuronas como simpáticas por el sitio en que salen de la médula espinal. Página 744

20. El agua más fría que la temperatura corporal quitará el calor del cuerpo por transferencia de calor por conducción. Si esta pérdida excede la produCción de calor del cuerpo, la persona senfuá frío. 21. Una persona que realiza ejercicio en un medio ambiente húmedo pierde el beneficio del enfriamiento por evaporación y es probable que se sobrecallente más rápido.

Respuestas a las preguntas de figuras y gráficos Página 724 Figura 22-3: l. (a) cerca de la flecha hada arriba desde G-6-P hasta glucógeno, (b) cerca de la flecha desde los ácidos grasos hasta acetll CoA, (e) cerca de la flecha desde acetll CoA a ácido grasos,. {d) cerca de la flecha hacia abajo desde glucógeno hasta G-6--P, (e) con el sistema de transporte de electrones. 2. No, los aminoácidos que entran al ciclo del ácido citrfco no pueden ser utilizados para formar glucosa porque el paso desde el piruva. to hasta la acetil CoA no es revetsible. Página 727 Figura 22-6: El efecto máximo lo tiene la disminución desde 190 hasta

160mg/dL

30. Una fonna de estima~~ obesidad es calcular el índice de masa cor· poral de _una persona. Un fudice de masa corporal mayor de 25 {para los hombres} o de 30 (para las mujeres) es considerado Un Signo de obesidad. Calcule su fudice de masa corporal: divida su peso corporal en kilogramos por el cuadtado de su altura en metros: kg/mt. 31. ¿Cuál es el contenido de calorfas de una porción de espagueti con albóndigas que contienen 6 g de grasa, 30 g de hidratos de carbono y 8 g de proteínas? ¿Qué porcentaje de las calorlas aporta la grasa?

"'""-=>==>=---==---=~<>=

Página 718 l. El centro de alimentación hace que un animal coma, y el centro de

do que los efectos colaterales poSibles son diUreas grasas y tina absorción insuficiente de las vitaminas llposoiubles. Página 728 10. Los aminoácidos utilizados para.la energía se convierten en piruvato o entran en el ddo del áddo dtrico. 11. El colesterol plasmático fstá ligado a una proteína transport3dora y no puede difundir a través de !a membrana celular. Página 733

749

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS

-

RESPUESTAS

t/Respu~stas a las preguntas de revisión

Página 727• 9. Los secuestradores-de ácidos biliares y la ezetiiniba retienen sales bi· liares y colesterol en la luz intestinal para que sean excretados, de mO--

Página 721

3. Estos siete factores son edad, sexo, masa muscular magra, actividad, dirta, hormonas, genética. 4. Un gramo de grasa contiene más del doble de energla que un gramo de glucógeno. S. ~R¡ 2 06 +601 ~6CC\+6Hz0 6. Cociente respiratorio"" co.¡o2"" 6!6 =l. Página724

7. La glucogenogénesis es la síntesis de glucógeno; la gluconeogé:nesiS es la síntesis de glucosa a partir de aminoácidos o glicerol. 8. Los transportadores GLUf son transportadores por difusión facilitada pasiva.

1

Glucocorticoides suprarrenales

2.

Control endocrino del crecimiento y ei metabolismo ....

751 753 754 755 755 756

-~.-.C!:'J:;<

>--'

~F,,-·

la corteza suprarrenal secreta hormonas esteroideas La secreción de cortisbl es controlada por la AcrH El cortisol es esencial para la vida El cortisol es un agente terapéutico útil Los trastornos del cortisol se deben a demasiada hormona o muy poca hormona La CRH y la AGH tienen funciones fisiológicas adicionales

':'(;::,;·e·toni!:i tirüi-:I~2:S 757 las hormonas tiroideas contienen yodo

759 Las hormonas tiroideas afectan la calidad de vida 760 La TSH controla a !a glándula tiroides ;.;c~·,o

762 764 764

.,;. ,~¡0

crcci

;1i.¡;;; _;,

La hormona de crecimiento es anabólica

La hormona de crecimiento es esencial para el crecimiento en los niños La hormona de crecimiento humana obtenida por ingeniería genética plantea cuestiones éticas

úe:icTli-2-fTt;:; tise\c.i~ y 0~.20 El crecimiento tisular requiere hormonas y paracrinos El crecimiento óseo requiere un aporte de calcio suficiente

765 765

;;;alance ve c&i6·: 767

l.Qs concentraciones de calcio en la sangre están cuidadosamente reguladas 768 Tr'es hormonas controlan el balance de calcio 770 la homeostasis del calcio y el fosfato están relacionadas 771 la osteoporosis es una enfermedad de pérdida ósea

INFORMACIÓN BÁSICA Matriz: 68; Metabolismo intermedio: 101; Hormonas peptídicas: 217; Hormonas esteroideas: 219; Vías de control para las hormonas hipofisarias: 226; Permisividad: 231; Enfermedades endocrinas primarias y secundarias: 232; Médula suprarrenal: 385

"Fracturas en los huesos con cálculos renales, gemidos abdominales y quejas en Jos sesos." los estudiantes de medicina memorizan esta regla en verso cuando estudian el hiperparatkoidismo, una enfennedad en la cual las glándulas paratiroides ( iJ! fig. 7~2} trabajan de más y producen un exceso de hormona paratiroidea (PTH), La doctora Adiaha Spinks de repente recuerda la re91a cuando examina al profesor Bob Magruder;· que ha f!egado a su consultorio dolorido por un cálculo renal alojado en su uréter. Al preguntarle sobre sus síntomas, el profesor Magruder también menciona dolores en las tibias, debilidad muscular, un malestar gástrico y una leve depresión. "Creía que era sólo el estrés por la publicación de ml libro", dijo. Pero a !a doctora Spinks la combi· nadón de sfntomas de! profesor Magruder le hace sospechar hiperparatiroidismo,

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771

3.

4.

772

';9

En 1998 Mark McGwire fue noticia cuando marcó 70 jonrones, sobrepasando el récord de jonrones en una sola temporada establecido por Roger Maris en 1961. McGwire también provocó una tormenta de controversias cuando admitió que estaba tomando androstenadiona, una prohormona esteroidea que mejora el rendimiento, prohibida por el Comité Olímpico Internacional y otros grupos pero no por el béisbol profesional. Como resultado de la controversia, el Congreso aprobó la Ley de los Esteroides Anabólicos de 2004, que convirtió a la androstenodiona y a otras prohormonas esteroideas en sustancias controladas, de venta sólo bajo prescdpción médica. ¿Qué es esta prohormona y por qué es tan controvertida? Usted aprenderá más sobre la androstenodiona en este capítulo a medida que expliquemos las hormonas que desempeñan un papel en la regulación a largo plazo del metabolismo y el credmiento. En los in· dividuos normales puede ser dificil estudiar estas hormonas porque sus efectos son sutiles y las interacciones entre ellas son complejas. En consecuencia, gran parte de Jo que sabemos sobre la endocrinología proviene del estudio de los trastornos patológicos en los cuales existe hipersecredón o híposecreción de una hormona. Sin em~ bargo, en años recientes, los adelantos de biología molecular y el uso de modelos animales transgénicos han permitido a los científicos aprender más acerca de la acción hormonal a nivel celular.

REVISIÓN DE LOS PRINCIPIOS ENDOCRINOS Antes de profundizar sobre las diferentes hormonas, demos una rápida revisión de algunos principios básicos y patrones de la endocrinología que fueron introducidos en el capítulo 7,

S.

6.

751

tán controladas por hormonas tróficas hipotatámicas y de la hipófisís anterior {adenolúpofisarias). Patrones de retroalimentación (;¡;;p. 199). La sella! de re· troalimentación negativa para una vía endocrina simple es la respuesta sistémica a la hormona. Por ejemplo, la secreción de insuUna se inhibe cuando las concentraciones sanguineas de glucosa disminuyen. En las vías complejas que utilizan el sistema de control hipotálamo-hipofisario, la señal de retroalimentación puede ser la propia hormona. En las enfermedades endocrinas, es posible que las señales de retroalimentación no funcionen correctamente. Receptores hormonales (~p. 217). Los receptores hormonales pueden estar sobre la superficie de !a célula o en su interior. Respuestas celulares (~p. 221). En general, la;; células diana hormonales responden modificando las proteínas existentes o fabricando nuevas proteínas. Las diferencias históricas entre las acciones de las hormonas peptídicas y esteroideas ya no son válidas. Algunas hormonas esteroi· deas ejercen efectos rápidos no genómicos y algunas hormonas peptídicas alteran la transcripción y la traducción. Magnitud de la respuesta de las células diana (~p. 233). La cantidad de hormona activa disponible para la célula y la cantidad y la actividad de los receptores de la célula diana determinan la magnitud de la respuesta de la célula. Las células pueden regular sus receptores por incremento o por disminución para modificar sus respuestas. Las células que no tienen receptores hormonales no responden. Enfermedades endocrinas (S p. 232). Las enfermedades endocrinas son el resultado de a) un exceso en la secreción de la hormona, b) una secredón insuficiente de la honnona y e) una respuesta anormal de la célula diana a la hor~ mona. En la actualidad parece que la faUa de la célula dia. na para responder apropiadamente a su hormona es una de las causas más importantes de Jos trastornos endocrinos.

En las siguientes secciones examinaremos primero los corti· coesteroides suprarrenales y las hormonas tiroideas, dos grupos de hormonas que influyen en el metabolismo a largo plazo. Luego consideraremos el control endocrino del crecimiento.

.

GLUCOCORTICOIDES SUPRARRENALES La glándula suprarrenal, al igual que la hipófisis, está formada por dos tejidos embriológicamente distintos que se fusionan durante el desarrollo. Este órgano complejo secreta varias hormo· nas, tanto neurohormonas como hormonas clásicas (Fig. 23-1m). La médula suprarrenal ocupa un poco más del 25% de la masa intema y está compuesta por ganglios simpáticos modificados que secretan cateco!aminas (prindpalmente adrenalina) para mediar respuestas rápidas en las situaciones de lucha o huida ( ~ p. 377). La corteza suprarrenal forma el 75% externo de la glándula y secreta distintas hormonas esteroideas.

La corteza suprarrenal secreta hormonas esteroideas 1. El sistema de control hipotálamo-hipofisario (¡¡¡;p.

227). Varias de las hormonas descritas en este capítulo es-

. l .

La corteza suprarrenal secreta tres tipos principales de hormonas esteroideas: aldosterona (a veces llamada mineralocorticoide

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752

Glucocorticoides suprarrenales

Capítulo 23 Control endocrino del t:redmiento y el ml!:tabolismo

El hiperparatiroidismo produoo la reabsorción del hueso y !a !iberadón de fosfato de
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,,¡ ll i" ?65

¡11

772

debido a sus efectos sobre los minerales sodio y potasio) ( iil!p. 652), glucocorticoides y hormonas sexuales. Desde el puilto de vista histológico, la corteza suprarrenal está dividida en tres capas o zonas (Fig. 23-lc). La zoTUJ glomerularextema secreta sólo aldosterona. La zona reticular interna secreta principalmente andrógenos, las hormonas sexuales dominantes en ldS hombres. La zona fasdcular media secreta principalmente glucocorticoides, llamados así por su capacidad para aumentar las concentraciones plasmáticas de glucosa. El cortisol es el principal glucocorticoide secretado por la corteza suprarrenal.

La vía general de Smtesis de las hormonas esteroideas se muestra en la figura 23·2il Todas las ho~onas esteroideas comienzan con colesterol, que es modificadO por múltiples enzimas terminando en aldosterona, glucocorticoides o esteroides sexuales (andrógenos y estrógenos y progesterona, las hormonas sexuales dominantes en las mujeres). Las vías son las mismas enla corteza su-· prarrenal, las gónadas yla placenta; lo que difiere de un tejido a otro es la distribución de las enzimas que catalizan las diferentes reacciones. Por ejemplo, la enzima que elabora aldosterona se encuentra sólo en una de las tres zonas de la corteza suprarrenal. Este capítulo comenzó con la historia del jugador de béisbol Mark McGwil:e y el uso controvertido del suplemento de amirostenodiona. La figura 23·2 muestra que esta prohormona es un paso en la síntesis de testosterona y dihidrotestosterona. Un precur· sor de la androstenodiona, la dehidroepiandrosterona (DHEA), se utili2a como suplemento dietético. En los Estados Unidos, la ven· ta de DHEA no está regulada, a pesar de que esta sustancia es convertida en androstenodiona y testosterona, sustancias controladas cuyo uso está ampliamente prohibido por asociaciones deportivas. La estrecha similitud estructural entre las hormonas esteroideas significa que los sitios de unión de sus receptores también son similares, lo que puede producir efectos cmzados cuando un esteroide se une al receptor para una molécula relacionada. Por ejemplo, los receptores de mi-ne:ralocQrticoides para la aldosterona se encuentran en la nefrona distal. Los reéeptores de miner.ilocorticoides también se unen y responden al cortisol, que puede estar toO veces más concentrado en la sangre que la aldosterona. ¿Qué impide que el cortisol se una a un receptor de mineralocorticoi-. des e influya en la excreción de Na+ y K•? En este ejemplo, las células tubulares renales con receptores de mineralocorticoides también tienen una enzima que convierte el cortisol en una forma menos activa con baja especificidad para los receptores de mineralocorticoides, bloqueando asi el efecto cruzado. La actividad

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753

ru¡eNCi;s··"~-···-

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~ 21-hidroxilasa

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GUNTAS ~ Un bebé Mee con una mutación

genética que produce una defic[encia de la enzima 21-hidroxuaSa. De acuerdo con el papel de esta enzima en la vla, ¿qué sfntomas podría tener el bebé? ~¿Tendrán !Os hombres o las mujeres más actividad de aromatasa?

iil AGURA 23-2 V/as sintéticas para las hormonas esteroideas Todas las hormonas esteroideas se sintetizan a partir del colesterol. Los recuadros en blanco son compuestos intermedios cuyos nombres han sido omitidos para simplificar. Cada paso es catalizado por una enzima, pero en esta figura sólo se muestran dos.

cruzada y la estrecha relación de las vías de $.tesis para las hormonas esteroideas hace que, en muchos trastornos endocrinos, los pacientes pueden experimentar síntomas relacionados con más de una honnona. S IÓN Mencione las dos partes de la glándula suprarrenal y las prindpa!es hormonas secretadas por cada parte. ·

1•1

~)

1 iJ FIGURA 23M1 Estructura y fundón de la glándula suprarrenal

{o)

2. ¿Para qué hormonas es prehormona la androstenodiona? (véase Fig. 23-2). ¿Por qué podr!a erta prehormo,. na constituir una ventaja para un atleta 7 Respuestas en la p. n4

1

La secreci~n de cortisol está controlada por la ACl'H La vía de control para la secreción de oortisol se conoce como Yiá hipatáltmw-hipófisa-suprarrenal (Fig. 23-3 6). Esta vía comienza con la hormona liberadora de corticotropina hipotalám.ica (CRH), que es secretada en el sistema_ porta hipotálamo-hipofisario y transportada hacia la adenohipófisis. La CRH estimula la liberación de la hormona adenocorticotr6pica {ACfH o CIJrlicotropina) desde la adenOhipófisis. La ACIH a su vez actúa Sobre la corteza suprarrenal promoviendo síntesis y liberación de cortisoL El cortisol actúa luego como una sefial de retroalimentación negativa, inhibiendo la secreción de ACfHy CRH. La secreción de cortisol es continua y tiene un marcado ritmo di~b (Fig. 23-411). La secredón normalmente alcanza un pico

li!l FIGURA 23--3 La vía hipotálamo·hipófiso~suprarrenal para

el control de la secreción de cortisol

754

Capítulo 23 Control endocrino del credmiento y el metabolismo

Glucocorticoides suprarrenales

755

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Naturaleza química Siosíntesis

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Transporte en la cirru!adón 6 PM

Medianoche 6 AM

Me
1111 FIGURA 234 Ritmo árcadiano de secredón del cortisol Las concentraciones sanguíneas de cortisol varían durante el día, de modo que !os estudios de secreción hormonal a menudo miden los metabo!itos del cortlsol en un período de 24 horas para obtener un valor promedio de la secreción diaria. por la mañana y disminuye durant~ la Íloche.la secrecíóil de cor· tisol también aumenta con el estrés. El cortisol sigue el patrón típico de las hormonas esteroideas para su síntesis, liberación, transporte y acción {iii Fig. 7·7). Una vez sintétizado, difunde fuera de las células suprarrenales hada el plasma, donde en su mayor parte es tranSpOrtado por una proteí· na traniportadora,laglobulina ligadora de cortfcoesteroides (CBG o transccrtina). La hormona no ligada está libre para difundir hada las células diana. Todas las células nudeadas del cuerpo tienen receptores titoplasmáticos de glucocorticoides. El complejo hormona.receptor entra en el núcleo, se une al DNA con la ayuda de un elemento de respuesta a la hormona y modifica la expresión, la transcripción y la traducción de los genes. En general, la respuesta tisular a las hormonas glucocorticoideas ·no es evidente sino hasta los 60-90 minutos. Sin embargo, el efecto de retroalimentación negativa del cortisol sobre la secreción de ACfH ocurre a los pocos minu· tos de su liberación.

1

El cortisol es esenCial para la vida

Los glucocortitOides suprarrenales a veces se denominan hor· monas de estrés debido a su papel en·la. mediación del estrés pro-. longado. Las catecolaminas suprarrenales, sobre todo la adrenali· . na, son responsables de las respuestas metabólicas rápidas necesarias para las situaciones de lucha o .huida. El cortisol es esencial para la vida. Los animales cuyas glándulas suprarrenales son ·ext.yPactas mueren si están expuestos a.cualquler estrés ambiental important~. El efectO metabólico más importante del cortisol es el efecto protector contra la hipoglucemia. En el capí~ tulo 22 se apreDdió que el glucagón pancreático es secretado en respuesta.' a una disminución de la glucemia. Sin embaxgo, en ausencia de cortisol, el glÚcagón es incapaz de responder en fonna adecuada a una hipoglucemia. Como el coitisol es necesario para una actividad completa del glucagón y las catecolaminaS, se dice que tiene un efecto permisivo sobre esas hormonas (S p. 231), Todos los efectos metabólicos del cortisol están clirigidos a evitar la hipoglucemia. El cortisol es principalmente c.i.tabÓlico {Flg. 23·3, cuadro 23-1m). ·

Semivida o vida media Factores que afectan la liberación Vi a de control

Células o tejidos diana Receptor diana Acción sobre un tejido o sobre todo el cuerpo

Acción a nivel celular

Acción a nivel moiecu!ar Regulación por retroalimentación

Esteroides Apartir del colesterol; elaborado a demanda, no almacenado En !a globullna ligadora de corti· coesteroides (elaborada en e! hí· gado) 60..90 minutos Ritmo drcadiano de secreción tónica; el estrés aumenta !a liberación CRH (hipotálamo)-.¡. ACTH (hipó· fisis anterior)~ cortisol (corteza suPrarrenal) La mayoría de los tejidos Intracelular 1!a concentración de glucosa en plasma;.!. la actividad inmunitaria; permisivo para gtucagón y cat&o!aminas t la gluconeogénesis y la· g!ucogenóliSis; 1el cataboliSmo PrOteico; bloquea .la producción de citosina por las célulaS inmunitarias Inicia transcripción, traducción y. síntesis de nuevas protefnas Retroalimentación negativa de !a adenohipófisis y el hipOtálamo

mFIGURA 23·5 Hipercartisalismo (a) la "cara de luna Uenaw con mejillas rojas es típica de este trastorno, también conocido como sindrome de Cushing. {b) Depósitos de grasa en e! tronco. las estrías oscuras son el resultado de ladegradadón de proteínas en !a piel. tejido óseo, y produce una degradación neta de la matriz ósea calcificada. Por lo tanto, las personas que reciben cortisol terapéutico durante períodos extensos tienen una incidencia mayor de lo normal de fracturas óseas. 6. El cortisol influye sobre la función encefálica. Los esta· dos de exceso o de deficiencia de cortisol producen cambios en el estado de ánimo y alteraciones de la memoria y el aprendizaje. Algunos de estos efectos pueden estar mediados por hormonas en la vía de liberación del cortisol, como la CRH. Este efecto del cortisol se explicará con más detalle luego. ~¡

,,,R,E,I/1 S 1 ÓN

l. El cortisol promueve la gluconeogénesis en el hígado. Parte de la glucoSa producida en el hígado es liberada a la

sangre y el resto es almacenada como glucógenO. El cortisol aumenta las concentracionés de glucosa en sa~gre. 2. El cortisol produce la degradación de las proteínas de músculo esquelético para proporcionar un sustrato para la gluconeogénesis. 3. El cortisol aumenta la lipólisis de modo que se encuen· tren disponibles ácidos grasos para que los tejidos periféri· cos los utilicen como energía. El glicerol proveniente de los áCidos grasos puede ser utilizado para la gluconeogénesis. Hay receptores de cortisol en todos los tejidos del cuerpo, pero para muchos sitios diana no se comprenden bien las acciones fisiológicas del cortisol. Sin embargo, podemos especular sobre esas acciones de acuerdo con las respuestas titulares a niveles elevados (dosis {at1m1cológicas) de cortisol administrado por razones terapéuticas o asociados con la hipersecreción. 4. El cortisol suprime el sistema inmunitario a través de múltiples vías. Este efecto se explica con más detalle luego. 5. El cortisol producé un balance negativo de calcio. El cortisol disminuye la absorción intestinal de ea<+y aumenta su excreción renal, cuyo resultado es una pérdida neta de ea<+ del cuerpo. Además, el cortisol es catabólico en el

¡. ~{~j~~Y3. ¿Qué significan !as abreviaturas ACfH, CRH y CBG? Si ,0..&-;,y

existe un nombre alternativo para cada término, ¿cuál es?

4. Usted está haciendo ddismo de montaña en canadá y

se encuentra con un oso, que !o hace subir a un árbol, ¿Su respuesta al estrés está mediada por el cortiso!? Explique. 5. El uso ilegal de esteroides anabólicos por los fisicoculturlstas y !os atletas recibe periódicamente gran_ atención. ¿Estos esteroides ilegales induyei'l el cortlsol? Explique.

Respuestas en !a p. n4

El cortisol es un agente terapéutico útil El cortisol suprime el sistema inmunitario al evitar la liberación de dtodnas y la producción de anticuerpoS por los leucocitos. También inhibe la respuesta inflamatoria ai reduCir la movilidad y la migración leucodtarías. Estos efectos i.rmtuñosupresores del cortisol lo convierten en un agente útil para el tratamiento de distintos trastornos, que incluyen picaduras de abejas, hiedra venenosa y alergias al polen. El cortisol también ayuda a prevenir el rechazo de los órganos trasplantados. Pero los glucocorticoides también tienen efectos potencialmente graves debido a sus aCCiones metabólicas. Una v'; q~e se desarrollaron los agentes antiin{lamaWrios no esteroi-

des (AINE), como el ibuprofeno, los glucocorticoides ya no se usaron para el tratamiento de los problemas inflamatorios menores. La administradón exógena de giucocortlcoides tiene un efec· to de retroalimentación negativa sobre la hipófisis anterior y pue. de inhibir la producción de ACTH ( ~ Fig. 7·19). Sin la estimulación por ACTH, las células suprarrenales que producen cortisol se atrofian. Por esta razón, es esendal que los pacientes que rectben esteroides reduzcan su dosis gradualmente en lugar de detener abruptamente el fármaco, lo que les da a las glándulas hipófisis y suprarrenal la posibilidad de recuperarse.

Los trastornos del cortisol se deben a demasiada hormona o muy poca hormona Los trastornos más frecuentes del eje hipotalámico-hipófisosuprarrenai son el resultado de la deficiencia o del exceso de hormona. La reactividad tisular anormal es una causa infrecuente de trastornos de los esteroides suprarrenales. Hipercorti~lismo El exceso de cortísol en el cuerpo se denomina hipercortisolismo. Puede aparecer por tumores seaetantes o por la ad!;ninistración exógena de la hormona. El tratamiento con cortisol en altas dosis durante más de una semana puede producir hipercortisolismo, también conocido como síndrome de Cus. hing, en honor a Harvey Cushing, quien descnbíó por primera vez el trastorno en 1932. La mayoña de los signos de hipercortisolismo pueden predecirse a partir de las acciones nonnales de la hormona. El exceso . de gluconeogénesis produce hiperglucemia, que imita a la diabetes. La degradación de las proteínas musculares y la lipólisis producen atrofia tisular. Paradójicamente, el exceso de cortisol depo.. sita grasa extra en el tronco y el rostro, tal vez en parte debido a un aumento del apetito y de la ingestión de alimentos. El aspec. to clásico de los pacientes con hipercortisolismo es brazos y piernas delgados, obesidad del tronco y un arostro de luna llenan con mejillas regordetas (Fig. 23-Sa l!!I). Los efectos sobre el SNC del exceso de cortísol son elevación inicial del estado de ánimo segutda

756

capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

Hormonas tiroideas

por depresión y dificultad con el aprendizaje y la memoria. El hipercortiSolismo tiene tres causas frecuentes: 1. Un tumor suprarrenal que secreta cortisol de forma au-

tónoma. Estos tumores no se enruentran bajo controL de la ACfH hipofisaria. Este trastorno es un ejemplo de hiper~ cortisolismo primario ( il! p. 234). 2. Un tumor hipofisarlo que secreta ACIH de forma autónoma. El éxceso de ACTH estimula a la glándula suprarrenal a·una hipersecreción de cortisol (hipercortisolismn seam.dario). El tumor no responde a la retroalimentación negativa. Este trastorno se llama también enfermedad de Cushing porque fue la ent"ermedad real descrita por el doctor Cus· hing. (El hipercortisolismo de cualquier otra causa se denomina sfndrome de Cushing.) 3. El hipercortisolism.o iatrogénico {producido por el médico} ocurre por el tratamiento con cortisol de algún otro trastorno. Hipocortísolismo Las enfermedades por hiposecred.ón son mucho menos frecuentes que el síndrome de Cushing. La enfermedad de Addis~n es la hiposecreción de todas las hormonas suprarrenales, habitualmente luego de la destrucción autoinmunitaria de la corteza supran:enal. Los defectos hereditarios en las enzimas necesarias para la producción de esteroides suprarrenales produ· cen varios síndromes relacionados (véase la pregunta de la _figura 23-2). Estos trastornos hereditarios a menudo se caracterizan por un exceso de secreción de andrógenos porque el sustrato no puede ser transformado en cortisol o la aldosterona es convertida en andrógenos. En las nifias recién nacidas, el exceso de andrógenos produce masculinizadón de los genitales externos, trastorno denominado sfndrome adrenogenital. RI\WJSION f~&6. Para el hipercortisolismo primario, secundario y iatrol[{jf;-4/ génico, indique si la wncentración de ACTH es nor· _mal, mayor de lo normal o menor de lo normal.

1

7. Una persona con enfermedad de Add1son, ¿tendrá ~oncentradones normales, bajas. o altas de ACTH en la sangre?_ Respuestas en la p. n4

. La CRH y la ACTH tienen funciones fisiológicas

adicionales En años recientes,.el interés de la investigación se ha desplazado de los glucocorticoides a la CRH y la ACfH, las hormonas

tróficas de la vía hipotálaii:J.o-hipófiso-suprarrenal. Hoy se sabe que ambos péptidos pertenecen a una gran familia de moléculas relacionadas, con múltiples tipos de receptores en distintos tipos de tejidos. Experimentos con ratones genéticamente inactivados que carecen de i.m receptor particular han puesto en evidencia al· gunas de las fwl.ciOiles fisiológicas. de los péptidos relacionados con CRH y ACfH. Dos hallazgos interesantes de esta investigación son que las d· tocinas secretadas por el sistema inmunitario pueden estimular la vía hipotálamo-hipófiso..suprarrenal y que las células inmunita· ·

•

bre MClR produce a un aumento de la producción de melanina y el aparente "tostado" u oscurecimiento de la piel, característico de este trastorno.

ProopiQI:rl~na (POMC) •• 1

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ACTH

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{a} la glándula tiroides es una

glándula con fonna de mariposa, localizada inmediatamente por debajo ele la laringe.

RE\ÍISION

:~-~,-J-8. ¿Qué ventaja tendrla para el cuerpo la secre
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tánea de ACTH y !H'ndorfina"? Respuesta en !a p. 714

"'!"' ..., .. ., ;;) IElft;··,' 1-MSH Fragmento

·«·MSH 1

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lf~wt 1 + !!;;; ·' . •1 y !ipotropina ¡l endorfina Fragmentoo

757

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Síntesis

Respuesta

de melanina

inmunitaria

¡ ~

de la ingesta de alimentos

mi FIGURA 23-6 El procesamiento postraducción de la POMC

puede crear distintos péptidos activos rias tienen receptores para ACfH y CRH. La asociación entre estrés y función inmunitaria parece estar mediada a través de CRH y ACTH, y esta asociación explica algunas de las interacciones mente-cuerpo en las cuales el estado mental influye en la función fisiológica.

Familia de CRH La familia de CRH incluye la CRH y un lleuropéptido encefálico relacionado llamado uroccrtina. Ademiis de su participación en la inflamación y la respuesta inmunitaria, se sabe que la CRH disminuye el apetito ( i\! cuadro 22-1) y ha sido asodada con señales que marcan el inido del trabajo de parto en mujeres embarazadas (explicadas en el capítulo 26). Evidencia adidonal relaciona a la CRH con la ansiedad, la depresión y otros trastornos del estado de ánimo. ACTH y melanocortinas. La CRH actúa sobre la hipófisis anterior estimulando-la secreción de ACrH. La ACfH es sintetizada a par· tir de una glucoproteína grande llamada proopiomelanocortina (POMC). La POMC sufre un procesamiento postraducdonal para producir distintos péptidos biológicamente activos ademiis de la ACTH (Fig. 23-6M). En la hipófisis, los productos de la POMC in· duyen a la ¡i-endorfi.na, un opiáceo endógeno que se une a receptores que bloquean la percepdón del dolor ( il!p. 342). La POMC también es procesada en tejidos fuera de la hipófi· sis, donde sus productos pueden ser muy diferentes de los elaborados allí. El procesamiento adicional" de la POMC puede crear la ho1'(11oml melanodto-estimulante (MSH). La «-MSH se produce en el cerebro, donde inhibe la ingestión de alimento, y en la piel, donde actúa sobre los melanocitos. Estas células contienen pigmentos llamados melaninaS que influyen sobre el color de la piel en los seres humanos y el color del pelaje- en los roedOres (véase el recuadro Nuevos Conceptos). Las hormonas MSH más la ACfH han recibido el nombre de melanocortinas. Se han identificado cinco receptcres de melanocor· tinas (MCR). El MC2R responde sólo a ACTH y es el receptor de la corteza suprarrenal. MClR se encuentra en los melanodtos de la piel y responde por igual a a-MSH y ACfH. Cuando la ACTH e~­ tá elevada en la enfermedad de Addison, la acción de la ACfH so-

HORMONAS TIROIDEAS La tiroides es una glándula con forma de mariposa que se ubica sobre Ja tráquea en la base del cuello, inmediatamente debajo de la laringe (Fig. 23-7a m). Es una de las glándulas endocrinas miis grandes, pesa 15-20 g. La glándula tiroides tiene dos tipos celulares endocrinos distintos: céTulas C ("daras'1, que secretan una hormona reguladora del caldo llamada calcitonina, y células foli· culmes, que secretan hormona tiroidea. La caldtonina se explica más adelante con la homeostasis del caldo.

Las hormonas tiroideas contienen yodo Las hormonas tiroideas, al igual que los glucocorticoides, tienen efectos prolongados sobre el metabolismo. Sin embargo, al contrario de los glucocorticoides, las hormonas tiroideas no son esenciales para la vida. Son esenciales, no obstante, para el cred.· miento normal y el desarrollo ~los niños, y los lactantes nad-

1!!1 FIGURA 23·7 "Estructura de la glándula

tiroides Esta glándula endocrina secreta tanto hormonas tiroideas como calcitonina.

1

dos con defidencia de hormonas tiroideas tendrán un retraso del desarrollo a menos que se los trate rápidamente. Por esta importancia que las hormonas tiroideas tienen en los nifios, los Estados Unidos y Canadá contto!an a todos los recién nacidos en busca . de una defidenda de hormonas tiroideas. Las hormonas tiroideas son aminas derivadas del aminoácido tirosina y son peculiares porque contienen el elemento yodo (Fig. · 23-8 il). Hasta hoy las hormonas tiroideas son el útúco uso conocido para el yodo en el cuerpo, aunque algunos otros tejidos tam· bién concentran este mineraL La síntesis de las hormonas tiroideas tiene lugar en los folícu· los tiroideos (también llamados ácinos}, estructuras esféricas cuyas paredes son una capa única de células epiteliales (Fig. 23-7b). El centro hueco de cada folículo está lleno de una mezcla espesa de glucoproteínas llamada colOide. El cOloide mantiene una reserva de 2-3 meses de hormonas tiroideas. La figura 23-91i es una resefia general de la función de la glándula tiroides. ® Las células foliculares fabrican enzimas para la síntesis de

hormonas tiroideas y.una glucoproteina llamada tiroglobu. lina. E$tas proteínas son secretadas al interior del folículo.

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758

Tiroxina {T-41

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Triyodotlronina tTil

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HO~o-®--b-6-c~ {2 tirosina + 31)

Las hormonas tiroideas son elaboradas a partir de yodo y tirosina

1!!1 FIGURA 23-8

® Las células foliculares absorben el yoduro de la dieta,

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® ®

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Hormonas tiroideas capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el-metabolismo

r-,

utilizando el cotransportador simportador de sodio y yoduro. El movimiento de r- en el coloide aparentemente está mediado por un transportador de aniones. Las enzimas combinan I- con tirosina en la molécula de tiroglobulina para elaborar las hormonas tiroideas triyodotironlna (T_J y tetrayodotironina (f41 también conocída como tiroxina). En este punto, las hormonas siguen unidas a la tiroglobulina. El complejo tiroglobulina·T/1'4 vuelve a las células foliculares por endocitosis. Las enzimas intracelulares h'beran T3 y T4 de la proteína. Ambas hormonas son lipófilas, de modo que difunden fuera de las células foliculares y hacía el plasma.

La figura 23-10 liil muestra los detalles de la sint6is de hormonas tiroideas. Los folículos tiroideos transportan activamen. te yoduro a través del epitelio. Amedida que el r- entra en el coloide, la enzima peroxidasa tiroidea retiÍa un electrón del ión. Otras enzimas agregan entonces el yodo a la tirosina. El agregado d~ un yodo a la tirostna crea monoyodotirosina (MIT); 'el agregado de un segundo átomo de yodo crea diyodotirosina (Dm. MIT y DIT sufren luego reacdones de acoplamíenro. Una MIT y una DIT se combinan para crear T3. Dos DIT se acoplan para formar T4• Como T3 y T~ son mol&:ulas lipófilas, tienen solubilidad limitada en el plasma. Por esto, las hormonas tiroideas se unen a las proteínas plasmáticas, como la globulina ligadora de hormonas tiroideas (I'.BG). La mayor parte de las hormonas tiroideas en el plasma se encuentran en forma de T41 y durante afios se consideró que T4 era la honnona activa. Sin embargo, ahora sabemos que T es tres a cinco veces más activa biológicamente, y que es la hor3 mona activa en las células diana. Aproximadamente el 85% de la T3 activá se elabora en las células diana por la eli.rninación enzimática de un átomo de yodo de la T4• La activación tisular de la hormona agrega otra etapa de control, porque la regulación de la enzima tisular desyodasa pexmite que los tejidos diana controlen su exposición a la hormona tiroidea activa. Los receptores tiroideos, con múltiples isoformas, se encuentran en el núcleo de las células diana. La unión de la hormona inicia la transcripción, la traducción y la síntesis de nuevas proteínas.

formadas y alrflaámádaS en la proteína madre tiróQiobiJ!ina en el coloide folícul.:ii' ·

¡ Coloide

759

f + tiroslna ~ MfT{Trrog.!obulina

Transporte en !a circulación

ligadas a la globulina ligadora de tlroxina y a la albúmina

MIT +DfT

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Ta

Semivida o vida media

DIT+DfT

---J>

T4

6-7 dfas p~rá_la tiroxina (T.J; alrededor de 1 dfa para fa triyodotiro-

f+MIT~ DIT

REFERENCIAS MIT

=monoyodotirosina

Drr ::: diyodotirosina · Ta = triyodotlronina T4 tfrox!na

-=

lllJ FIGURA 23-10 Formadón de las hormonas tiroideas 13 y T4

El yodo es concentrado activamente en el folículo por transporte activo a través de la membrana celular. Una vez en el coloide, el yodo se combina con !a tirosina y produc~ MIT y DIT. Una MIT y una DIT se combinan para producir T4. Las hormonas y sus precursores se unen a la tiroglobu!ina, una proteína coloidal.

nina (T:¡) Factores que afectan fa flberación liberación tónica Vía de control TRH {hipotálamo)-+ TSH (hipófisis" anterior)·-+ T3 +T~ (tiroides)' :..;.la T4 se desyodina en los tejidos para formar más T; Células o tejidos diana Receptor diana Acción sobre un tejido o sobre todo el cuerpo

la mayoría de las células del cuerpo

Receptor nuclear

t e! cOnsumo_ de oxigeno {termogénesis); catabolismo proteico en !oS adultos pero ·anabolismo en lós chicos; desarrollo normal del sirtema nervioso

Acción a nivel celular

Aumenta la actividad de las enzi. mas metabólicas y de la Na'"·K"'"· ATPasa Acción a nivel molecular. Producción de nuevas enzimas Regulación por retroalimentación La T1tiene efecto de retroalimentación negativa la adenohipófisis y el hipotálamo

en

(es

Ei co!ra!\Sportado al interior de la célula ., cori. Na+ y transportado a! interlor del coloide.

1

Eniimas Intracelulares separan la T3

X~ T4 de la proteína

'

T¡YT4I""' --;:;.'

~-:.·:'"-"·

P_tt'EGUNTAS

Ttrog_IObu!ina + I'

-rr-r-n ®l\

Coloide

~

TsT4T4

• ¿Qué tipo de transporte lleva a! r al interior de las células foliculares? • ¿Cómo entra la tlroglobullna en el coloide?. • ¿Da qué modo la célula capta nuevamente la tlroglobuüna? • ¿Cómo T yT4salen de ta célula? 3

8 FIGURA 23-9 La sintesis de hormonas tiroideas tiene lugar en el coloide del folículo tiroideo

Las hormonas tiroideas afectan la calidad de vida Las hormonas tiroideas no son esenciales para la vida, pero afectan su calidad. Los padentes con exceso o deficiencia de hormonas tiroideas pueden experimentar una disminudón delatoleranda al calor o al frío y alteraciones del estado de ánimo, además de otros síntomas. La función prindpal de las hormonas tiroideas en los adultos es proporcionar sustratos para el metabolismo oxidativo ( il p. 743) y aumentar el consumo de oxígeno en la mayoría de los tejidos. El mecanismo exacto es poco claro, pero al menos está relacionado en parte con los cambios en el transporte de iones a través de la célula y las membranas mitocondriales. Las hormonas tiroideas también interactúan con otras hormonas para modular el metabolismo de proteínas, hidratos de carbono y grasa. En los niños, las hormonas tiroideas son necesarias para la expresión completa de la hormona de crecimiento, lo que significa que son esendales para el crecimiento y el desarrollo normales, sobre todo del sistema nervioso. En los pñm.eros años de vida la formadón de sinapsis y mielina requiere T3 y T4• Algunos estudios cttológicossugieren que las hormonas tiroideas regulan el ensamblaje de los microtúbulos, lo que constituye una parte esencial del crecimiento neuronal.

760

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

Hormona de crecimiento

Una glándula fuoides agrandada también puede ser indícati· va de hipersecrectón. En la en{ennedad de Graves, el cuerpo produce anticuerpos llamados inmunoglobulinas tiroestimulantes o TSI (Fig. 23-14b). Estos anticuerpos imitan la acción de la TSH al combinarse con los receptores de TSH en la glándula tiroides yactivarlos, lo que agranda la glándula {bocio) e hiperestimula la producción de hormonas tiroideas. La retroalimentación negativa in· hibe la secreción de TRH y TSH del cuerpo pero no sirve para bloquear la actividad similar a la TSH de la TSI sobre la glándula tiroides. El resultado es bodo, hipersecred.ón de T3 y T4 y síntomas de exceso de hormona tiroidea. La enfermedad de Graves se acompaña a menudo por exoftalmos (fig. 23-15 211), el aspecto de ojos saltones causado por un agrandamiento inmunomediado de los músculos y el tejido en la cavidad ocular. El tratamiento de los trastornos tiroideos depende de la causa del problema. El hipotiroidismo es tratado con t:i.Ioxina oial (TJ. El hipertiroidismo puede ser tratado con la reseCCión quirúrgica de toda la glándula o parte de ella, con la destrucción de las células tiroideas con yodo radiactivo, o con fármacos que bloqueen la síntesis de hormonas (tioureas) o la conversión periférica de T a 4 T3 (propiltiouradlo).

mFIGURA 23~11 Una mujer con mixedema En los individuos con mixedema hipotiroideo.los depósitos de mucopolisacáridos debajo de la piel producen bolsas bajo los ojos,

Las acctones de las hormonas tiroideas sqn más observables en los individuos que ~ de hipersecrectón o hiposecredón. 4>s efectos fisiológicos que son sutiles en los individuos normales, a menudo so~ exagerados en los pacientes con tiaStomos endocrinos.

Hipertiroidismo Un individuo cuya glándula tiroides secreta demasiada hormona sufre de hipertiroidismo, que produce cambios en el metabolismo, el sistema nervioso y el corazón.

REFERENCIAS "'PEstfmulo

:-.;§~ Centro iffiesr..dor

Hipotiroidismo La hiposecrectórt de hormonas tiroideas afecta los mismos sistemaS-que el hipertiro.idismo.

dón excesiva por la TSH

·ILD Ereetor

.- -~ Respuastas!sMmlca

1

¡¡;¡FIGURA 23-13 Un hombre con bodo debido a estimula-

·@§] V!a eferente

l. El hipertiroidismo aumenta el consumo de oxígeno y la producctón metabólica de calor. Debido al calor interno

generado, estos pacientes tienen una piel sudorosa y caUent.e y pueden referir intolerancia al calor. 2. El exceso de hormona tiroidea aumenta el catabolismo proteico y puede producir debilidad muscular. Los pacientes a menudo informan pérdida de peso. 3. Los efectos del exceso dé la hormona tirOidea sobre. el sistema nervioso inClúyen reflejos hiperexdtables y trastornos psh;glógicos,que Varíar!.d~de irritabilidad e insomnio hasta epiSoct¡os psicóticos. El mecanismo de los trastornos psicológicos es poco clarO, pero Se han sugerido cambios morfológicos en el hipocampo y efectos Sqbre receptores ¡3adrenérgicos. 4. Se sabe que las hormonas tiroiO.eas influyen sobre los receptores 1}-adrenérgic-ós del corazón, y estos efectos están exagerados con los caiÜs de. hipexsecred6n. Un signo frecuente de hipertiroidlsmo es el ritmo cardíaco acelerado y el aumento de la fuerza de contracdón debido a la regulación positiva de los teceptores 1\ sobre el miocardio (~p. 491).

761

lil FIGURA 23-12 Vfa de control de las hormonas tiroideas

,,

2. El hipotiroidismo disminuye la síntesis de proteínas; En los adultos, esto produce uñ.aS quebradizas, adelgazamiento del cabello y piel seca y fina. El hipotiroidismo también produce acumulación de mucopolisaalridcs debajo de la piel. Estas moléculas atraen agua y producen el aspecto abotagado del mixedema (Fig. 23--11 fi). Los niños hipoti· roldeos tienen credmlento óseo y tiSular lento y son más

bajos de lo normal para su edad 3. Los cambios del Sistema nervioso en Jos adultos incluyen reflejos lentos, enlentedmiento de los procesos de la palabra y el pensamiento, y sensación de fa~ga. La secreción deficiente de hormonas tiroideas en el primer año de vida produce cretinismo, un trastorno· caracterizadO por la di$.. minudón de la capacidad mental. 4. El principal cambio cardiovascular en el hipotiroidismo es la bradicardia (frecuencia cardíaca lenta {~p. 481)).

l. La &;;minución de la secreción de hormonas tiroideas dis-

La TSH controla a la glándula tiroides minuYe el metabolismo y el consumo de oxígeno. Los pa. dentes se tornan intolerantes al frío porque están generan- . Los problemas con la secreción de hormonas t:i.Ioideas pueden do menos calor interno. ocurrir en la glándula tiroides o a lo largo de la vía de control que

-se muestra en la figura 23·12 a La hormona liberadora de tirotropina (TRH) del hipotálamo controla la secreción de la hormona de la adenohipófisis tirotropina, también conocida como hormona tiroestimulante (I'SH). Por su parte, esta honnona ac. túa sobre la glándula tiroides promoviendo la síntesis hormonal. Las hormonas tiroideas nonn.almente actúan ·como una señal de retroalimentación negativa para evitar la hipersecreción. La acción trófíca de la TSH sobre la glándula tiroides produce agrandamiento, o hipertrofia, de las células foliculares. En las CQndi- · dones patológicas con niveles elevados de 1SH, la glándula tiroides puede aumentar de peso cientos de gramos, formando una masa · enorme-llamada bocio. Un bocio grande puede casi rodear el cuello y extenderse hacia abajo por detrás del esternón (Flg. 23-13 il). Los boctos son ei resultado del exceso de estimulaclón de la 1"SH de la glándula t:i.Ioides. Sin embargo, simplemente saber que alguien tiene un bodo no nos dice qué ~edad tiene. Veamos cómo se pueden asociar el hipotiroidismo y el hipertiroidis-mo con el bocio. Nuestro primer ejemplo es el hipotiroidismo primario ( i! p. 232), causado por la falta de yodo en la dieta. Sin yodo,_la glándula tiroides no puede fabricar hormonas tiroideas (F_¡g. 23-14a E). las bajas concentraciones de T3 y T4 en la sangre quita el freno por retroalimentación negatiVa sobre el hipotálamo y la adenohipófisis. La secreción de TSH aumenta espectacularmente, y la estimulación de la TSH agranda la glándula tiroides (bocio}. Apesar de la hiper~ trofia, la glándula no puede obtener yodo para elaborar hormona, de modo que el paciente pennanece hipotiroideo. Estos pacientes muestran los signos de hipotiroidismo descritos antes.

-REVISIÓN ': ,'~\-'9. Una mujer a la que se extirpó la glándula tiroides por un cáncer recibió pfldoras que contienen sólo T4• ¿Por qué esta forma menos activa de la hormona fue un tratamiento eficaz para su hipotiroidismo? 10.¿Por qué la producdón excesiva de ho~mona tiroidea, que desacopla !a producción mitooondria! de ATP y el transporte de protones, hace que una persona se vue1· va intolerante a! calor? Respuestas en !a p. 774

HORMONA DE CRECIMIENTO El crecimiento en los seres humanos es un proceso continuo que comienza antes del nacimiento. Sin embargo, los ritmos de crecimiento en los niños no son constantes; los dos primeros añ.os de vida y la adolescencia se canicterizan por brotes de rápido crecimiento y desarrollo. El crecimiento normal es un proceso complejo que depende de varios factores: 1. Hormona de crecimiento y otras hormonas. Sin cantidades suficientes de hormona de crecimiento, los itiños simplemente no crecen. I.as hormonas tiroideas, la insulina y

las hormonas sexuales también desempeñari papeles en la pubertad, tanto directos como pennislvos. Una deficiencia en cualquiera de estas hormonas produce un crecimiento y un desarrollo anormales. 2. Una dieta adecuada que induya proteínas, suficiente energía (ingresos calóricos), vitaminas y minerales. Muchos aminoácidos pueden ser elaborados en el cuerpo a partir de precursores, pero los aminoácidos esendales ( ¡¡¡¡¡p. 30) deben provenir de fuentes alimentarias. Entre los mi· nerales, el caldo en particular es necesario para la conecta formación del hueso.

1

762

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo ·Hormona de crecimiento (b) "tipertlrollf!Smo debido a enfermedad de Gravas

(a) Hipotiroidísmo debido a yodo bajo

763

Los tejidOs diana para la GH incluyen tanto células endocrinas como no endocrinas. La GH actúa como una horniona trófica estimulando la secredón de factores de crecimiento semejantes a la insulina (IGF, antes llamados somatomedinas) en el hfgado y en

---~

¡~ :~

REFEFIENCIAS

Qestrmulo

-_:_

NohayestfmWo

Centro integrador

1 @v-••._.. ~~la tisular

_QEstimu!o

~ Gentro)lltegrador @J

V'~a eferente ·

@

Respuesta sistémica

1m FIGURA 23·15 Exoftalmos

:::_e

P'REGUNTAS Dibuje la v!a en una persona con un tumor hipofísario COI1 hipersecreción de TSH. ¿Este individuo sería h'potiroideo o hipertlroldeo? ¿Ter.dlfaboclo?

SI AGURA 23-14 El boda puede presentarse tanto en el hipertiroidismo como en el hipotiroidismo (a) En el hipotiroidismo causado por deficiencia de yodo, Ja ausencia de retroalimentación negativa aumenta la secredón de TSH y produce el bocio. {b) En la enfermedad de Graves, las protefnas inmunitarias tiroestimulanteS (TSI) se unen a los receptores de TSH de !a glándula tiroides y hacen _que la glándula se hipertrofie. 3. Ausencia de estrés. El cortisol proveniente de la corteza suprarremil. es liberado en las épocas de estrés y tiene efec~ tos catabólicos importantes que inhiben el crecimiento. Los niños que están sometidos a ambientes estresantes pueden mostrar un traStorno conocido como retraso del ere~ cimiento, que se caracteriZa _por un crecimlento anormalmente lento. 4. Genética. I.a t¡illa adulta potendal de cada ser humano está determinada gen~camente en el momento de la concepció~.

La hormona de credmiento es anabólica La hoiiiLOna de crecimiento (GH o somatotropina, ~ p. 215) es liberada durante toda la vida, aunque su papel más importante se ve en los niños. La secredón pico de GH se produce durante la ado!escenda. Los estímulos para-la liberadón de honnona de crecinÜento son complejos y no se conocen bien, peto incluyen nutrientes circulanteS, estrés y otras hormOnas que interac. túan con un ritmo diario de secreción (fig. 23·1611). ·

Los estímulos para la secredón de GH son integrados en el hi· potálamo, que secreta dos neuropéptidos en el sistema porta hi· potálamo--hipofuario: la hormona liberadora de la hormona de crecimiento (GHRH) y la hormona inhibidora de la honnona de ere~ cimiento, mejor conodda como somawstatina ( J¡g!p. 227). Diaria· mente, los pulsos de GHRH del hipotálamo estimulan la Jiberadón de GH. En los adultos, el pulso máximo de Jiberadón de GH oame en las dos pñmeras ·horas de sueño.}e especula que la GHRH tiene propiedades inductoras del sUeño, .PerO el papel de la GH en los ctclos del sueño no se conoce bien. La GH es secretada por células de la adenohlpófisis. Es una hormona peptídica típica en la mayoría de los aspectos, excepto en que casi el SO% de la GH en la sangre está ligada a una proteína plasmática específica llamada proteína llgadora de hormona de crect~ miento. La proteína ligadora Protege a la GH plasmática de ser filtrada y eliminada por orina y extiende su semivida en 12 minutos. Algunos investigadores han postulado la hipótesis de que la determinadón genética de la concentración de la proteína ligadora desempeña un papel en la altuta final del individuo en su adultez.

Naturaleza qu!mica Bios:lntesis

Pépi:idO de·i9i áníiito~cid0~; variaS formas estredlamente ré!ici0n3das Péptido típico

Transporte en la cirruladón

La ·m_itad .se disuelve en el p!asrila, !a ptr.i mitad li$tá_ligada a' una :~!'(r .tefna lígadora cuya ,ertructura es idéntica·a'_la del i'e<eptór'"de Gtl Semivida o vida media 18mlnutos Factores que afectan la:liberaclón Ritmó_ drcadiano.de seaedón.tón¡.· - .., p¡; influÍd
diréctamente Sobío{ miú:lias CéluiáS vra de control

GHRH,_ so'inatOstati.ri~ ~_ipOtá!afn~);

hormóña de crécimiento (ade~o­ hipófisis) ·

....¡.

Receptor diana

R&eptor de membran~ con actividad de tirosindnasa · Acción sobre un tejido o sobre to- Creci_f!!iento de hueso y cartílago; do el cuerpo (con,!Gf) · .;~- crecimiento de tejidos blaháos; t · ·de,la:concentfaci~n_de, g_lucos,a en plasma· · ·· · _. · · ·· •· Acción a nivel celulai' Acc(ón a niVel inolecular

Slntesi.s :protei~a R&eptorUg,a~o ·a

l¡¡s cjnas·~ _que. fosfori!an las proteína$ pará iriici
f!l FIGURA 23-16 Vía de control de la hormona de crecimiento

otros tejidos. los IGF tienen un efecto de retroalimentación negativa sobre la secreción de la hormona de crecimiento en la adenohipófuis y el hipotálamo. Los IGF actúan junto con la hormo-

1·

na de crecimiento estimulando el crecimiento de huesos y tejidos blandos (cuadro 23-3 Hl). , Desde el punto de vista metabólico, la hormona de credmlen· to y los IGF sori anabólicos y promueven la síntesis proteica, par~ te esenctal del crecimiento tisular. La honnona de crecimiento ac· . _ túa junto con los IGF estimulando el credmiento óseo. Los IGF i i son responsables del crecimiento del cartílago. La GH aumenta "' las concentradones plasmáticas de áddos grasos y glucosa al promover la degradación de las grasas y la producdón hepática de glucosa. .4,1

;oR,!\\VISIÓN l;i;lk:~ 11. ¿Qué hormona hipoñsaria además de la GH tiene dos factores hipotalámicos que regulan su liberadón? Respuesta en la p. 775

·w·

~· 764

.,

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y e! metabolismo

11 AGURA 23~17 Tres personas con acromegalia El exceso de secreción de hormona de crecimiento en los adultos produce alargamiento de la mand!bula, rasgos faciales grandes y crecimiento de manos y pies.

La hormona de crecimiento humana obtenida por ingeniería genética plantea cuestiones éticas

La hormona de crecimiento es esencial para el crecímiento en los niños Los trastornos que reflejan: las acciones de la hormona de cred· miento soñ. más evidentes en los nüios. La defidenda grave de hormona de crecimiento en la infanda conduce al enanismo, que puede ser el resultado de un problema con la síntesis de honno~ Q.el cred.mi.ento o con receptores Pata la GH defuctuosos. Lamentablemente, ni la honnona de aecimiento bovina ni la portina son efi. caces como. tt:a;tamiento de reposidón,. y sólo la hormona de cred· miento de los ·prlmatés es activa en los seres humanos. Antes de 1985, cuando empezó a estar disponible la hormona de credmiento obtenida por ingeniería genética, la única fuente de honnona de - crecimiento eran las hipófisis humanas obterudas en autopsias. Afortunadamente, la defidendá grave de hormona de creéimiento es relativamente rara. En el extremo opuesto, la hipersecredón de hormona de credmierito en los niños conduce al gigantismo. · Una vez que el crecimiento óseo se detiene en la adolescencta tardía, la hormona de crecimiento ya no puede aumentar la altil· ra. Sin embargo, la GH y los IGF pueden seguir actuando sobre e,l cartílago y los tejidos blandos. Los adultos con una secreción excesiva de hormona de crecimiento desarrollaÓ. Un trastorno conO: cido como acrom~gaJia, caracteriiado por el alargamiento de-la mandíbula, rasgos fadales grandes y o.:ecimiento de las manos y los pies (Fig. 23-17 fill). André el Gigante, un luchador que representó un papel en la película clásica The Princess liride (La princesa pro~etida), presentó signos de gigantismo (creció hasta2,23 m. de altura) y de acromegalia hasta~ muerte, a los 47 años.

1

Cuando a mediados de la década de 1980 se comenzó a disponer de la hormona de crecimiento humana obtenida por ingeniería genética, la profesión médica se enfrentó con un dilema. Obviamente la honnona debía utilizalse para tratar a los niños que de otro modo serian enanos, pero ¿qué sucedía con los niños que sólo tenían una defidenda parcial de GH o los que eran genéti~ camente bajos pero con concentraciones normales de GH? Esta cuestión se ve complicada por la dificultad para identificar con precisión a los niños con defidendas parciales de hormona de credmi.ento. ¿Y qué pasa con los niños cuyos padres quieren qQe sean más altos para que sean atletas? ¿Estos niños sanos deberían recibir la hormona? En 2003, la Food and Drug Administration de los Estados Uni· dos aprobó el uso de una hormona de crecimiento humana re· combinante (hGH) para el tratamiento de niños con baja estatu· ra sin-deficiencia de GH, definida como más de 2,25 desviaciones estándar por debajo de la estatura promedio para la edad y el sexo. (Es decir, para los niños en el más bajo 1% de su grupo de edad y sexo.) En algunos ensayos clínicos, las inyecciones diarias del fánnaco durante dos afios condujeron a un aumento prome; dio de la altura de 3,3 on. Con un costo promedio de 22 000 dólares por año para las inyecctones de hGH, esto implica más de 33 000 dólares por afio pot: cada 2,5 cm de altura ganados. Los efectos colaterales ínformados durante los estudios de hGH incluyeron intolerancia a la glucosa (m p. 738-) y panaeatitis (inflama· dón del páncreas). Los riesgos a largo plazo asociados con el tra· tamíeÍlto con hGH son desconocidos, y los padres deben estar conscientes de que el tratamiento con hGH puede crear problemas psicológicos en los niños si los resultados ~n menos que óp. timos.

CRECIMIENTO TISULAR Y ÓSEO El crecimiento puede dividirse en dos grandes áreas: cred· miento de tejidos blandoS y crecimiento óseo. En los niños, el crecimiento óseo suele evaluarse midiendo la e:statura, y el creci~ miento tisular midiendo el peso. Muchas hormonas tienen efectos directos o permisivos sobre el crecimiento. AcÍemás, recién

crecimiento tisular y óseo

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765

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empezamos a saber cómo interactúan los factores de crecimiento paracrinos con las honnonas clásicas, influyendo en el desarrOllo y la diferendadón tisular.

El credmiento tisular reqt~iere hormonas y paracrinos El crecimiento de los tejidos blandos {partes blandas) requiere cantidades suficientes de hormona de crecimiento, hormona tiroidea e Insulina. La hormona de crecimiento y los IGF son nece· sarios para la síntesis de proteínas tisulares y la división celular. Bajo la influencia de estas hormonas, las células sufren tanto hi· pertrofia {aumento del tamaño celular) como hiperplasia (aumento de la cantidad de células). Las hormonas tiroideas cumplen un papel permisivo en el Crecimiento y contn1lllyen directamente al desarrollo del sistema nervioso. A nivel del tejido diana, la honnona interactúa de for· ma sinérgica con la hormona de crecimiento en la síntesis de pro.. teínas.y el desarrollo del sistema nervioso. Los niños con hipotiroidismo no tratado (cretinismo) no llegan a tener una estatura normal, aun cuando secreten cantidades nonnales· de honnona de crecimiento. La insulina colabora con el crecimi~o tisular estimulando la síntesis proteica y proporcionando energía en forma de glucosa. Como la Insulina actúa en fonna permisiva respecto de 1¡¡. hormo-na de crecimiento, los niños con deficiencia de insulina no cre· <:en normalmente aunque tengah concentraciones normales de honnonas de crecimiento y tiroideas.

El crecimiento óseo requiere un aporte de calcio sufidente El crecimiento óseo, al igual que el desarrollo de los tejidos blandos, requiere las hormonas apropiadas y cantidades sufiden· tes de proteínas y caldo. El hueso tiene una matriz extracelular ·calcificada que se forma cuando precipitan cristales de fosfato de caldo que se unen a una red de colágeno. La foiiDa más frecuente de _fosfato de calcio es la hidroxlapatita, Ca 10(P0~ 6 (0H)2 •

11 FIGURA 23·18 Huesos compacto y trabecular

Aunque la extensa matriz inorgánica en el hueso hace que al· gunas personas piensen que es algo inerte (sin vida), el hueso es un tejido dinámico que constantemente se está formando- y degradando (resorbiendo). Los esp
1

766

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

1

Balance de calcio

767

.

mAGURA 2~.~19 El uedmíento lineal de los huesos largos tiene Jugar en-las placas epifisarias

. caiCro de .

i i

~ e

1 o

COMPARTlMENTO

DECALOO CORPORAL .

Matriz ext:racelu!ar

99% ···¡ .

líquido extraceh.i!ar

0,1%

Intracelular

0,9%

2...

·:

- _ ..

·. · · calcio en·

Ca ·······--··--:-···.·-·.:·"'>,~ ....

la dieta

fl!NOÓN _·

. ~Matriz del hueso calcificada ~Cemento~ para uniones estrechas; pa:pel en la contrae· dón del múSculo miocárdico y liso; fiberacíóri de neurotransffiisor en la sinapsis; papel en la excitabilidad de las neuronas; cofactoi' en la cascada de ·la coagulación Señal en vlas de segundos mensajeros; papel en la contracción m~JSU~!ar

permeabilidad neuronal a Na+ aumenta, las neuronas se despolarizan y el sistema nervioso se vuelve hiperexdtable. En su forma más extrema, la hipocalcemia produce una contracción sostenida (tetania) de los músculos respiratorios, lo que produce asfixia. I.a hipercalcem.ia tiene el efecto opuesto, produce una disminución de la actividad neu· romuscular. REFERENCIA

trabajo, cambian a una forma menos actiVa conocida como os. teocitos. El crecimiento de hueso largo se encuentra bajo la influenda de la hormona de crecimiento y los factores de crecimiento seme· ¡antes a la· insulina. En ausenda de estas hormonas, no habrá credmiento óseo normaL El credmiento de los huesos largos tam. bién está ~uido por las hormonas sexuales esteroideas. El "esti· rón" de los adolescentes varones se atribuye a un aumento de la producdón de andrógenos. En las nifias, la situadóh es menos clara. En algunos experimentos, los estrógenos tanto estimulan como inhiben-el crecimiento lineaL En todos los a.dolescentes, l¡~.s hoimonas sexuales finalm.ente inactivan la placa epifisaria de modo que los huesos largos ya no . crecen. Como las placas epifisarias de los distintos huesos se cierran en una secuenda regular. ordenada, radiografías que muestren qué placas están abiertas y cuáles están cerradas pueden usar· se para calcuÍar la "e<;lád ósea" del niño. El crecimiento óseo lineal cesa eñ los adultos, pero los huesos son tejidos cfu?.ámicos que ~en un remodelado continuo du· rante toda la vida bajo el control de las hormonas que regulan el · metabolismo de caldo en el cuerpo.

1

S IÓN ¿Qué hormonas son esenciales para e! crecimiento y el desarrollo normales? 13. ·¿Por qué los adultos con hipersecreción de hormona de crecimiento no se hacen más altos? Respuestas en la p. 775

BALANCE DE CALCIO La mayor parte del caldo en el cuerpo-el99%, o casi 1,2 kgse encuentra en los huesos. Este pool es relativamente estable y es la pequeña fracción de caldo no óseo del cuerpo la que es más crítica para el funcionamiento fisiológico (cuadro 23·4 il). Como hemos aprendido, el cau tiene varias funciones fisiológicas:

eau es una molécula de señal importante. El movi· miento de cau desde un compartiplento corporal hada otro crea señales de Ca2t. El caldo que entra en el dtoplasma inicia la exodtosis de vesículas sinápticas y secretoras, la contracción en las fibras musculares o modifica la actividad de las enzimas y los transportadores. La extracción de CaZ+ del citoplasma requiere transporte activo. 2. El eau es parte del cemento intercelular que mantiene las células unidas en las uniones estrechas. 3. El eaz+ es un cofactor en la cascada de la coagulación ( im p. 551). Aunque el Ca2+ es esencial para la coagulación sanguínea, las concentraciones corporales de caldo nunca disminuyen hasta el punto en el-cual se inhibe la coagula· dón. Sin embargo, la extracción de eau de una muestra sanguínea impide que la muestra coagule en el tubo .de ensayo. 4. Las concentraciones plasmáticas de caz. afectan la ex· dtabilidad de las neuronas. Esta función de eau no ha si· do introducida antes en el texto, pero es la fundón más obvia en los trastornos relacionados con eau. Si la concentradón plasmática de Cal<- cae demasiado (hipocalcem.ia), la

1. El

. Las concentradones de caldo en la sangre están cuidadosamente reguladas Como el caldo es fundamental para tantas funciones fisioló· gicas, la concentración plasmática de eau del cuerpo está cuidadosamente regulada. La homeostasis de caldo sigue el prindpio del equilibrio de masas: Caldo corporal total = ingresos - egresos l. El ea:z.. corporal total es todo el caldo del cuerpo, distri· buido en tres compartimentos (Ftg. ZS..20 6): a} Lfquido extracelular. El eau ionizado se concentra en elli·

quido extracelular, con una concentración promedio de eau de 2,5 mM. En el plasma,- casi el SO% del caldo está ligado a las proteínas plasmáticas y otras moléculas. El eau no ligado está libre para difundir a través de laS membranas por canales de eat+ abiertos. b) Cau int:J:acelular. La concentradón de CaZl-libre en el dtoSol es de aproximadamente 0,001 mM. Además, el eau se concentra en el interior de las mitocondrias y el retículo sarcoplásmico. Los gradientes "electroquúnicos favorecen el movimiento de eau hada el cttósol cuando se abren los canales de eau. e) Matriz extracelular (hueso). El hueso es el reservo.rio más grande de ea:z.. del cuerpo; la mayor parte del eau del hueso está en forma de cristales de hídroxiapatita. El ea:z.. óseo forma un reservorio que puede usarse para mantener la ho... meostasis de eau plasmático. En general, ~lo una peque-

PTH :hormona pamtiroidea

mFIGURA 23·20 Balance de caldo en el cuerpo ña fracdón del ea:z.. óseo está ionizada y puede intercambiarse rápidamente, y este pool se mantiene en equilibrio con el eau en el líquido intersticial. 2. El aporte es el Ca2+ ingerido en la dieta y absorbido en el intestino delgado. Sólo aproximadamente un terdo del eau ingerido es absorbido y, al conttario de los nutrientes orgánicos, la absorción de cau está regulada hormonalmente. Sin embargo, la mayoría di los estadounidenses no ingieren alimentos que contengan cau suficiente y el aporte puede no ser similar a los egresos. 3. Los egresos, o el eaz. perdido por el werpo, se produce fundamentalmente a través de los riñones, y uná pequeña cantidad es excretada en las heces. El caz.. ionizado filtra libremente en el glomérulo y luego es reabsorbido en el resto de la nefrona. La reabsorción regulada por hormonas tiene lugar sólo en la nefrona distal. En esa parte del túbulo, la reabsorción se logra por el moVimiento iónico a través de un canal de eaz. apical (ECaC) y a través del contra· ttansportador bidireccional de Na~-Ca2"'" basolateral y los transportadores Ca2+·ATPasa. Los osteoblastos controlan el depósito de Ca2 ~ en el hueso, co... mo se explicó antes. El retiro de eaz.. de la hidroxiapatita hada el

1

Balance de caldo

Capitulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

768

Naturaleza qulmka Bioslntesis

Péptido de 84 aminoácidos PrOducción c,ontinua, poca cantidad almacenada Transporte en la circulación Disu_elta en plasma Semivlda o vida media Menos de 20 min~os Factores que afectan la liberación J. caz+ Plasm'ático Células o tejidos diana Riñón, hueso~ intestino Receptor diana E! receptor de membrana actúa a través de cAMP Acción sobre un tejido o~obre to-. t ea<+_plasmátlco do el cuerpo · Acción a nivel celular

t de la sfntesis de vitamina ·o; t 'de la reabsorción renal de; ca2+; t de la resorción ósea -.

Acción a nivel molecular

Altera rápidamente el _ttánsporte de (a2+ pero ~mbiéñ inicia la sfÍ!te-

Las cuatro glándulas parat!ro!deas

yacen pcultas por detrás de fa tiroides.

li FIGURA 23-22 Glándulas paratiroides Esta ilustración muestra la cara dorsal de la glándula tiroides. (Compare con la vista ventral en la Fig. 23-7a.) B FIGURA 23~21

Los osteoclastos son lo~ r.esponsables de la

resorción ósea los orteodastos secretan ácido que disuelve el fosfato de-calcio en el hueso.

pool de eaz. ionizado es controlado por los osteoclastos, grandes células multinudeadas móviles derivadas de las células madre hematopoyéticas ( il p_. 538). Los osteodastos son responsables de degradar el hueso. Los osteodastos se fijan a u:na secdón de la matriz, de una forma muy siriillar a una ventosa (Fig. 2l--2Ull). La región central del osteodasto secreta_ ácido (con la ayuda de la H+-ATPasa) y enzi. mas proteasas que funcionan con pH bajo. La combinación de ácido y enzimas disuelve la matriz calcificada y su red de. colágeno, liberando eaz.; que puede entrar en la sangre.

,,RJFVIslóN

1

.

~TI1't)14. ¿Cómo modifica la hiper,calcemia el potencial de mem~v· brana neuronal y por qué ese efecto dim~inuye !a es· tabi!idad neuromusculai'? 15. Haga un dibujo de una célula tubular distal y marque

las membranas apical y basolatera!, la luz y el Uquido extrace!ular. Utilice la descripción de la reabsorción de (al+ en el tú6u!o distal en e!·elemento 3 de la lista {egresos) para dibujar los transportadores apropiados. 16. Describa el tranSporte de (al+ desde la célula del tú· bulo hasta el Hquido extracelular como activo, pasivo, difusión facilitada, etC. Respuestas en !a p. 775

mina D:J y la calcitonina (Fig. 23-20). De éstas, la hormona paratiroidea y el caldtriol son las más importantes en los seres humanós adultos. Cuatro pequeñas glándulas paratiroides en el cuello (Fig. 23, 22 11) secretan hormona en respuesta a cualquier disminución de la concentración del caz. plasmático. Las glándulas paratiroides se encuentran sobre la superficie dorsal de la glándula tiroides, y su· importancia fue reconocida por primera vez en la década de 1890 por fisiólogos que estudiaban el papel de la glándula tiroides. Estos científicos observaron que, si extirpaban toda la glán· dula tiroides de perros y gatos, los animales morían a los pocos días. Por otro lado, los conejos morían sólo si se extiipaban unas "glandulillas~ que había a los lados de la tiroides. Entonces los científicos buscaron las glándulas paratiroides en los perros y los gatos y las encontraron escondidas detrás de la glándula tiroides, más grande. Si las paratiroides se deíaban cuando se extirpaba quirúrgicamente la tiroides, los animales vivían. Los científicos arribaron a la conclusión de que las paratiroides contenían una sustancia que era esendal para la vida, que la glándula tiroides no tenia. Hormona paratiroidea Esa sustancia esencial es la hormona paratiroídea {PTH, también llamada parafina o p{llttthormona), un péptido cuyo efecto pñncipal es aumentar las concentraciones plasmáticas de caz. {cuadro 23-S 11). El eStímulo para la liberación de mi es una disminución en el CaZ+ plasmático, controlado por

un receptor sensor de calcio en la membrana celular. El receptor ~r de calcio, un receptor asociado a la proteína G, ·fue el pri· roer receptor de membrana identificado cuyo ligando era un ión y no una molécula orgánica. Tres hormonas controlan el balance de calcio Mediante acciones sobre el hueso, el riñón y el intestino, la Tres hormonas regulan el movimiento de eaz. entre el hueso, el riftón y el intestino: la hormona parati.roidea, el calcitrio~ (vita- - PrH eleva las concentraciones plasmáticas de eau. El aumento r:;

sis de proteínas en los_ osteOdastos

2-3 hOras para-hueso,·con aumento de actividad de_ ostiiodaStos qué reqUiere ·1-2 horas; ·1-2__dráS paril ábsordón intestinal; eÍl minutos pa.. ra el transporte renal Regulación por retrOalimentación RetrO<Íiimentadón negativa por t de Ca1+ en plasma ·

Inicio de la acción

"Otra información

Ia

los *eOc!astos no tienen ninQúr't

receptor de PTH, de modo que_ sOn afectados por !os para"criÍlós induci.: dos potla f'TII. La PTH es_ esencial · para fa vida; su ausencia produce .tetariia hipocakéfl'!kil:-- -·

del eaz. plasmático actúa como señal de retroalimentación negativa e inhibe la secreción de PTII. La hormona paratiroidea eleva el eat.- plasmático por tres vías: 1. La P1H moviliza el calcio del bqeso. E! aumento de la re-

sordón ósea por los osteodastos tarda aproximadamente 12 horas para poder medirse. Curiosamente, aunqu;e los osteoclastos son responsables de disolver la matriz calcificada y serian los puntos diana lógicos para la PTH, dichas células no tienen receptores de PTII. En cambio, los efectos de la PTH están mediados por un conjunto de sustancias paracrinas, que incluyen la osteoprotegerina (OPG) y un factor de diferenciación de los ostWctastos llamado RANKL. Estos factores paracrinos son estudiados intensamente como potenciales agentes farmacológicos. 2. La P1H aumenta la reabsorción renal de calcio. Como mencionamos antes, la reabsorción de caldo regulada se produce en la nefrona. distal. La Pl1I aumenta simultáneamente la excreción renal de fosfato reduciendo su reabsor· dón. Los efectos opuestos de Ia mi sobre cal~o y fosfato

rBIRIIflTI=flA

n¡:

Biosíntesis

769

Vrtamina Dformada por la luz solar -robre las mohkutas precursoras o ingeriqa en lOS alimen!os; convert¡. da en dos pasos (h!Qado y riñón) a 1,2S(OH)2D3 .

Transporte en fa circulación Ertfmulo para la sfntesis

ligada a las protefnas plasmáticas ,!, Ca2+; indfrectariitinte a.través de PTH; la prolil:ctiná iaffibién estimula

lasfntesis Células o tejidos diana Receptor diana Acción sobre un tejido o sobre todo el cuerpo Acción a nivel molecular

Intestino, hueso y riñón Nudear t la concentración de ca1• en plas· ma Ertin'iula la producción de calbindi· na; una protefna !igadol"a de ca<+, y .el receptor que miáe el ca<~ en la glán4u!a paratiroldes; asociada con el tranSpOrte intestinal por un mecarilsmo- desconocido

Regulación por retroalimentación El Ca1• plasmático inhibe la secreción de FTH

son necesarios para mantener sus concentraciones combl· nadas por debajo de un nivel crítico. Si las concentraciones exceden ese nivel, se forman los cristales de fosfato de caldo que precipitan en la soludón. Concentraciones eleva. das de fosfato de caldo en la orina son una causa de aparición de cálculos renales. Otros aspectos de la homeostasis de .fosfato se analizan luego. 3. La PTH aumenta en forma indirecta la absorción intestinal de calcio a través de su influencia sobre la vitamina D31 proceso descrito luego. caldtriol La absorción intestinal del caldo aumenta. gradas a la acción de una hormona llamada l,ZS..¡fih¡droxicolecalciferol (1,2S(OH) 2DJ~ también conocida como caldtrlol o vitamina D 3 (cuadro 23-6m). El cuerpo fabrica calcitriol a partir de Ia vitamina D obtenida a través de la dieta o elaborada en la piel por la acción de la luz solar sobre precursores formados a partir de la ace. tU CoA (Flg. 23-23 m). La vitamina Des modificada en dos pasos -primero en el hígado, luego en los riñones- para formar cald· trio!. El caldtriol refuerza el efecto del incremento plasmático del eaz. de la mi al aumentar la captación de cau en el intestino delgado. Además, facilita la reabsorción renal de Ca2+ y ayuda a movilizar el CaZ+ del hueso. La PTH regula la producción de calcitrol en el riñón. La disminución de eat.- plasmático aumenta la secreción de PTII, que estimula la síntesis de caldtriol. La absordón intestinal y renal de eau eleva el CaZ+ sanguíneo, disminuyendo Ia secreción de Pl1f

r!l(::l\lr.IA!l fliiH\il!f\0" '

770

REFERENCIAS

QEstímu!o

O

Vfa da la vitamina O

€ID Vía eferente

. GID Efector -~ Respuesta sistémica

mFIGURA 23-23 Control endocrino del balance de caldo la PTH trabaja con el calcitriol para promoveda resorción ósea, !a absorción intestinal de Ca2+ y la reabsorción de ea2+ en la ne.

frona distitl, todos los cuales tienden a elevar las concentraciones plasmáticas de Ca 2+.

en un bucle de retroalimentactón negativa que disminuye la sín"'"de caldtrioL La prolactina, la hormona responsable de _la producdón de leche en las mujeres durante la lactanda, también estimula la sín. tesis de calcitriol. Esta acción asegwa la absorción máxima de caz.. de la dieta en un momento ~ que las demandas metabólicas de caldo son altas.

1

Balance de caldo

capítulo 23 Control endocrino del cre<:imiento y el metabolismo

calcitonina La tercera hormona involucrada en el metabolismo de caldo es la calcitonina, un péptÚlo producido por las céÚllas C de la glánduia tiroides (cuadro 23-7 !1). Sus acciones son opuestas a las de la .PTH. La caldtonina es liberada cuando aumenta el eaz+ plasmático: Experimentos ep animales han mostrado que la calcitonina disminuye la resorción ósea y aumenta la excreción renal de calcio. .La caldtonina aparentemente deseinpeña sólo un papel menor en el balance diario ·de caldo en los seres humanos adultos. Los pacientes a los que se les han extirpado la glándula tiroides no muestran ninguna alteración en el balance de caldo. Personas.

(células· parafo!iculares) Péptido de 32 aminoácidos Naturaleza qulmica Péptido típico Siosfntesis DisUelta en plasma Transporte en la circulación <de 10 minutos Semivida o vida media Factores qUe afectan la liberación r La concentración de ca 2+ en plasma· Húesoy riñón Células o tejidos diana Receptor de membrana asociado Receptor diana a la proteína G Acción sobre un tejido o sobie to- Evita !a reSorción ósea; aumenta la excreción renal do el cuerpo Las yías de ~nsducdón de señaAcción a nivel celular les parecen variar durante el ddo Acción a nivel molecular celular Experimentalmente, Oism_inuye la Otra información concentración plasmática de (al+ pero'tiene poco efécto fisiológico evidente en los seres hUmanos adultos; posible efecto sóbre el deSarrollo esqUelétiCo; Posible protección de lós depósitos óseos de Ca2" durarite-el embarazo y la lactancia

con tumores tiroideos que secretan gran cantidad de caldtonina tampoco muestran signos de enfermedad. La calcitonina se usa para tratar a los pacientes con err(ermedad de Pagel, un trastorno genético en el cual los osteoclastos son hi· peractivos y el hueso está debilitado por la resorción. En estos pacientes estabiliza la pérdida ósea anormal,. por lo que los científicos especulan que esta hormona es más importante du!ante el crecimiento del niño, cuando el hueso requiere más depósito que resorción, y durante el embarazo y la lactancia, cuando el cuerpo de la madre debe aportar caldo tanto a sí misma como a su hijo.

La homeostasis del calcio y el fosfato están

relacionadas La homeostasis de fosfato está estrechamente ligada con la homeostasis de calcio. El fosfato es el segundo ingrediente clave en la hidroxiapatita del hueso, Ca10(P04MOH)2, y_la mayor parte del fosfato del cuerpo se encuentra en el hueso. Pero los fosfatos tienen otros papeles fisiológicos importantes, que incluyen transferenda de energía y almacenamiento en enlaces de alta energía, y activadón o desactivadón de enzimas, transportadores y canales iónicos. Los fosfatos también forman parte del esqueleto del DNA

ye!RNA. La homeostasis de fosfato es similar a la de Ca2t. El fosfato es

absorbido en los intestinos, filtrado y reabsorbido en los riñones, y distribuido entre los compartimentos óseo, del líquido extrace-

Los resultados de la última prueba· del profesor Magiuder coil· firmaron que tiene hiperpáratito1dismo. Comenzó una dieta con bajo contenido de cafcio, evitando la leche, el queso y Otios pro· duetos lácteos, pero varios meseS más tarde volvl6a la· Sala de emergencias con dolor por otro cálculo rE!na!.La doctora Spinks lo envió a un endÓCrinó!ogo, que reéomendó la extirpación qui~­ rúrgica de !as glándulas paratlr'oides hiPeractivas:~No podemos. decir cuál de las glándulas paratiroldes es la más_ activaN, dijo e! especialista, "y me gusta_i'fa_ dejarle alguna 9!ándula_paratiroides propia. De modo. que extirparémos las cuatro glándulas; pero _le reimplantareriioS dos de ellaS_en el. músculo del antebiéizo. En· muchos Pacientes las _glánd~JaS ~eimp!antad~s secretan SÓlo la PTH suficiente como para m~ntener la homeostasis de caldo. Y si secretan demasiada: PTH, es mucho mas fádl sacarlas del antebrazo que realizar ·uná reOpeiacióil en. él cuello." · Preguntas: _ -.--- _, ... ¿Por qué·el profeSor Magrucier no puede tomar siinpfeniériff:! PTH de reemplazO pofboca? (SUgerenda: la PTH es una hor~ mana P•ptfdica.)

·~ ·

luJar y del intracelular. La vitamina D3 aumenta la absordón in· testinal de fosfato. La excreción renal se ve modificada tanto por la PTH (que promueve la excreción de fosfato) como por la vitamina D3 (que promueve la reabsordón de fosfato). S IÓN

Mencione dos compuestos que almacenan energfa en enlaces fosfato de alta energla. 18. ¿Cuáles son las diferencias entre una dnasa,·una fosfatasa y una fosforilasa1 Respuestas en la p. IT5

La osteoporosis es una enfermedad de pérdida ósea Una de las enfermedades mejor conocidas de la fundón ósea es la osteoporosis, un trastorno metabólico en el cual la .resorción ósea excede al depósito. El resultado son huesos debilitados y frágiles que se fracturan con mayor facilidad (Fig, 23~24 ~. Lamayor parte de la resorción ósea tiene lugar en el hueso trabecular esponjoso, sobre todo en las vértebras, las caderas y las muñecas, La osteoporosis es más frecuente en las mujeres después de la menopausia, cuando las concentraciÓnesde estrógenos caen. Sin embargo, los hombres de edad avanzada también desarrollan osteoporosis. La pérdida ósea, pequeñas fracturas y la tompresión en la columna vertebral producen una cifosis (giba dorsal), el as~

771

El FIGURA 23-24 Hueso normal (izquierda) y pérdida ósea en la osteoporosis (derecha) Estas fotografías demuestran por qué las personas con osteoporosis tienen alta incidencia de fracturas óseas.

pecto inclinado y encorvado que es característico de la osteoporosis avanzada en los andanos. la osteoporosis es una enfermedad compleja con componentes genéticos y ambientales. Los fac· tores de riesgo incluyen tipo corporal delgado y pequeño, edad posmenopáusica, tabaquismo y bajo aporte de calcio en la dieta. Durante muchos añ.os se utilizó la terapia de reposición hormonal con estrógenos o estrógenos/progestágenos para prevenir la os· teoporosis. Sin embargo, el tratamiento con estrógenos también aumenta el riesgo de cáncer de endometrío y posiblemente otros cánceres, y algunos estudios recientes sugirieron que el tratamien· to de reposidón hormonal con estrógenos/progestágenos podña aumentar el riesgo de infartos y accidentes cerebrovasculares. Un modulador selectivo del receptvr de estr6geno (SERM) llamado raloxifeno se usa para tratar la osteoporosis, pero no es tan eficaz como los fármacos que actúan más dil:ectamente sobre el metabolismo óseo, como los bis{osfi:matos, que inducen la apoptosis de los osteodastos y suprimen la resorción ósea, y la teriparatída, un derivado de la PTII que estimula la formadón de hueso nuevo, La teripatatida está formada por los 34 primeros aminoácidos de la molérula de PTH (de 84 aminoácidos) y debe inyectarse ya que no se absorbe por vía oral. En la actualidad, algunos estudios clínicos están investigando si alguna combinación de bisfosfonatos y teriparatida es más eficaz para combatir la osteoporosis que los fármacos solos, Para evitar la osteoporosis cuando envej&en, las mujeres jóvenes deben mantener un aporte adecuado de caldo en la dieta y realizar ejercidos de sobrecarga, que aumentan la densidad ósea. La pérdida de masa ósea comienza a la edad de 30 años, mucho antes de que la mayoría de las mujeres comiencen a pensar que están en riesgo, y muchas mujeres tienen poca masa ósea (osteopenia) mucho antes estar conscientes del problema. Los exámenes de la masa ósea pueden ayudar con el diagnóstico temprano de osteopenia.

1

,é Preguntas

772

773

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo tradón ternpéutica de la hormona. La ~edad de Addison es la hiposecredón de todos los esteroldes suprarrenales. (pp. 7S5-756) 6. La CRH y las melanocortinas tienen acciones fisiológicas además de la liberación de cortlsol. (p. 7S6; Flg. 23-6)

HIPERPARATIROID!SMO El profesor Magruder se sometió a una drugfa y !as glándulas implantadas produjeron una cantidad suficiente de PTH. Se le deben controlar regularmente l~s ~ncentraciónes plasmáticas de caz+ por el resto de su vida para asegurarse de que las glándulas conti-

núen funcionando de forma adecuada. Para aprendEir -~~-~cerca del hipEirparatiroidismo, haga un.a búsqueda en Google_. ___. Controle sus conocimientós sobre'este tenia ·relacionadiúOmparando sus resPUestas con fa infonmición de! cúadro ieSUineil._ -

INTEGRACIÓN YANÁUSIS

HECHOS

PREGUNTA ¿Qué papel desempeña el Ca 2+ en el funcionamiento normal de los músculos y las neuronas?

2 ¿Cuál es el término técnico para ~concentraciones elevadas de calcio en la sangre"? 3 Especule sobre por qué parte del Ca2+ plasmáticO no puede filtrar hada la cápsula ~e Bowman. 4 ¿Qué prueba podrla demostrar defi· nitivamente que el profesor Magrudertiene hiperparatiroidismo? 5 ¿Por qué e! profesor Magruder no puet:je tomar simplemente 11TH de reemplazo por boca?

El calcio desenCadena la liberación de neu· la debilidad muScUI~r en ethiperparatii-~i~i_smo es lo opuesto_ a_lo _que se podrl_~ piédedr d~ rotrasmisores (~p. 271) .y descubre los sitios fijadores de miosina en los filamentos acuertlo con papel del~+ eri los mú5al!~ y ~~­ neuronas. Sin embargo; el caldo también afecta musculares de actina (m p. 406}. la j:lerme_a'bi!id~ad_ai __Nél+ -de las·neurÓrias,_Y:énO es _19 é¡ue. produce ,la -:~:ebilidad _nluscular_Y l_óS .efectoS·so_bi-e e1 CNS. . . . .

El prefijo para las concentraciones elevadas _Hiperdik~pia~es_ ~~ tér!l'li~p té0ico pa~--co~~ es hiper-; el sufijo para •en !a sangre" centracio'nes·elévadas ~e caJCio_en:~ñgre~. ·. · es-emia. -- --- -----·Una cantidad impo~nte_ de_ Ca2+.7n_plimna:_é'stá selectivo que exduye las células sanQufneas ligada a !as'proteinaS.plasm~ticas y por lo._tanto · y la mayor parte_ de las protelnas del piar no se ·puEide fntrar: ma p. 620). ·

i.a filtración en el g!oméru!o es un _p~eso

<m

Hormonas tiroideas 7. El folículo tiroideo tiene un centro hueco lleno de coloide que contiene tiroglobulioa y enzimas. (p. 757; Fig. 23·7} 8. Las hormonas tiroideas se forman a partir de tirosloa y yodo. La te-trayodotironlna (tiroxina, T.J es convertida en los tejidos diana en la hormona más activa triyodotironina (f~. (p. 757; Flgs. 23-8, 23-9, 23-10) 9. Las hormonas tiroideas no son esenciales para la vida pero influyen en el metabolismo de proteínas, lúdratos de carbono y grasas. (p. 759; cuadro 23-2) lO. La secrec,ión de hormonas tiroideas está controlada por la tirotroplna (hormona tiroestlmulante o TSH) y la honoona liberadora de tirotropina (TRH). (p. 761; Flgs. 23-12, 23-14)

Hormona de crecimiento 11. El crecimiento normal requiere la hormona de crecimiento, hormonas tiioideas, iosulioa y hormonas sexuales en la pubertad. El aed· miento también requiere una dieta adecuada y la ausencia de estrés. (pp. 761-762) 12. La hormona de crecimiento es secretada por Ja adenohlpófisls y estimula la secreción de factores de aedmiento semejantes a la insu· lina (IGF) en el hígado y otros tejidos. Estas hormonas promueven el credmlento de hueso y tejidos blandos. (p. 763; cuadro 23-3) 13. La secreción de hormona de credmiento_ está controlada por la hormona liberndora de hormona de credmlento (GHRH) y por la hor-

mona lnhlbidora de la hormona de crecimiento {somatostatina), (p. 762¡ Fig. 23-16)

Crecimiento tisular y óseo 14. El hueso está compuesto por cristales de bfdroxiapatita unidos a una red de colágeno. El hueso es un tejido dinámico con taulas vivas. (p. 765; Flg. 23-18) 15. Los osteoblastos sintetiZan hueso. El crecimiento del hueso largo ocurre en las placas epi.fisarias, donde Jos condrodtos producen cartílago. (p. 765¡ Flg. 23-19)

Balance de caldo 16. El caldo actúa como una señal intracelular para las vías de los segundos mensajeros, la exodtosls y la contracción muScular. También tie-ne un papel en las uniones celulares, la coagulación y la función neural. (p. 766; cuadro 23-4) 17. La homeostasls de caz. equilibra el aporte de la dieta, las pérdidas urinarias y la dlstrtbuctón de eau hacia hueso, células y liquido extracel..m (p. 767; Flg. 23-20) 18. La disminución de Ca2-+ plasmático estimula la secreción de hormona paratlroidea (Pl1l) en las glándulas paratiroides. (p. 768; cuadro 23~)

19. La PIH promueve la resorción de cau en el hueso, aumenta la reabsorción renal de caz. y aumenta la absorción intestinal de caz. a través del calcttrioL (p. 769¡ Figs. 23-20, 23-23; cuadro 23-6) 20. La caldtooina de la glándula tiroides desempeña sólo un papel menor en el balance diario de caldo en Jos seres humanos adultos. (p. 770; cuadro 23-7}

El hiperparatiroidismo es un trastorno en Un áná!isis. de !~ canti~ad d_e PTH ,eri Sáng~e·-~n· Eil cual se secretan cantid~des excesivas de'· firmaTra el diagnóstico de_hipEi·rpai-ati.roiálSmÓ: -- · PTH. la fFTH es una hormona pept!dica.

los_péptidos ingEitidos serán-·d_iQéridós·pot enzi· mas proteolítlcaS. Pó_i lo _tantO, la 11TH tomada por boca no será absorbida ¡~cta ·p_or el ·cuerpo y_en C:of1Secuenc1_a no ~érá ·ef¡caz.·-_.:_-:_· _,_ :-'/

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PREGUNTAS (Véanse Ws respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Mencione las zonas de la corteza suprarrenal y las principales horma- . nas secretadas en cada zona. 2. Dibuje la vía de control completa para a) cortisol, b) hormona de crecimiento, e) hormona paratlfoldea y d) T3y T4, y muestre la retroali-

3. 4.

..

~~~~·~~~~~.-.

5.

RESUMEN DEL CAPiTULO La endocrinología se basa en los principios fisiológicos de la homeostasis

y los sistemas de control. Cada hormona tiene estimulas que ioldan su secreción y seilales de retroalimentación que modulan su liberación. Las interaccioneS moleculareS y la comunicad6n entre las membranas también son esenciales para la actividad hormonal. En muchos casos, como en la homeostas!S de caldo y de fosfato, el principio del equilibrio de masas es el centro de la regulación homeostática.

Revisión de los prinápios endocrinos 1. Los componentes básicos de las vías endocrinas incluyen los receptores honnonales, los bucles de retroalimentación y las respuestas celulares. (p. 751)

Glucocorticoides suprarrenales 2. La corteza suprarrenal secreta glucocortlcoides, hormonas sexualeS y aldosterona. (pp. 751-7S2¡ FigS.. 2.3-1, 23-2) 3. La secreción de cortisol está controlada por la CRH hlpotaJámlca y la ACfH proveniente de la hipófisis. El cortisol es la señal de retroali· mentadón. El cortisol es una hormona esteroldea típica en su síntesis, secreción, transporte y acción. (p. 753; Fig. 23-3) 4. El cortisol es una hormona catabólica y esencial para la vida. Promueve la gluconrogénesis, la degradación de las proteínas del mú.sculo esquelético y del tejido a&poso, la excred.ón de C'.:?" yla supresión del sistema inmunitario. (p. 754; cuadro 23-1) 5. El hlpereortisolisrno suele ser resultado de un tumor o de la admin!S-

6. 7.

mentación donde sea apropiado. No utilice abreviaturas. Mencione cuatro condiciones que sean necesarias para que las Personas alcancen su crecimiento completo._Induya cinco hormonas especificas cuyo efecto sobre el credmiento usted conozca. Mencione las honnonas tiroideas. ¿Cuál es la más aCtiva? ¿Cómo y dónde se producen? Defina cada uno de los siguientes términos y explique su importancia fisiológica: · a) metanocortinas e) hueso ttabecular b) osteoporosls f)POMC e) hldrox!apattta g) placas eplfisarias d) mineracolortlcolde Menctone siete fuodones del caldo en el-cuerpo. Haga un cuadro que muestre Jos efectos del cortisol, las hormonas tiroideas, la honnona de credmiento, la _insulina y el glutagón sobre el metabolismo de proteínas, hidratos de catbono y lípldos,

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 8. Realización de mapa: cree un mapa reflejo para cada una de estas SI· tuadones:

a) b) e) d)

HipercortiSollsmo por un tumor supranenal. Hipercorttsollsmo por un tumor hlpofisario Hlpertiroldlsmo por un tumor tiroideo secretante de honnonas Hlpotlroidismo por un tumor hipofisatio que disminuye la síntesisde'ISH 9. Defina, compare y contraste o relacione los términos en cada grupo: a) cortisol, glucocortlcoides, ACTH, CRH b) tirOides, célula e, folículo, coloide e) tiroglobulioa, ti.roslna, yodo, TBG, desyodasa, 'ISH, TRH d) somatotropina, lGF, GHRH, somatostatina, proteína llgadOra de hOrmona de crecimiento e) glgao~o, acromegalia, enanismo f) hlperplasla, hipertrofia g) osteoblasto, osteoclasto, condrodto, osteocito h) vitamina D, caldtrtol, 1,25-d!hldroxicolecalciferol, caldtonina, estrógerio, PTH 10. De acuerdo con lo que sabe acerol del mecaolsmo celular de acción de la T:r ¿esperaría usted ver la respuesta tiSular a esta hormona en algunos minutos o en m&s de una hora? 11. Si la concentración plasmática de caz. promedio es de 2,5 mmol/L, ¿cuál es la concentración en m.Eq/L? 12. Los osteoclastos forman ácido {H~) a partir de C0 2 y HzO. Secretan el ácido en su membrana apiCa! e Introducen bicarbonato en el liquido extracelular. Dibuje ·un osteoclasto y diagrame este proceso, incluidas las enzimas y los transportadores apropiados en cada membiana. ¿Cuántos transportadores diferentes cree que se podrían utilizar para reabsorber' el bicarbonato?

1

774

Respuesstas

Capítulo 23 Control endocrino del crecimiento y el metabolismo

13. Alos pacientes diabéticos que se someten a cirugía, se enferman o están bajo otro estrés fisiológico se les dice que controlen su glucemia cuidadosamente porque pueden necesitar aumentar la dosis de insulina. ¿Cuál es la explicadón fisiológica que subyace en este consejo?

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L

_ _J.___ -,- ··-···

11. La prolactina también tiene dos factores hipotalámicos que regulan su liberación ( fl! p. 227).

Página 766 12. El crecimiento y e! desarrollo normales requieren hormona de cred· miento, hormona tiroidea, insulina y factores de crecimiento seme.. jantes a la insulina. 13. Los adultos que tienen una hipe¡¡;ecr~ción de hormona de credmlen· to no crecen más porque sus placas epifisar!as se han cenado. Página 768

J

14. La hipercalcemia hiperpolarit.a el potencial de meillbrana, lo-que ha·

0 Fines del invierno

ce más dificil que la neurona dispare un potencial de acción.

e

15. La ftgUra debe parecerse a la figurn 20-13. En lugar de un canal de Na• sobre la membrana aplca!, la figura debe tener un canal de eau que

i

permita que el eau entre en la célula. La cara basolateral debe mostrar una ATPasa que mueva el eaz.. del citoplasma hada e! líquido in· terstidal, y un transportador que muestre el Na• entrando en la cé\u. la a cambio de cau que sale. 16. El contratransportador bidireccional Na•·Ca2• realiza un transporte activo secundario y la Ca%+-ATPasa realiza un transporte activo.

~

~

¿Puede usted decir a partir de estos resultados dónde se originan los trastornos de los padentes? Explique para cada paciente.

15. La semana pasada, cuando los resultados de los exámenes de sangre !legaron al consultorio, alguien derramó una tasa de café sobre ellos, borrando los nombres de los pacteñtes y algunos números. Un infor· me muestra niveles elevados de TSH, pero las concentraciones de bor· mona tiroidea no se pueden leer. Usted tiene tres hJstortas que e5l* ran resultados de las pruebas sobre los niveles de hormonas tiroideas. Sus diagnósticos presuntivos, sobre la base de los hallazgos físicos y los síntomas para esos tres pacientes son: · Sr. A:· hipotiroidismo primario Sr. R: hipertiroidiSmo primario Sr. C: hipertirojdismo secundarlo a) ¿Puede usted decir de quién son Jos resultados del irúormeborro-. neado, de acuerdo con los resultados de la TSH y del diagnóstico presuntivo? _ b) ¿Puede usted descartar cualquiera de las tres personas según esos mismos criterios? Explique. 16. El siguiente gráfico muestra los resultados de un estudio realizado en Roston que comparó !as concentraciones de Vitamina Den sangre du· rante v~o e inVierno. Rosfon se localiza a 42 grados de latitud nor·

~ ~ ~

Página 771 17. La ATP y la fosfocreatina almacenan energía en enlaces fosfato de al·

e

8

a

ta energía.

~

f

18-29

40-49 30-39 Edad(años)

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111/VEL 4: PROBLEMAS AIIIALITICOS p. El eau plasmático filtrable es de aproximadamente 5

mg/1. Dé por sentado que una persona tiene una GFR de aproximadamente lZS mL de plasma filtrado por minuto. a) ¿CUánto Ca2• filtrará esta persona en un día? b) El aporte neto de Ca1+ en la dieta es de 170 mgldía. Para mante.. ner el balance de eaz•, ¿cuánto Ca2• debe excretarse? e) ¿Qué porcentaje de eau filtrado es reabsorbido por el túbulo re. na!?

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RESPUESTAS.

V Respuestas a las preguntas de revisión Página 753 1. La médula secreta catecolaminas (adrenalina, noradrenalina) y la corteza secreta aldosterona, glucocortlcoides y hormonas sexuales. 2. La aldostenodlona es una prohormona para la testosterona. La testosterona es anabólica para el músculo esquelético, la cual podóa dar al atleta una ventaja sobre la fuerza. Página 755

3. ACIH =hormona adrenocortimtrópica o corticotropina. CRH"' hor· mona liberadora de corticotropina. CBG"' globulina ligadora de cor· ticoest:eroides o tramcortina. 4. Esta res-Puesta inmediata al estrés es demasiado rápida como para e.;. tar mediada por cortisol y debe ser una respuesta de lucha o huida me· diada por el sistema nervioso simpático y las catecolaminas.

S. No, porque el cortisol es catabólico sobre las proteinas musculares. Página 756

6. Hipercortisolismo primario y iatrogénico; la concentración AcrHes más baja que la normal debido a la retroalimentación negativa. Hiper· cortiSolismo secundario: la concentración de ACTH es mayor que la normal por la presencia de un tumor secretan te de ACI1!. 7. La enfermedad de Addison: la ACTH está elevada debido a una reducción en la producción de corticoest:eroides y la falta de retroalimenta· ción negativa. Página 757 8. La ACni es secretada durante el estrés. Si el estrés es físico causado por una lesión, el opiáceo endógeno jkndorfina puede disminuir el dolor y ayudar a la persona. Página 761

9. En los tejidos periféricos Ja T~ se conVierte en T., que es la forma más activa de la hormona. 10. Cuando las mltocondrias están desacopladas, la energía normalmente

18. Una C1nasa transfiere un grupo fosfato de un sustrato a otro. Una fosfatasa elimina un grupo fusfato y una fosforilasa Jo agrega.

. Página 763

2002)

a) Resuma los Iestlitados que se muestran en el gráfico. ¿Cuántas va. riables se muestran en el gráfico que usted debe evaluar en su resumen? b) De acuerdo con lo que sabe, ¿cómo podría explicar los resultados del estudio? e) ¿Tomar un suplemento Vitamínico afectaría los resultados?

14. Una prueba diagnóstica para determinar la causa del hipen:ortisOlismo es la prueba de supresi6n can demmetasona. La dexametasona blo-

quea la secreción de ACIH en la hipófisis. El siguiente cuadro muestra los resultados de dos pactentes que recibieron la prueba de supresión con dexametasona.

capturada por el ATP es liberada como calor. Esto elfva la temperatu· ra corporal de la persona y produce into!etancia al calor.

te, y la luz solar débil en inVierno no permite la sin tesis cutánea de Vi· tamina D. (Datos tomadosdeAm.f. Med. 112:659-662, ¡u de ¡unio de

111/VEL 3: RESOWCIÓIII DE PROBLEMAS

ns

-

Respuestas a las preguntas de .las figuras Página753

Figura 23·2: a) Un niño naddo con una deficiencia de 21·hidroxilasa ten· dóa bajas concentradones de a!dosterona y cortisol y exceso de esteroi· des sexuales, sobre todo andrógenos. El bajo cortisol disminuiría la capa· ctdad del niño para responder al estrés. El exceso de andrógenos produci· ria masculinización en los lactantes de sexo femenino. b) Las mu¡eres, que sintetizan más estrógenos, tendrían más aromatasa. Página 758

Figura 2J.9: El!· entra en la célula por transporte activo secundario (co. transporte con Na•). La tirOglobulina se mueve entre el coloide y e! Cito. plasma por exocttosis y endocttosis. Las hormonas tiroideas salen de la célula por difusión simple. Página 762

Figura 2J.l4: Un tumor hipofisario que hlperseneta ISH produciría hi· pertiroidismo y una glándula tiroides agrandada. La vía mostraría una disminución de la 1.1Ui como resultado. de una retroaUmentadón negativa de circuito corto de 1SH hasta el hipotálamo, un aumento de la 1SH cau· sado por el tumor, hormonas tiroideas elevadas, pero sin retroalimenta· ción negativa desde las hormonas tiroideas hada la hipófisis anterior por· que el tumor no responde a las señales de retroalimentación.

Aspectos generales de la fundón del sísrema inmunitario

En 1996, investigadores desarrollaron una estrategia que podría ofrecer una supresión a largo plazo del H!V, el virus que produce el síndrome de la inmunodefidencia adquirida (sida). Ese año, lOs cientffkos confirmaron que un cóctel" de varios fármacos, que incluía un inhibidor de fa proteasa, podia ser eficaz contra ·el H!V, pero quedaban interrogantes. ¿Durante GJánto tierÍ1po la nueva combinación de fármacos mantendría controlado el HJV? ¿Los nuevos agentes funcionarían en cualquiera que tuviese la infec· ción? George, de 28 años, prefirió no hacerse estas preguntas. Después de tres años de relativamente buena salud tras su prueba positiva para infección por H!V, su recuento de linfocitos Tha· bfa comenzado a caer. Era sólo cuestión de tiempo hasta que George enfermara gravemente. a

El sistema inmunitario i\-speG:<E ,~,_,..,r,-?xs,\ei eh:: l.;:J. fund6n def síst0n':a inrnunltr.lfiü

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í"2. re5nuesta

apJ.

~¡-,muníti'1i'ia

J.uv~tomia de·\ s¡sterna irHnun!tario 781 Los tejidos linfoides están distribuidos por todo el cuerpo 782 Los leucocitos son las células principales del sistema inmunitario

lnrmmidad innata: respuesta-s !nespedficas 784 Las barreras físicas y quimlcas constituyen la primera línea de defensa del cuerpo 784 Los fagocitos reconocen e ingieren cuerpos extraños 785 Los linfocitos natural killer eliminan células infectadas por virus y células tumorales 786 Los mediadores químicos crean la respuesta inflamatoria

¡nrtH.mirl2td 8dqu~rida: res¡::ruesta.s específicas a !os antígenos 788 788 790 792

i~

p~::77~

Los linfocitos son las principales células involucradas en la respuesta inmunitaria adquirida Los linfocitos Bse diferencian en las células plasmáticas y las células de memoria Los anticuerpos son proteínas secretadas por las células plasmáticas Los linfocitos T deben hacer contacto directo con sus células diana

V~-::5 de !a respusst.a inmunitaria 794 .. La inflamación es la respuesta típica a la invasión bacteriana 795 Los mecanismos de defensa intracelulares son necesarios para luchar contra las infecciones virales 797 Las respuestas alérgicas son respuestas inflamatorias disparadas por antígenos específicos 798 Las proteínas del MHC permiten el reconocimiento del tejido extraño 799 El reconocimiento de lo propio es una función importante del sistema inmunitario 800 La vigilancia inmunológica permite que el cuerpo elimine las células anormales

lnt;;racdones neuroendouir.oínmunitari.as 802 El estrés altera la función del sistema inmunitario 802 La medicina moderna incorpora la terapéutica mente-cuerpo

INFORMACIÓN BÁSICA Leucocitos: 538; Pirógenos: 743; Fagocitos: -148; Sistema linfático: 519; Factores estimulantes de Pie!: 83; DNA, RNA: 33; Transcripción y traducción: 115; Coagulación: 548; Citocinas: 176; Transporte mucoclliar: 568; Ligandos: 3~;- Tipos de epitelio: 72

Parece que desde la década de 1980 nuevas epidemias de enfermedades infecciosas visitan la civilización humana. Algunas de ellas, como la tuberculosis o la rabia, son antiguos enemigos que se consideraban controlados. Otras, como el SARS (síndrome respiratorio agudo grave), la viruela de los simios y los virus Hanta y Ebola, parecen surgir de la nada. El conflicto entre los seres hu· manos y los invasores que producen enfermedades es Iitetalmen· te una lucha por la su pervivenda de ambos lados. Los agentes in· fecciosos necesitan un huésped como el cuerpo humano para reproducirse. Pero si destruyen a todos los huéspedes, ellos también morirán. Del lado humano de la ecuactón, debemos rechazar a los invasores para que la especte humana no se extinga. La capacidad del cuerpo para protegerse de virus, bacterias y otras entidades que producen enfermedad se conoce como inmunidad, de la palabra latina ímmunis, que significa exento, El sistema inmunitario humano está constituido por los tejidos linfoides del cuerpo, las células inmunitarias y las sustanctas químicas (tanto intracelulares como secretadas) que coordinan y ejecutan fun. clones inmunológicas.

ASPECTOS GENERALES DE LA FUNCIÓN DEL SISTEMA INMUNITARIO las características clave del sistema inmunitario son la especificidad y la memoria. En conjunto, estos procesos permiten distinguir lo "propio" de lo "no propio" y montan una respuesta diti· gida hada invasores específicos. El sistema inmunitario cumple tres fundones principales: l. Protege al cuerpo de los invasores que producen enfer·

medades, conocidos como patógenos. Los microorganis-

777

mos (microbios) que actúan como patógenos son las bacterias, los virus, los hongos y los protozoarios unicelulares. Los patógenos más grandes son los parásitos multicelula· res, como las undnarias y los platelmintos. Además, casi cualquier moléalla o célula exógena tiene el potencia! de dar origen a una respuesta inmunitaria. Los pólenes, las sustancias químicas y los cuerpos extraños son ejemplos de sustancias contra las cuales puede reaccionar el cuerpo. Las sustancias que desencadenan la respuesta in· munitaria del cuerpo y pueden reaccionar con los pro~uc­ tos de dicha respuesta se conocen como antígenos. 2. Elimina las células muertas o dañadas, como los eritrocitos viejos. Los fagocitos del sistema inmunitario patrullan el compartimento extrace!ular, fagodtando y digiriendo las células muertas o apoptósicas. 3. Intenta reconocer y eliminar a las células anormales creadas cuando el crecimiento y desarrollo celulares normales funcionan mal. Por ejemplo, las enfermedades que denominamos cáncer son el resultado de células anormales que se multiplican de fonna incontrolable, desplazando a las células normales e interrumpiendo la función. Los científicos piensan que regularmente se forman células cancerosas, pero habitualmente son detectadas y destruidas por el sistema inmunitario antes de que tomen el control. Aveces, el sistema inmunitario del cuerpo no cumple sus fun· dones normales. Por lo general, las enfermedades del sistema inmunitario pertenecen a una de tres categoñas: respuestas incorrectas, respuestas hiperactivas o falta de respuesta. l. Respuestas íncorrectas. Si los mecanismos para distinguir

lo propio de lo no propio fracasan y el sistema inmuni· tario ataca las células normales del cuerpo, se produce una enfermedad autoínmunitaria, la diabetes mel!itus tipo 1, en la cual las proteínas fabricadas por las células inmu· nitarias destruyen a las células beta del páncreas, es un ejemplo de una enfermedad autoinmunitaria en los seres humanos. . 2. Respuestas hiperactivas. Las alergias son trastornos en los . cuales el sistema inmunitario crea una respuesta que es desproporcionada con respecto a la amenaza planteada por . el antígeno. En los casos extremos, los efectos sistémicos de . ' las respuestas alérgicas pueden ser fatales. 3. Falta de respuesta. Las enfermedades por inmunodefi· ciencia surgen cuando algún componente del sistema in· munitario no funciona correctamente. La fnmunodeficiencia primaria es una familia de trastornos genéticos hereditarios que van de leves a graves. Las inmunodeficiencias adquiridas pueden producirse como resultado de una in· fección, como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (sida) causado por el virus de la immmodeficienda humana (HIV). Las inmunodeficiencias adquiridas también pueden surgir como efecto colateral del tratamiento farmacológico o la radioterapia, como los utilizados para tratar el cáncer.

1

na

Capítulo 24 E! sistema inmunitario

PATÓGENOS DEL CUERPO HUMANO En los Estados Unidos, las enfermedades irúecdosas más prevalentes son las de origen viral y bacteriano. Etf todo el mundo, los parásitos constituyen otra preocupación importante adidonal de la salud pública. Por ejemplo, se estima que el paludismo, causado por un protozoario patógeno cuyo ciclo v;ital incluye como huéspedes a los seres humanos y a los mosquitos, afecta hasta 100 millones de individuos. Muchos microorganismos parasitarios, como el protozoario del paludismo, se introducen en el cuerpo a través de picaduras de insectos. Otros entran en el cuerpo a través del tubo digestivo, llevados allí por el alimento y el agua contaminados. Algunos, comolos hongos que-producen la fiebre del valle (coccid.ioidomicosis aguda) y la hístoplasmosis, se inhalan. Algunos, como la due.. la sanguínea Schistosoma, cavan surcos a través de la piel del hués.. ped. Una vez en el cuerpo, los microbios y los parásitos pueden entrar en las células del huésped en un esfumo por evadir la respuesta inmunitaria, o pueden mantenme en el compartimento extracelular.

La respuesta inmunitaria

(a) Influenza (virus de la 9ripe), un virus RNA

{b) Pasos generaleS de la

replicación viral Invasión viral da !a céruta huésped

S!rrtesis de nuevos ácidos nucleicos yproteínas virales

¡ ¡

ycápside

ffi FIGURA 24-1 Estructura y replicadón viral

ped y se reproducen sólo esporádicamente. Otros virus incorporan su DNA en el DNA de la célula huésped. Entre los virus con

Las bacterias y los virus requieren diferentes mecanismos de defensa Las bacterias- y los virus difieren entre Sí de varias fonnas (cuadro 2-4-l!B):

1. Estructura. Las bacterias son células, con una membrana

celular que suele estar rodeada por una pared celular, Algunas bacterias encapsuladas también producen una capa extema protectora adicional conocida Como cápsula. Los virus no son células. Están constituidos por un centro de áci· do nucleico (DNA o RNA) encerrado en un revestimiento de proteínas virales llamado cápside. AWtnos virus agregan una envoltura de fosfolípidos y proteínas formada a pa:rtir de la membrana celular del huésped e incorporan proteínas virales en la envoltura (Fig. 24-la m). 2. CoÍldidones de vida· y reproducción. La mayoría de las bacterias pueden sobrevivir y reproducirse fuera de un huésped si tienen los nutrientes, la temp~tura, el pH,

1

etc., necesarios. Los virus deben utilizar la maquinaria ii¡.tracelular de una célula huésped para reproducirse. 3. Susceptibilidad a los fármacos. La mayoría de las bacterias pueden ser destruidas por los fárúlacos que !}amamos antibióticos. Estos fármacos actúan directamente sobre las bacterias y las déstruyen o inhiben su crecimiento. Los virus no pueden-ser destruidos por antibióticos. Algunas in· fecciones virales pueden ser tratadas con fármacos antivirales, que están dirigidos contra la replicación viral.

Los virus pueden reproducirse (replicarse) sólo en el

interior de las células huésped El.cido vital de un ytrus comienza cuando el virus invade la célula huésped (Fig. 24-lb). Para cruzar la membrana de: Ja célula huésped humana, el virus se une a receptores de membrana, lo que dispara la endocitosis de la totalidad de la partícula viral. Como alternativa, la envoltura viral se fusiona con la membrana de la célula huésped, lo que permite que el núcleo del virus entre en el citoplasma. Una vez en el interior de la célula huésped, el ácido nudeico viral se hace cargo de las operaciones de la célula. Los virus utilizan su propio ácido nudeico y los recursos de la célula huésped para formar ácidos nudeicos virales y proteínas virales nuevas. Estos componentes se reúnen en otras partículas virales que son liberadas de la célula huésped para infectar otras células. Los virus pueden ser liberados de las células huésped en una de dos formas: 1) El virus hace que la célula huésped se rompa, Ji. berando partícUlas virales en el líquido extracelular o 2) las partículas virales se rodean por una capa de membrana de la célula huésped y luego se separan de la superfide de la célula huésped. Los virus hacen otro tipo de daño a las células huéspedes. Al hacerse cargo de una ~élula huésped, pueden interrumpir totalmente el metabolismo celular y la célula muere. Algunos virus (Herpes simple tipo 1 y virus varicela-zoster, que producen herpes labial y varicela, respectivamente) se "ocultan" en la célula hués-

esta característica están el HIVy los virus oncogénicos, que producen cáncer. S IÓN

Explique fas diferencias entre un virus y una bacteria. 2. Mencion_e !as secuencias de pasos por medio de tos

cuales un virus·se reproduce. Respuestas en !a p. 806

LA RESPUESTA INMUNITARIA El cuerpo tiene dos !fueas de defensa. Las barreras físicas y quí· micas, como la piel, el moco y el ácido gástrico, intentan primero mantener a los patógenos fuexa del medio interno del cuerpo. Si esa línea de defensa fracasa, entonces se hace cargo la respuesta inmunitaria interna. Cualquiera sea la naturaleza del material extraño que entta en el cuerpo, la respuesta inmunitaria interna incluye los mismos. pasos básicos: 1) detección e identificación de la sustanda extraña, 2) comunicad6n con otras células inmunitarias para reunirse en una respuesta organizada, 3) reclutamiento de asistencia y coordinad6n de la respuesta entre todos los partidpantes y 4) destmcción o supresión del invasor. No todos los invasores pueden ser destruidos por el sistema in·munitario. En algunos casos lo mejor que el cuerpo puede hacer es controlar el daño y evitar que el invasor se propague. Ejemplos de patOgenos que son suprimidos más que destruidos por el sistema inmunitario son la bacteria que produce la tuberculosis; el pa· rásito del paludismo, que se oculta en el interior de las células hepáticas, y los virus herpes, que producen brotes ocasionales de herpes labial o lesiOnes genitales. · El sistema inmunitario se distingue porque usa ampliamente las vías de señalizadón química. La detección, la identificación, la comunicación, el reclutamiento, la coord.inadón y el ataque contra el invasor dependen de moléculas señal como anticuerpos y cttqctnas. Los anticuerpos, proteínas secretadas por ciertas cé-

779

lulas inmunitarias, se unen a los antígenos y los vuelven más visibles para el sistema inmunitario. Las citocinas son mensajeros proteicos liberados por una célula que afectan el crecimiento o la aCtividad de otra célula ( ¡¡¡'g p. 176).. La respuesta inmunitaria humana se divide generalmente en dos categorías: inmunidad innata inespedfica e inmunidad adquirida espeáfica. La inmunidad innata o congénita está presente desde el nacimiento (innatus, innato) y es la respuesta inmunitaria inespecífica del cuerpo contra la invasión. Como la respuesta innata inespedfica no se dirige a un patógeno en particular, comienza ¡1los pocos m!nutos o en las primeras horas. La inflamación, que se constata en !a piel como un área roja, caliente e hinchada, es una reacción característica de la inmunidad innata. La inmunidad adquirida {también llamada inm!tnidad adaptativa) está dirigida a invasores específicos y por lo tanto es la respuesta inmunitaria específica del cuerpo. Una caracteríStica de la inmunidad adquirida es que la respuesta inmunitaria espeáfica a una primera exposición a un patógeno puede llevar días. Pero con las exposiciones repetidas el sistema inmunitario "recuerdan la exposición previa al patógeno y reacciona más rápidamente. La inmunidad adquirida puede dividirse en inmunidad mediada por células e inmurridad humoral. (El término humoral, que se refiere a la sangre, proviene de la escuela hipocrática de medicina, que clasificaba los liquidos corporales en cuatro humores: sangre, flema, bilis negra y bilis amarilla.) Como se verá más adelante, las respuestas inmunitarias inespedfica y específica se superponen. Aunque las hemos descrito como separadas, en realidad son dos partes interconectadas de un único proceso. La respuesta innata es la respuesta más rápida, pero no está dirigida contra un invasor específico. Es reforzada por la respuesta adquirida específica del antígeno, que amplifica la eficacia de la respuesta innata. La comunicación y la coordinación entre las diferentes vías de la inmunidad son vitales para obtener el máximo efecto protector. Debido a la enorme cantidad de moléculas involucradas enJa inmunidad, y a causa de las interacciones .complejas entre las di· ferentes componentes del sistema inmunitario, el campo de la in~ munolqgfa está creciendo continuamente. En este capítulo cubriremos los principios básicos.

E! HIV es un:retroVirus que utiHza _ra ·enzimci franscri~tasa inver·

sa para repróducil-se. Dos· fármacos del cóctel-contra el·sida, et AZTy el ddC, son agentes antirretrcivirales·que inhiben fa trans-criptasa inversa. El otrofá~rmaCo de! cóctel_.e!; un_ inhibid~r de __la proteasa. La: proteasa ·es un·a enzimá necesaria Para esancrr fas protelnas dave durante urr paso de la repliGición del. ~!V.

Pregunta 1: ·¿Por qué los'ieir~Viñís ;lf! pu~rÍef, ~eprodudrse si~ la tratisaiptasa inverSa?

..*iiftl!i~ ,,'i?1;¡:g~

1

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780

Anatomíá del sistema inmunitario

Capítulo 24 El .sistema inmunitario

~~~ . -t1RI{JS._UMSN ANATÓMICO .. -~ EL SISTEMA LINFÁTICO

731

'ti.sTRUorimÁ DIÍ UN GANGLIO I.INI!ÁTICO El bazo es el

órgano linfoide más

la Sllperficie externa del bazo es una cápsula de tejido conectivo que se extiende hacia abajo creando un marco qua contiene !os vasos·sanguineos y el te¡ldo llnfoide.

grande del cuerpo, localizado 911 el cuadrante superiOI' izquierdo del

abdomen, cerca del estómago.

\~ Las regiones más oscuras de la pulpa roJa están estrechamente ~\ 1\

asociadas con una red de vasos sangulneos y senos venosos abiertos. la pulpa roja corrtia11e muchos macrófagos que actúan oomo filtro atrapando y destruyendo material extrai'io que circula en !a sangre. Además, los macrófagos Ingieren eritocitos viejos, dañados yanormales, degradando sus moléculas de hemoglobina en aminoácidos, hierro y bifnrublna que es ·transportada hacia el hfgado para su

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excreción.

H:, Reglones de !a pulpa blanca que se asemejan al interior da los gang!los linfáticos y están comptJestas principalmente por linfocitos.

11 AGURA 24-3

1

mFIGURA 24--2 Anatomla def sistema inmunitario

ANATOMIA DEL SISTEMA INMUNITARIO El inmunitario probablemente es el sistema del cuerpo anatómicamente menos identificable porque la mayor parte está integrada en los tejidoS de otros órganos,. como la piel y el aparato di· gestivo. Nq_ obstante, ¡la masa de todas las células inmunitarias del cuerpo és igual a la masa del cerebro! El sistema inmunitario tiene dos componentes anatómicos: los tejidos llnfoides y las cé- . · lulas responsables de la respuesta inmunitaria.

Los tejidos linfoides están distribuidos· por todo el

cuerpo Los dos tejidos linfoides (o linfáticos) primarios son el timo ( il! El timo, p. 792) y la médula ósea, ambos sitios donde se for· man y maduran las células involucradas en la respuesta inmuni· taria (Fig. 24-2a W). Los tejidos linfoides secundarlos son sitios donde las células inmunitarias maduras interactúan con patóge· nos e inician una respuesta. Los tejidos secundarios se dividen en tejrdos encapsulados y tejidos linfoides difusos no encapsulados.

Los tejidos Iinfoides encapsulados son el bazo {Figs. 24-2a y 24-3 m) y los ganglios linfáticos {Fig. 24-2b). Ambos tienen una pared externa formada por cápsulas colagenosas fibrosas. El bazo contiene células inmunitarias ubicadas de modo que monitorizan a la san~ en busca de invasores extraños. Las células fagocíticas del balo ~bién atrapan y eliminan a los eritrocitos envejecidos. Los ganglios linfáticos están asociados con la drculadón lin· fática. Recuél:dese del capítulo 15 que hay un flujo neto de liqui· do tuera de los capjJares y hada el espado intersticial ( ~ p. 517). Este líquido filtrado es recogido por los capilares linfáticos y pasa a través de los ganglios linfáticos encapsulados en su viaje de regreso .a la circulación. En el interior de los ganglios linfáticos, agrupamientos de cf:. lulas ~unitarias interceptan a los patógenos que han entrado en el )íquido interstidal. a través de rupturas ~ la piel o de las

membranas mucosas. Una vez que estos microbios han sido ba* rñdos en la linfa, las células inmunitarias de los ganglios ayudan a evitar su propagación a todo el cuerpo. Probablemente haya notado que si tiene sinusitis o dolor de garganta, los ganglios linfáticos de su ruello se hinchan. Estos ganglios edematizados y do-lorosos son el resultado de la presencia de células inmunitarias ac. tivas que se han reunido en los ganglios para pelear contra la in* fecdón. · Los tejidos linfoides difusos no encapsulados son agregacio-nes de células inmunitarias en otros órganos del cuerpo (Fig. 242). Entre ellos están las amígdalas en la nasofaringe posterior, el tejido linfoide intestinal (GALT), inmediatamente debajo del epitelio del esófago y los intestinos (S p. 678), y cúmulos de tejido linfático asociados con la piel y los tractos respiratorio, uri~ nario y reproductivo. En cada caso, estos tejidos contienen célu*

1

Anatomía de! sistema inmunitario 732

las inmunitarias ubicadas para interceptar a los patógenos antes de que entren en la circulación general. Debido a la extensa superficie del epitelio del aparato digestivo, algunos'autores consi· deran que el GALT es el órgano inmunitario más grande del cuerpo. Desde el punto de vista anatómico, las células del sistema in· munitario pueden hallaxse en máximas concentraciones en cualquier sitio donde sea muy probable que encuentren antígenos que penetren los epitelios.

Los leucocitos son las células principales del sistema inmunitario Las células principales del sistema inmunitario son los glóbulos blancos o leucocitos, que fueron presentados en el capítulo 16 (S: p. 538). La mayoría de los leucocitos son mucho más grandes que los eritrocitos y baStante menos numerosos. Un mi· crolitro de sangre entera contiene alrededor de 5 millones de eritrocitos pero sólo unos 7 000 leucocitos. Aunque la mayoría de los leucocitos circulan en la sangre, ha· bitualmente abandonan los capilares. y cumple sus funciones ex.tavasC!Ilatmente (fuera de los vasos). Algunos tipos de leucocitos pueden vivir en los tejidos durante varios meses, pero otros pueden vivir sólo pocas horas o días. Los leucocitos se dividen en seis tipos básicos: 1) eosinófilos, 2) basófilos en }a_ sangre y mastodtos en los tejidos, 3) neutrófilos, 4) monocífDs y sus derivados macrófagos, S) linfocitos y las células plasmáticas derivadas y 6) células dendríticas. (Las células ~endriticas no suelen hallarse en la sangre y, por lo tanto, no fueron incluidas en nuestro análisiS de los lenco· citos en el capítulo 16.) Los leucocitos pueden distinguirse unos de otros en muestras de tejidos teñidas por la forma y el tamaño del núcleo, las carac· teñsticas tintoriales del citoplasma y las inclusiones citoplasmáticas y la regularidad del borde ~elular.

los nombres de las células ínmunitarias reflejan su función o su aspecto La terminología asociada con las células inmunitarias puede ser muy confusa. Algunos tipos celulares tienen distintas variantes, y otros han recibido múltiples nombres (Fig, 24-4 fl). Además, las célul_as inmunitarias pueden agruparse desde el pun· to de vista funciomil o morfológico. Un grupo morfológico son los granúlocitos, glóbulos blancOs cuyo citoplasma contiene gránulos prominentes. Los nombres de l_os diferentes tipos celulares provienen de las propiedades tintoriales de los gránulos. Los gránulos d~ los neutrófilos no se tiñen de oscuro con tinciones estándar para sangre y por lo tanto son "neutros". Los gránulo~ 'de los basófilos se tiñen de azul oscuro con colorante básico (alcalino), y los gránulos de los eosinófilos se tiñen de rosa 9scuro con el_colorante ácido eosfna. En los tres tipos de granulocitos, el contenido de gránulos es liberado en el espado extracelular, proceso conocido como desgranulad6n. Un grupo funcional de leucoci~os son los fagocitos, glóbulos blancos que engullen e ingieren sus objetivos mediante fagocitosis ( S p. 148). Este grupo incluye losneutrófilos, los macrófagos, los monodtos (que son-precursores de loS macrófagos) y los eosi· nófilos. Un Segundo grupo fundonal son las células ¡;itotóxicas, denominadas así porque destruyen a las células que atacan. Fste grupo incluye Jos eosinófilos y algunos tipos de·Iinfocttos. Un te!·

1

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Capítulo 24 El sistema inmunitario cer grupo está formado por células presentadoras ,de ahtígellos (CPA), que muestran fragmentos- de-Proteínas exógenas sobre su superficie celular. Este grupo incluye ciertos linfócitos, las células dendríticas, Jos macrófagos y los monodtos. La terminología asociada con los macrófagos ha cambiado en la historia de la histología y la inmunología. Durante muchoS años, los macrófagos tisulares eran conocidos como el sistema retimlaendate/ial y no se asociaban con los glóbulos blancos. Para confundir más el tema, las células recibieron nombres cuando fueron descritas por primera vez en diferentes tejidos, antes de que todas fueran identificadas como macrófagos. Por lo tanto, los histiodWs en la piel, las ce1ulas de Kupffer en el hígado, los asteoclastos en el hueso, la miaoglia en el encéfalo y las células retimloendateliales en el bazo son todos nombres de macrófagos especializados. El nuevo nombre para el sistema reticuloendotelial es el de sistema fagocítico mononuclear, término que se refiere tanto a los macrófagos en los tejidos como a sus monocitos madre que circulan en la sangre. En las secciones que siguen estudiaremos de cerca Jos seis ti· pos básicos 'de leucocitos. los eosinófilos luchan contra los parásitos y contribuyen a las reacciones alérgicas Los eosinófilos, fácilmente reconocidos por los gránulos rosa brillantes en su citoplasma, se asocian con reacciones aléigícas y enfennedades parasitarias. Normalmente, hay pocos eosinófilos en la circulación periférica, donde representan sólo ell-3% de todos los leucocitos. Se estima que la expec_tativa de"vida de un eosinófilo en la sangre es de 6-12 horas. La mayoría de los eosinófilos funcionantes están en el apara·. to digestivo, los pulmones, los epitelios urinario y genital y el tejido conectivo de la piel. Estas localizaciones reflejan su papel en la defensa contra los _invasores parasitarios. Se sabe que los eosi· nófilos se unen a grandes parásitos revestidos por anticuerpos, como la duela sanguínea SchisWsoma, y liberan sustancias de sus gránulós que dañan o matan alos parásitos. Como los eosinófilos matan a los patógenos, se clasifican como células citotóxicas. Los eosinófllos también participan en reacciones alérgicas, donde contribuyen con la inflamación y el daño tisular al liberar enzimas tóxicas, sustancias oxidantes y una proteína llamada neuratoxina derivada de los easin6filas. Aunque se ha demostrado in vitro que los eosinófilos ingieren partículas extrañas, como el polen, no existe ninguna prueba de que lo hagan in vivo. los basófilos liberan histamina y otras sustancias químicas Los basófilos son raros en la ctrculación, pero son fácilmente reconocibles en un extendido de sangre por los· gránulos azul oscuro y grandes en su citoplasma. Son muy similares a los mastocitos de los tejidos, y ambos tipos celulares liberan mediadores que contribuyen con la inflamación. Los gÍánulos de estas cél~as contienen histarnina, heparina (un anticoagulante que inhibe la coagulación sanguínea), citoctnas y otras sustancias químicas que participan en tespuestas alérgicas e inmunitarias, Los mastocitos, al igual que los eosinófilos, están concentrados en el tejido conectivo de-piel, pulmones y tubo digestivo. En estas locinzadones,los mastocitos tienen una ubicación ideal para interceptar a los patógenos que son inhalados o ingeridos o que entran a través de brechas en la epidermis.

mirladas células de Langerhans, Células T dtotóxicasl células con velo

pñmaria{s

""'l""

inmunitarias por !a presentación de antígenos

li AGURA 24-4- Células del sistema inmunitario

los neutrófilos "comen" bacterias y liberan citodnas I.osneutrófilos son los glóbulos blancos más abundanteS (50.70% del total) y son muy fácilmente identificados por un núcleo segmentado formado por tres a cinco lóbulos conectados por cadenas delgadas de material nuclear. Debido al núcleo segmentado, los neutrófilos también se denominan Ieucadtas palimarfrmucleares y segmentados. Los neutrófilos inmaduros, que se encuentran ocasionalmente en la circulación, pueden identificarse por su núcleo con forma de herradura. Estos neutrófilos inmaduros se conocen por los sobrenombres de "en bandos" y "en cayada". Los neutrófilos, al igual que otras células sanguíneas, se forman en la médula ósea. Son células fagodticas que normalmente miieren y matan S-20 bacterias durante-su expectativa de vida programada de uno o dos días. La mayoría de los neutrófllos per~ manece en la sangre pero pueden dejar la circulación si son atraídos hada un sitio extravascular de dafio o·infección. Además de ingerir bacterias y partículas extrañas, los neutrófllos liberan distintas citocinas, que incluyen pirógenos que producen fiebre (m; p. 743) y mediadores químicos de la respuesta ~atoria.

los monodtos maduran y se transforman en macrófagos Los monocitos son las células precursoras de los macrófagos tisulares, Los monocitos no son muy comunes en la sangre (1-6% de todos los leucocitos), Según algunas estimaciones, pasan sólo ocho horas allí en tr~ito desde la médula ósea hasta sus posiciones permanentes en los tejidos. Una vez fuera de la sangre, los monocitos crecen y se diferencian en macrófagos. Algunos macrófagos tisulares patrullan los tejidos, arrastrándose mediante un movimiento ameboide. Otros encuentran una localización y se mantienen fijos en el lugar, En cualquier caso, los macrófagos son los principales fagocitos dentro de los tejidos. Son.más grandes y más eficaces que los neutrófllos, ingieren hasta 100 bacterias durante su vida. Los macrófa· gos también eliminan partículas más grandes, como eritrocitos viejos y neutrófllos muertos. Como son células presentadoras de antígenos, los macrófagos desempeñan un papel importante en el desarrollo de la inn:).unidad adquirida. Después de ingerir y digerir antígenos moleculares o celulares, los fragmentos del antígeno procesado son insertadÓS

Inmunidad innata: respuestas inespecíficas 1M

785

Capítulo 24 El sistema inmunitario (a} 8 patógeno se une directamente a !os receptores de los fagocitos.

Fagocito 8 macrófago fagocita el antígeno.

8 macrófago digiere el antígeno en ellisosoma

8 macrófago presentador de antígenos muestra fragmentos

del antígeno en los receptores desuperf!Cie.

@l

(b) las bacterias encapsuladas deben ser recubiertas con anlicue;pos antes de que !os fagocítos !as puedan!ngerir.

FIGURA 24-5 Células presentadoras de antígeno (CPA)

en la membrana del macrófago como parte de los complejos de proteínas de superficie (Fig. 24-5m). C€lrÓ.o señalamos antes, las células dendríticas y los linfocitos ·conocidos como linfocitos B también actúan .como células presentadoras de antígeno. Los linfocitos median la inmunidad adquirida Los linfocitos y sus derivados son las células clave que mediaó la respuesta inmunitaria adquirida del cuerpo. Sólo el S% de todos los linfocitos se encuentran en la circulación, donde constituyen el20-35% de todos los glóbulos blancos. La mayoría de los Unfocjtos se encuentran en los tejidos linfoides, donde es probable que encuentren a los invasores. Según ®a estimación, el cuerpo adulto Contiene un billón de linfocitos en cualquier momento dado. Aunque la mayoría de las células parecen similares al microscopio, tienen diferencias im· portantes en función y especificidad, como se ~prenderá inás adelante. Las célul~ dendríticas activan linfocitos Las células dendríticas son células presentadoras de antígenos caracterizadas por prolon· gaciones largas y delgadas que se asemejan a las dendritas neuronales. Las cél~las dendríticas se encuentran en la piel (donde se denominan célultis deLangerhans) y· en distintos órganos. Cuando las células dendríticas reconoc~ y capturan antígenoS, migran hada los tejidos linfoides secundarios, donde presentan los anti- genos a los linfocitos. la unión con el antígeno activa a los linfocitos.

1 '

INMUNIDAD' INNATA: RESPUESTAS INESPECIFICAS La primera línea de defensa del cuerpo está diseftada para excluir los patógenos, y son barreras físicas y químicas. Si esas barreras no mantienen afuera a los invasores, el sistema ínmunita· rio innato proporCiona la segunda línea de defensa. La respues... ta inmunitaria innata está formada por leucocitos estacionarios y de patrulla}e que atacan y destruyen a los invasores. Estos leucocitos responden de la misma forma a cualquier material que identifiq-ilen como extraño, y por eso la inmunidad innata se considera inespedfica. La inmunidad Ipnata elimina la .infec-

Patógeno

~~

ción o la contiene hasta que se activa la respuesta inmunitaria adquirida.

Las barreras físicas y quimicas constituyen la primera línea de defensa del cuerpo Las barreras físicas del cuerpo incluyen la piel ( !1'J p. 83), los revestimientos mucosos protectores del tubo digestivo y el tracto genitouñnario, y el epitelio ciliada del tracto respiratorio. El tubo digestivo y el aparato respiratorio son los más vulnerables a la in· vasión bacteriana porque estas regiones tienen áreas extensas de epitelio delgado en contacto directo con el medioambiente externo. En las mujeres, el tracto reproductor también es vulnerable, pero en menor grado. El orificio del útero normalmente está cerrado por un tapón mucoso que impide que las bacterias de la vagina asciendan a la cavidad uterina. En el aparato respiratorio, la materia particulada inhalada es atra~da por el revestimiento mucoso del tracto respiratorio SU· perioL Luego el moco es transportado hada arriba por el transporte mucociliar hasta ser expulsado o deglutido (m p. 568). Los patógenos deglutidos pueden ser inhabilitados por la acidez del estómago. Además, las secreciones del aparato respiratorio contienen liso:rima, una enzitna con actividad antibacteriana. La li· sozima a~ca los componentes de la pared celular de las bacterias no encapsuladas y los degrada. Sin embargo, no puede digerir las cápsulas de las bacterias encapsuladas.

Los fagocitos reconocen e ingieren cuerpos extraños Los patógenos que atraviesan las ba!reras físicas. de piel y mu· cosas enfrentan las células Inmunitarias y la respuesta inmunita-. ria irmata. Cuando los fagocitos que patrullan -el tejido y los esta· donarlos detectan invasores, su respuesta es doble.: destruyen o suprimen a los invasores al ingerirlos (fagocitosis) y atraen a célu· las inmunitarias adicionales secretando dtodnas. Las moléculas que atraen células inmunitarias se denoininan quimiotaxinas. Incluyen toxinas bact~~as, productos de la lesión tisular (fibrl· na y fragmentos de colágeno) y dtocinas liberadas por leucocitos. Las células fagocíticas principales del sistema inmunitario son los macrófagos tisulares y los neutrófilos. Si se encuentra un inva· sor en un tejidó, los fagocitos dejan la drculactón (extravasad6n)

Cápsula de po!isacárido

Molécula da

1

'~.[;

-

_Receptor deopson!na

Fagocito

1!9 FIGURA 24-6 Fagodtosis Algunos materiales extraños activan directamente a los fagocitos (a), pero otros deben estar recubiertos por anticuerpos u otras protefnas antes de que un fagocito los reconozca (b).

a través de los poros en el endotelio capilar. Una vez que los fagocitos alcanzan al patógeno, lo identifican por indicios químicos y luego lo ingieren. I.a fagocitosis es similar en macrófagos y neutiófilos. Es un acontecimiento mediado por receptores, que asegura que sólo se ingieran partículas indeseables. En las reacciones más simples, las moléculas de superficie en el patógeno actúan como ligandos que se unen di!ectatnente a receptores sobre la membrana del fagodto (Fig. 24-6a ID). En una secuencia que recuerda un cierre de cremallera, los ligandos y los receptores se combinan de forma secuenqal, de · modo que el fagocito rodea a la partícula extiafia no deseada. El proceso es auxiliado por filamentos de actina que mueven la membra~ na de la célula fagodtica alrededor del invasor. Las membranas fagocíticas contienen receptores que reconocen muchos tipos diferentes de partícUlas extrañas, tanto orgánicas como Inorgánicas. Los fagocitos ingieren bacterias no encapsuladas, fragmentos celulare_s, carbono y partículas de asbesto, entre otros materiales. En el iaboratorio, los científicos utilizan el ritmo de ingestión de pequefias bolitas de pollestireno como indicador de la actividad fagodtica. Pero los fagocitos no pueden reconocer instantáneamente todas las sustancias extrañas, porque algunos patógenos carecen de los marcadores que reaccionan con los receptores de los fagocitos. Por ejemplo, algunas bacterias han desarrollado una cápsula de pollsacáridos que enmascara sus marcadores de superficie (Fig. 24-611). Estas bacterias encapsuladas no son reconocidas tan rápidamente por los fagocitos y, en consecuencia, son más patógenas porque pueden crecer sin control hasta que el sistema inmunitario ijnalmente las reconoce y fabrica anticuerpos contra ellas.

Una vez que esto sucede, las bacterias son a marcadas" con un revestimiento de anticue¡pos de modo que los fagocitos las reconocen como algo para ser ingerido. Los anticuerpos que marcan a las bacterias encapsuladas, jun· tamente con proteínas plasmáticas adicionales, se conocen en conjunto como opsoninas (opson, 11elemento cocina:don). En el cuerpo, las opsoninas convierten partículas no reconocibles en "alimentan para los fagocitos. Las opsoninas actúan como puén· tes entre los patógenos y los fagocitos al unirse a los receptores de los fagocitos. · Una vez que un patógeno ha sido ingerido por un fagocito, la partícula ingerida termina en una vesícula citoplasmática llamada fagosoma {Fig. 24-711). Los fagosomas se fusionan con lisoscr mas intracelulares ( ~ p. 66), que contienen poderosas sustancias ·quimicas. que destruyen los patógenos ingeridos. El conteni* do de los lisosomas incluye enzimas y agentes oxidantes, como peróxido de hidrógeno (HpJ, óxido nítrico (NO) y el anión SU· peróxido (Q-). Si un área de infección atrae gran cantidad de fagocitos, se puede formar un material conocido como pus. Esta sustancia es.. pesa, entre blanca y verde, es la colección de neutrófilos y basófi· los vivos y muertos, juntamente con liquido tisular, restos celulares y otros remanentes del proceso inmunitario.

Los.linfocitos natural killer eliminan células infectadas por virus y células tumorales Una clase de llnfocito -las células natural killer o células NK-: partídpa en la respuesta innata contra las infecciones vira-

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786

Inmunidad innata:- respuestas inespe-cíficas

Capítulo 14 El sirt.ema inmunitario

Ellisosoma contiene enzimas y oxidantes.

yen moléculas que actúan como opsoninas, moléculas antiproteasas que ayudan a evitar el daño tisular, y la proteína C reactiva

EÍ fagosoma contiene

patógeno ingerido.

(CRP). CLASES FUNOONALES

Proteínas da fase aguda: protelnas del hlgado liberadas durante la fase aguda que actúan como opsoninas y aumentan la respuesta inflamatoria

Quimlotaxlnas: moléculas que atraen fagocitos hasta un sitio de infe-cción Antígenos digeridos

Citodnas: protefnas liberadas por una célula que afectan el creci· mlento o la actividad de otra célula Opsonlnas: proteinas que recubren a !oS· patógenos para que !os

mf1GURA 2JÍ..7 Las enzimaslisosómicas digieren los pató~ genos que han sido fagoátados

fagocitos los reconozcan e ingieran: anticuerpos, protelnas de fase aguda y protelnas- del complemento Plrógenos: sustancias productoras de fiebre

les. Las células NK actúan más rápidamente que otros linfocitos en una respuesta que puede medirse en horas desde la infecdón viral primaria. Las c~lulas NK inducen a las células infectadas por virus a suiddarse (proceso llamado apoptosis [ 5I p. 81D antes de que el virus pueda replicarse. La eliminación completa del virus requiere la activación de una respuesta inmunitaria- espeófica. Las células NK también atacan a algunas células tumorales. Las células NK y otroS linfocitos secretan varias dtodnas antivirales, entre ellas interferones, que recibieron ese nombie por su _capacidad para interferir con la replicación viral. El interfetón a y el interferón pse dirigen a células infectadas y activan vías para evitar la replicación viral. El interferón yactiva a los macrófagos y otras células inmunitarias.

Los mediadores químicos crean la respuesta inflamatoria ·La inflamadón es una reacción característica de la inmunidad

innata que tiene tres papeles importantes para luchar contra la infección en el tejido daiíada:: 1) atraer a las células inmunitarias y los mediadores q!J.ÍID.icos hada el sitio, 2) producir una barrera física para retardar la propagación de la infecdón y 3) promover la reparación ~sular.una _vez que la ~ecdón está controlada (una furÍdón no inriun1:ológi_ca)._ La respuesta inflamatoria se inicia cuando los macrófagos tisulares activados liberan dtodnas. Estas ~tandas químicas atraen a otras células inmunitarias, aumentan ·la permeabilidad capilar y producen fiebre. Asu Vez, las células inmunitarias atraí~ das hada el sitio libe:rari sus propias dtodnas. Algunos ejemplos representativos de las'sustai-l.das químicas involucradas en la respuesta inmunitaria innata se describen luego y se enumeran en el cuadro ~2m,. un "anotador" conveniente para seguir a los "ju~ gadotesn en estos procesos complejos.

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Al comienzo de la respuesta inmunitaria se liberan proteínas de fase aguda. En el pi!ñodo inmediatil.mente posterior a una lesión o la invasión por un patógeno (fase aguda), el ampo responde aurp.entand_o la concentración de varias proteínas plasmáticas. Al· gunas de estás proteínas, producidas principalmente en el hígado, redben,~ nombre general de proteínas de fase aguda. Inclu·-

SUSTANCIAS QUfMICAS ESPEdFJCAS Y Sus _FUNOONES

Anticuerpos {inmunoglobulfnas. g!Ínimaglóbulinas): protefnas se
'"' Bradicinina: estimula los receptores de dolor; vasodilatadora Complemento: protefnas de la membrana plasmática y la membra· na celular que actúan como opsoninas, agentes cltciirticos· y mediadores de fa inflamación Protefna e-reactiva: ops-onina que activa !~ cascada del comp!e. mento Granzimas; en:ti~as citotóxicas· que iniciañ la apoptosis Heparlna: antkoagulante Histamina: vasodi!atador y broncoconstrictor liberado por los mastodtos y los basófi!Os · tnWrferones: protefnas que inhiben la replicación viral y modulan la respuesta inmunitaria· · lnterleu
Normalmente, las cqncentraciones de proteínas de fase aguda declinan hasta la nornlalidad a medida que prosigue la res-puesta inmunitaria, pero en las enfermedades inflamatorias crótricas, como la artritis reumatoidea, puedcil persistir concentraciones elevadas de proteínas de fase aguda, Por ejemplo, el auménto de las concentraciones de proteína C reactiva se asocia con un mayor riesgo de cardiopatía coronaria. Esto se debe a que Ia aterosderosis es un proceso inflamatorio que comienza cuando los macrófagos en Jos vasos sanguíneos ingieren el exceso de colesterol y se convierten en células espumosas ( ~ p. 526) que secretan CRP, otras citodnas y factores de crecimiento. Sin embargo, la CRP elevada no es un indicador espeáfico de aterosclerosis,. porque las concentraciones de CRP también pueden estar elevadas en otros trastornos inflamatorios agudos y crónicos. la hirtamina inicia la inflamación La histamina se encuentra fun. damentalmente en los gránulos de mastodtos y basófilos, y es la molécula activa que ayuda a iniciar la respuesta inflamatoria cuando los mastodtos sufren desgranuladón. Las acciones de la histamina atraen más molétulas hacia el sitio de la lesión para eliminar a las bacterias y los restos celulares .. La hlstamina abre los poros capilares, lo que permite que las proteínas plasmáticas escapen al espado interstidaL Este proceso produce edema local e hinchazón. Además, la histamina dilata los vasos, aumentando el flujo sanguíneo hada el área, El resulta~ do de la liberación de histamina es un área tumefacta, roja y ca. liente alrededor de una herida o del sitio de una infección. La desgranulación de los mastodtos es disparada por diferen~ tes dtodnas en la respuesta inmunitaria. Como los mastodtos es. tán concentrados bajo las mucosas que revisten las vías aéreas y el tubo digestivo, la inhalación o la ingestión de ciertos antígenos puede desencadenar la liberación de hlstamlna. El edema resul~ tante en las vías nasales produce un síntoma molesto en la aler~ gia estacional al polen: la nariz tapada. Mortunadamente, los far~ macólogos han desarrollado distintos agentes llamados antihistxz~ mínicos, que bloquean la acción de la hlstamina sobre su receptor. Los científicos pensaban en otra época que la hlstamina era la principal sustancia química responsable de la broncoconstrtcción en el asma y de la reacción alérgica sistémica grave llamada shock anafiláctico { i1! p. 510). Sin embargo, ahora sabemos que los mastodtos liberan poderosos mediadores lipídicos además j:le la histamina, que incluyen leucotrienos, factor aetlvador plaquetario y prostaglandinas. Estos mediadores trabajan con la histamina pa. ra producir la broncoconstricdón y la hipotensión características del shock anafiláctico.

Las interleucinas tienen efectos sistéTnicos difusos Las interleudnas ( !rii! p, 540) son dtoctnas que inidaÍmente se creía que mediaban la comunicación entre los diferentes tipos de leucocitos del cuerpo. Desde entonces los científicos han descubierto que muchos tejidos diferentes en el cuerpo responden a las inte:rleu. cina<. La interleucina-1 (IL-1) es secretada por macrófagos activados

787

Las proteínas del complemento se insertan en !a membrana de los

patógenos, creando un poro.

H20Yiones

·~~Aguayiones entran en la célula.

. <1/,,"J-; .,¡;.,;¡,;;''\

""'

la célula se hincha

yse!lsa.

¡¡¡¡FIGURA 24-8 Acción del complejo de ataque a la membrana

y otras células inmunitarias. Su papel principal es mediar la respuesta inflamatoria, pero también tiene efectos sistémicos difusos sobre la función inmunitaria y el metabolismo. La interleudna~I modula la respuesta irununitaria al:

Modificar el endotelio de los vasos sanguineos para facilitar el pasaje de glóbulos blancos y proteínas durante la respuesta inflamatoria. 2. Estimular la producción de proteínas de fase aguda por el hígado. 3. Indudr fiebre por actuar sobre el termostato hipotalámlco ( 5I p. 743). La Il...l es un conocido pirógeno. 4. Estimular la secreción de dtocinas y endocrina por otras células. l.

La bradicinina estimula los receptores del dolor Las driinas cons-

tituyen un grupo de proteínas plasmáticas inactivas que parti9pan en una cascada similar a la de la coagulación ( i1ii p. 552). El producto final de la cascada de las dninas es la bradidnina, una molécula que tiene los mismos efectos vasodilatadoreS que la his.. tamina. La bradidnina también estimula los receptores del dolor, creando la sensibilidad a la palpación asociada con la inflamadón. El dolor" dirige la atención haCia la lesión. las proteínas del complemento son opsoninas y quimiotaxinas

Complemento es el término colectivo para un grupo de más de 25 proteínas plasmáticas y proteínas de la membrana celular. La cascada del complemento es similar a la de la coagulación. Vaños intermediarios de la cascada del complemento actúan como opsoninas, atrayentes químicos para los leucocitos y agentes que producen desgranulación de los mastodtos. La cascada del complemento termina con la formación del complejo de ataqu~ a la membrana, un grupo de proteínas li~ posolubles que se insertan en las membranas celulares de los patógenos y células infectadas por virus y forman poros (Fig. 24-8 B). Estos poros permiten que los iones entren en las células patógenas y el agua sigue por ósmosis. En consecuencia, las células se hinchan y se lisan.

1

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Inmunidad adquirida: respuestas especfficas a !os antígenos

Capítulo 24 El sistema inmunitario

,_-,RE';,QISIÓN

tf;:rJfi ¿Por qué !a acciÓn de la h~stamina sobre la permeabilf. \:B'_;-

dad capilar produce edema?

•·

Respuesta en la p. 806

c~~:~~¡a:~~,~~-~')::;-, -i

1iilfoéitáÍ"kl"tíeri6'(eeeptqieS'. ~-da~ft·áritfgOOO:'

·",:;:.-::·

Las respuestas inmunitarias adquiridas son respuestas especificas a los antígenos, con las que el cuerpo reconoce una sustancia extraña particular y reacciona selectivamente contra ella. La inmunidad adquirida es mediada fundamentalmente por linfocitos. Existen tres tipos principales de linfocitos: linfocitos B, linfocitos T y-cauias natrual killer (NK). Los Infocitos Bacth:ados se

1

Los linfocitos son las principales células

involucradas en la respuesta inmunitar~a adquirida

.DeS¡)Ués- d~ la primera lixposlctÓI\ _al antígeno, los f_infócltcis nativos se

Las células de memoria tie!len una

ExpaM!ón clona!

Aritlgooo .· .

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·

4

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ReSpúéStá-hirinlilltarla secundaria .Cu~~ ~ óé!uias d'e memoria son reexpuestas ·.-al antígeho aptopiado, el c1on se expande más

v!da larga y se siguen

fápii:laf!lente para producir células efectoras y de

reproduciendo.

.ll"!ery¡ona,adlclonales.

->~-< .·•.~·.•.· ."· .•· . ·•~.··~ . . m*-~~.··.· ~ . ~~

U\IMUNIDAD ADQUIRIDA: RESPUESTAS ESPECiFICAS A LOS ANTIGENOS

transforman en células plasmáticas, que secretan anticuerpos. Los linfocitos T activados se transforman en células que atacan y destruyen células infectadas por virus o en células que regulan a otras células inmunitarias. Las células NK atacan y destruyen células infectadas por virus y células tUmorales. Todas las dtodnas secretan linfocitos que actúan sobre células inmunitarias, células no inmunitarias y, a veces, sobre patógenos. Los procesos de inmunidad adquirida e !Jununidad inerte se superponen. Las dtoctnas liberadas por la 'respuesta inflamatoria atraen linfocitos al sitio de la reacdon inmunitaria. Los linfocitos líbenm cttoctnas adicionales que aumentan la respuesta inflamatoria. La inmunidad adquirida puede dividirse en inmunidad activa e inmunidad pasiva La inmunidad activa ocune cuando el ruerpo es expuesto a un patógeno y produce sus propios antiruerpos. .La inmunidad activa puede ocurrir naturalmente, cuando un patógeno invade el cuapo, o de modo artificial, wmo cuando recibimos vacunas que contienen patógenos muertos o atenuados. La inmunidad pasiva ocurre cuando adquirimos antiruerpos fabricados por otro animal. Un ejemplo es la transferencia de anticuerpos de la madre al feto a través de la placenta. Otro ejemplo son las iny~ciones que contienen anticuerpos. Se puede inyectar a las personas _que viajan al extranjero gammaglobulina_{antiruerpos extraídos de plasma humano donado), pero esta bununidad pasiva dura sólo unos ttes meses.

Respuesta tnmunftarla primaria

739

· y.· •.·•·@~~~.~ ·.~ \~o®:··.~

. . ''""'""' efectoras de

~ · 'Y....·. ~~ >ÍIV \V ?- 0· f®J \!V

vklaoorta

!levanacabo la respuesta

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@, _\Y ~.. (%\ lW .. ~ ~@ V

!nmed"~ata.

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mFIGURA 24-10 Modo en que la expansión dona/ produce la memoria inmunológica . mariamente en células especializadas que secretan anticuerpos. La palabra anticuerpo describe lo que hacen las moléculas: traba-

B~~,;:~~:E G u N T A .eL ¿Qué clon se actiVará ;:<,·

"-"'

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con este ant!geno?

mFIGURA 24:-9 Clones iinfodtarios Cada uno de los tres pares de linfocitos de la figura proviene de un don diferente. da don nativo no es suficiente para rechazar a los invasores, la primera exposición al antígeno activa el don apropiado y lo estimula a dividirse (Fig. 2-4-1011), Este proceso, llamado expansión cloruil, crea células adicionales del don. ~ulas nativas se siguen generando dutante toda la vida de un individuo. Los linfocitos recién formados en un don se diferencian en células. efectoras y células de memoria. Las Células efectoras llevan a cabo la respuesta bunediata y luego mueren a los pocos días. Por el contrario, las células de memoria tienen una-vida prolongada y se siguen reproduciendo. La segunda exposición y exposiciones ulteriores al antígeno activan las células de memoria, lo que crea una respuesta más rápida y más potente.

Anivel nucroscóptco, todos los linfocitos se ven parecidos. Pero a nivel molecular ~células pueden distinguirse una de otra por sus receptores de "membrana, que hacen que cada linfocito sea específico de un ligandO particular. Todos los linfocitos que son específicos de un ligandO dado forman un grupo conocido como don (klon, retoño) (Fig. 2-4-91D). SI hay un tipo. específico de linfocito para combatir cada patógeno que entra en el.cuerpo, deberla haber millones de tipos .di· ferentes de linfocitos listos para combatir a millones de patóg~ . Los linfocitos 8 se diferencian en las .células nos diferentes. ¿Pero de-dónde provienen todos esos linfocitos? plasmáticas y las células de memoria En el momento del nacimiento, cada don de linfocitos está Los linfodtos B (también llamados células B) se desarrollan representado por sólo algunas células, denominadas lliifocttos en la médula ósea. Los linfocitos B activados se diferencian prl· ·nativos o vírgenes. Como la pequeña cantidad de células en ca-

jan contra los ruerpos extraños. Los anticuerpos también se llaman inmunoglobulinas, y este nombre alternativo describe lo que son las moléculas:-proteínas globulares que participan en la respuesta bununitaria humoral. Los linfocitos B maduws insertan moléculas de antiruerpos en sus membranas celulares de modo que los anticuerpos se conviertan en receptores de superficie que marcan los miembros de cada don (Fig. 2-4-9). Cuando un don de células Bse activa en respuesta a la exposición al antígeno, algunas de las células se diferencian en células plasmáticas, que son las células efectoras para los linfocitos B. Las células plasmáticas no tienen proteínas de anticuerpos en sus membranas. En cambio, sintetizan y secretan moléculas adicionales de anticuerpos con velocidades increíbles, ¡estimadas en 2 000 moléculas por segundo! Los anticuerpos de las células plasmáticas forman la inmunidad humoral, los anticuerpos solubles del plasma Una vez que se ha rechazado con éxito un invasor, algunas células de memoria del don quedan, esperando para responder"a la siguiente exposición al mismo antígeno. La figura 24-11 il com-

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para las respuestas de antiruerpos -expresadas como concentra· dones de los antiruerpos en el plasma-luego de la primera y la segunda exposición a un antígeno. La respuesta inmunitaria primaria, que OCUil"e después de la exposición inicial, es má.s lenta y de menor magnitud porque el rueq¡o no se ha encontrado previamente con el antígeno. La respuestá inmunitaria secundaria, que tiene lugar desput!s· de la segunda exposición y las exposiciones ulteriores, es más rápida y mayor porque está apoyada por linfocitos que tienen la memoria molecular de la primera ex· posición al antígeno. La existencia de una respuesta inmunitaria secundarla es lo que hace que las vacunaciones funcionen. Una vacuna contiene un patógeno alteradO que ya no produce dafto pero que puede ser reconocido cómo extraño por las células inmunitarias. El patógeno alterado dispara la creación de células de memoria específicas de ese pató~o en particular. Si la persona vacunada se inferta más tarde con el patógeno, se produce una respuesta inmunitaria secundaria más potente y más rápida Sin embargo, hoy sabemos que es posible que la inmunidad postinmuniiactón no dure toda . la vida de un individuo.

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a FIGURA 24-11 Memoria en el sistema inmunitario La producción de anticuerpos en respuesta a la primera exposición a un antígeno es más lenta y más débil que la producción de ant;·

cuerp?s luego de exposiciones ulteriores al mismo antfgeno.

1

790

Capítulo 24 El sistema inmunitan'o

Inmunidad adquirida: respuestas es'pecfficas a !os antígenos

RegiónFab

unaní01éCUla~oe: ~tiCúefPO ,~=~-in~~~~!~·ppt·d_~:~d.er-~§_· · _liVIanas:_!dánlicas 'J_f;!os·ca~nB:S peiai:!as'!(:lérltic'as,\.':· ._, u~tdaS_j:io'r_~ni~ceS-~~~Iftlró_.~ · -, '·

FIGURA 24·12 Estructura de los anticuerpos las dos regiones Fab tienen sitios de unión para los antlgenos.

1!!1

Los anticuerpos son proteínas secretadas por las células plasmáticas Los anticuerpos fueron uno de los primeros aspectos del siste-

ma inmunita!lo en ser descubiertos y tradicionalmente sus nom~ bres -aglutininas, predpitinas, hemolísinas, etc.- indican lo que hacen. Sin embargo, en la actualidad, los anticuerpos o irununoglo]:1ulinas (Ig) se diViden en cinco clases generales: IgG, IgA, IgE, IgM e IgD. Los anticuerpos se denominan en conjunto gammaglobulinas. Las IgG constituyen el 75% de los anticuetpas plasmáticos en los adultos porque son producidos en Jas respuestas inmunitarias secundarias. Las IgG maternas cruzan la membrana placentaria· y brindan a los lactantes inmuriidad en los primeros meses de vida. Las~ activan el complemento. Los anticuerpos lgA se encuentran en las secreciones externas, como saliva, lágrimas, moco intestinal y bronquial y leche mater· na, donde inactivan a los patógenos antes de que alcancen el medio interno. Las IgE se ;~odan con las respu~ alérgicas. Cuando los receptores de los' mastocitos se unen con IgE y el antígeno, dichas células se desgranulan y li'bezari mediadores químicos, como la histarnina. 'tos anticuerpos lgM se asoq.an con respuestas inm~tarias primarias y con los anticuerpoS que·reaccionan con los antígenos de los grupos sanguú_leOs. Las IgM también activan el comple· mento. Las proteínas de anticuérpos IgD.aparecen sobre la superficie de los linfocitos B juntamente con IgM, pero el papel fisiológico de IgD es poco claro.

1

los anticuerpos son protefnas con fonna de Y La molécula de anticuerpo básica tieúe cuatro cadenas polipeptídicas unidas en for· ma de Y (fig. 24-12 1!1). Ambos lados de la Y con idénticos, con una cadena liviana unida a una cadena pesada. Los dos brazos, o regiOnes FÍW, forman sitios de unión al antígeno que <:onfieren la espedfiddad del anticuerpo. El cuerpo deJa molécula de anti~· cuerpo con forma de Yse conoce como región Fe. La: región Fe

determina la clase de inmunoglobulina a la que pertenece el anticuerpo. Una región de bisagra entre los brazos y_ el cuerpo permi~ te el posicionamiento flexible de los brazos. En cualquier molécula de anticuerpo, las dos cadenas livianas son idénticas y las dos cadenas pesadas también. Pezo las cadenas varían ampliamente entre los diferentes anticuerpos y son espedficas para el don del que proviene el anticuerpo. Dos clases de inmunogiobulinas (IgM e IgA) son secretadas como polímeros: la Ig,.\4: está fonnada por cinco moléculas de anticuerpos con forma de Yy la IgA tiene de una a cuatro moléculas de anticuerpos.

8 antígeno se une al anticuerpo

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·Activando el complemento®. Los anticuerpos unidos a antígenos utilizan el extremo Fe de su molécula para activar el complemento. Activando los mastocitos ®. Los mastocitos tienen anticuerpos IgE unidos a su superfide. Cuando los antigenos o las proteínas del complemento se unen a la IgE, los mastocitos se desgranulan, liberando sustancias químicas que median la respuesta inflamatoria. El papel final de los anticuerpos es activar a las células inmunítarias:

Los anticuerpos unidos a los antígenos activan las células inmunítarias. En las tres primeras funciones mencionadas, el anticuerpo se une primero al antígeno y luego a los receptores sobre la célula inmunitaria. Las-células fagodticas y algunas células dtotóxicas tienen receptores de membrana que atraen a la región Fe de los anticuerpos li· gados a los antígenos: La presencia de un receptor Fe único elimina la necesidad de tener millones de diferentes receptores para reconocer diferentes antígenos. En cambio, con un único tipo de receptor las células inmunitarias son activadas por cualquier antígeno ligado al anticuerpo. Si la célula inmunitaria es un fagocito, la unión de Fe inicia

Células

memoria plasmátlcas

Anticuerpo

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Los anticuerpos también aumentan la inflamación al actuar por lo menos de otras dos formas:

Sitiode

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los anticuerpos tienen múltiples funciones La mayoría de losanticuerpos están en la sangre, donde constituyen aproximadamente el20% de las proteínas plasmáticas en un individuo sano. Estos anticuerpos son más efectivos contra los patógenos extracelu. lares (como bacterias), algunos parásitos, macromoléculas antlgénicas y virus antes de que hayan invadido sus células huéspedes. La función de los anticuerpos se resume en la figura 24-13 m. Aunque los anticuerpos no son tóxicos ni pueden destruir losantígenos, los pueden hacez más visibles pára el sistema inmunitario en las tres formas siguientes: Actuando como opsoninas ®.Los anticuerpos solubles recubren a los antígenos para fadlitar el reconocimiento y la fagocitosis por las células inmunitarias. Agrupando a los antígenos®. El agrupamiento de losan~ tígenos causado por los anticuerpos potenCia la fagocitosis. Inactivando las toxinas bacterianas®. Los anticuerpo~ se unen a algunas toxinas producidas por las bacterias y las inactivan.

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mFIGURA 24-13 Fundones de los anticuerpos Adaptado de J. Kuby, lmmuno/ogy 2e (New York: W. H. Freeman, 1994).

la fagocitosis {Fi.g. 24-13, ®. Si la célula inmunitaria es una célula dtotóx:ica (células NKy eosinófilos}, la unión de Fe inicia respuestas que destruyen a la célula ligada a los anticuerpos (Fig. 24-13, ®. Por ejemplo, las células NK activadas destruyen a sus células diana desencadenando la apoptosis. Esta respues- · ta inespecífica de las células nattualldller se denomina cito-

toxicidad celu1ar dependiente de antiCUetp()S. En el caso de lirúocitos B, los
@ Ji,' Como los anticuerpos son protelnas, son demasiado ~~.f' graildes para auzar las membranas celulares en protef· q¡v · nas de transporte o a través de canales. ¿De qué modo las !gA y otros antlruerpos se convierten en parte de las secreciones externas comO saliva, lágrimas y moco? 5. Un niflo es picado por una abeja por primera vez. ¿Por qué el padre debe estar particularmente alerta si e! ni· ño es picado por segunda vez? Respuestas en !a p. 806

la unión del antlgeno a los anticuerpos de las células B activa la célula la superfide de cada linfocito B está cubierta con 100 000 moléculas de anticuerpos aproximadamente, cuyos extremos Fe están insertados en la membrana (Fig. 24-13, (1)). Las regiones Fab de los anticuerpos pueden unirse a los antígenos extracelulares libres, como virus o toxinas bacterianas. La unión de la célula Bneutraliza el patógeno o la toxina. Algunas células Bse diferencian entonces .en células de memoria a la espera de una invasión posterior. Por ejemplo, Corynebacterium diphtheriae es la bacteria que produce la difteria, una infeCCión respiratoria superior. En esta enfermedad, la toxina bacteriana mata a las células huéspedes, dejando úlceras que·tienen una membrana grisácea caracterís~ tica. La inmunidad natural contra la enfermedad ocurre cuando el huésped desarrolla anticuerpos que inhabilitan a la toxina. Para desarrollar una vacuna contra la difteria, los investiga. dores crearon un preparado de toxina inactivada que no afectaba a lis células vivas. Cuando se administra a un individuo, la vacuna desencadena la producdón de anticuerpos sin producir ningún síntoma de la enfermedad. Como consecuencia, casi se ha eliminado a la difteria en los paises con buenos programas de inmunízación.

1

792

Inmunidad adquirida: respuestas específicas a los antígenos

capítulo 24 El sistema inmunitario

8 timo es un ó¡gano bi!obulado localizado en el t6rrot inmedlatamoota por encima del corazón p,,.

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793

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Células Tcitotóxicas

Las células epiteliales del timo secretan factores peptidicos que Influyen en e! desarrollo de nnfocitos T, que Incluyen tnterleucinas, timosinas. tlmopoyetina y timulina. Aunque estos ~tidos a veces son clasificados como hoononas, existe poca evidencia de que sean libelados eri la circu!a.c16n para actuar sobre !os te¡1dos fuera del timo.

8 timo alcanza su mrutimo tamaño durante la adolescencia. Luego sa .encoge y en gran parta es reemplazado por te¡ldo adiposo a medida qua una pe¡sona envejece. La producción de nuevos flnfocttos Ten el timo es baja en !os adultos, pero la cantidad da Hnfocltos Ten la sangra no disminuya, lo qua ·

sug!ere que los linfocitos T

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maduros tienen vida prolongada o pueden reproduci!'Se.

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Células Thelper ! ~.-:~"i·,

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secretan

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Cttoc1nas que

activan a otras células inmunitarias

l!li FIGURA 24-16 Roles de los linfocitos y las células NK en la inmunidad mediada por células

,,. Los linfotitos Tdtotóxlcos y helper y las células natural killer se desarrollan a partir del mismo precursor de 1'&1 células T.

Durante el desarrollo embrionario, los flnfocitos T sintetizan sus receptores de células T y los insertan en !a membrana. Las células que muestran autorreactivldad son el!minadas, mientras que !as que no reaccionan con los tejidos propios se multipl!can formando clones.

111 FIGURA 24-14

· Los linfocitos T deben hacer contacto directo con sus células diana Los anticuerpos son eficaces sólo contra patógenos extracelulares. Una vez qtie·el patógeno entra en una célula huésped, ya no puede ser uvist0" pPr el sistema inmunitario humoral. Defender

1

Fragmento de antlgeno

11 FIGURA 24--15 Adivadón de los linfocitos

al cuerpo contra los patógenos intracelulares es el papel de los lin· focitos T, que llevan a cabo la inmunidad mediada por células. En este proceso, las células T se unen a células que muestran fragmentos de antígenos extraños como parte del romptejo mayor de histvcompaülJilídad (MHC) en su superfide. Los lirúocitos T se desarrollan en el timo a partir de células precursoras inmaduras que migran alli desde la médula ósea (Fig. 24-14 El). Las células T maduras se unen al_ complejo MHC.antígencxélulas presentadoras de antígeno giactas a los receptores de células Ten la membrana de las células T (Fig. 24-158). Los receptores de las células T no son antirui.!rpos (como lo son los receptores de las células B), aunque las proteínas de los dos tipos de receptores están estrechamente reladonadas. Además, las células T no pueden unirse a antígenos li~res como lo hacen las células B. En cambio, las células T sólo pueden uniise a complejos MHCantigeno sobre la superfide de una célula diana (Fig. 24-15). Los complejos mayores de histocompatibilldad incorporan frag· mentos de antfgenos Los complejos mayores de histocompatibilidad constituyen una familia de complejos de proteínas de membrana codificados por un conjunto especifico de genes. (Es-tas proteínas redbieron el nombre cuando se descubrió que de· sempeñaban un papel en el rechazo del tejido extraño luego de

trasplantes de órganos.o tejidos.) Ahora sabemos que toda célula nucleada del cuerpo tiene MHC sobre su membrana. Las proteínas MHC se combinan con fragmentos de antígenos ·que han sido digeridos dentro de la célula, y el complejo MHC antígeno es insertado en la membrana celular por exodtosis (véase un ejemplo en la Fi.g:. 24-5). Los antígenos libres en el líquido extracelular simplemente no pueden unirse a receptores MHCno ocupados sobre la superficie celular. Existen dos tipos de moléculas de MHC. Las moléculas MHC. clase I se encuentran sobre todas las células nucleadas. Cuando vi· rus o bacrertas Invaden la célula, son digeridos en fragmentos peptídicos y cargados en "platafonnas" MHCL Si una célula T dtotóxica (célula Te) encuentra una célula diana con un fragmento de antígeno extraño sobte su MHCI, la célula Te reconoce el sitio dia- · na como una célula infectada por virus o como una célula tumoral y la destruye para impedir que se reproduzca (Fig. 24-161i). Las moléculas de MHC clase II se encuentran fundamental· mente en macrófagos, linfocitos By células dendríticas, Cuando una célula inmunitaria capta y digiere un antígeno, los fragmen- · tos retoman a la membrana de la célula inmunitaria combinados con proteínas de MHC clase n. Si una célula T helper o cooperadora (célula Ta) encuentra una célula diana con un fragmento de antígeno extraño sobre s:u MHC.ll, la ~élula Ta responde secretan· do dtodnas que aumentan la respuesta inmunitaria. Todas las proteínas MHC están reladonadas, pero varían de una persona a otra debido a la enorme cantidad de aleles {variantes de un gen) que se puede heredar. Existen tantos alelos que es improbable que dos personas que no sean gemelos idénticos hereden exactamente el mistno conjunto. Los complejos mayores de histocompatibilidad son una de las razones de por qué los tejidos p.o pueden ser trasplantados de un individuo. a otro sln es-

tablecer primero la compatibilidad, Recientemente se ha desOI· bierto que la herencia de ciertos aleles de MHC está ligada a algunos trastornos en los cuales el cuerpo no reconoce sus componen· tes como "propios". Las células T dtotóxicas destruyen sus sitios diana Las células T citotóxicas (fe) atacan y destruyen a las células que_ muestran complejos MHC dase I.antígeno. Aunque ésta puede ser una res-

1

794

Vías de la respuesta inmunitaria

capítulo 24 E! sistema inmunitario

puesta extrema, impide la reproducctón de invasores inttacelula· res como virus, algunos parásitos y algunas bacterias. ¿De qué modo las células T dtotóxicas destruyen sus sitios dia· na? Lo hacen en dos formas. Primero, pueden liberar una molécula cttotóxica formadora de poros denominada perforina junto con granzimas, enzimas reladonadas con las enzimas digestivas tripsina y quimotripsina. Cuando las granzimas entran en las células dia· na a través de los canales de perforina, activan una cascada de enzi. mas que induce a la célula a autodestruitse (apaptosis). Segundo, las células T dtotóxicas pueden inducir apoptosis activando Fas, una proteína "receptora de muerte" (death recepror) sobre la membrana de la célula diana que está ligada a la cascada -enzimática. Las células T helper ffa) no atacan directamente a los patógenos y a las células infectadas, pero desempeñan un papel esencial en la respuesta inmunitaria al secretar dtodnas que influyen sobre otras células. Las citocinas secretadas por las células T helper incluyen: 1) interfer6n-gamma (UN·'Y), que activa a los macrófa. gos; 2) interfeudnas que activan la producción de anticuerpos y linfocitos T dtotóxicos, 3) factores estimulantes de colonias que aumentan la producción de leucocitos y 4) interleudnas que mantienen las acciones de los mastocitos y los eosinófilos. Las células T helper también se unen ·a células B y promueven su difefendadón en células-plasmáticas y células B de memoria. El mv; elvirus que produce sida, infecta y destruye p_referentemente a las células T helper, dejando al huésped incapaz de responder a los patógenos 9ue de otra modo podrían ser supñmidos fácilmente.

VÍAS DE LA RESPUESTA INMUNITARIA ¿De qué modo el cuerpo responde a diferentes tipos de problemas inmunitarios? Aunque los detalles dependen del problema en particular, el patrón básico es el mismo. ta respuesta innata comienza primero, y es reforzada por la respuesta adquirida más específica.- Las dos vías están interconectadas, de modo que la cooperación y la comunicación son esenciales. En las secciones siguientes se verá la respuesta del cuerpo en cuatro situaciones: una infección ·bacteriana extracelular, una infección viral, una res-puesta alérgica al polen yla transfusión de sangre incOmpatible.

1

La inflamaéión es la respu.esta_típica a.la invasión bacteriana · ¿Qué sucede cuando invaden las bacterias? Como hemos visto, si las barreras pasivas de la piel y las mucosas fracasan, las bac·

terias llegan al líquido extracelular: Allí suelen producir una res· puesta inflamatoria que representa los efectos combinados de muchas ·células que tfabajan para desembarazarse del invasor. Si las bacterias entran en la lirifa, tiene lugar una lucha contra la infección también en los ganglios linfáticos. La inflamación se caracteriza por un área caliente, edematiza. da Y. roja dolorosa al tacto o espontáneamente. Además de la respuesta inflamatori~ _inespedfica,·los linfocitos atraídos hacia el área producen anticuerpos dirigidOs hada el tipo especifico de bacteria. La entrada de la bacteria establece varias reacciones in· terreladonadas (Fig. 24--17 !§): 1. Actividad del sistema del C<mlplemento. Los componentes de

la pared celular de la bacteria activan el sistema de comple-mento. Algunas proteínas del complemento son señales qní· micas (quimiotaxinas) que atraen a los leilcocitos de la circulación para ayudar a luchar contra la infección. El proceso según el cual las células inmunitarias salen de la circulación y entran en el espado intersticial se llama -extravasación: El complemento produce desgranuladón de los mastodtos y los basófilos. Las cttodnas secretadas por los mastoritos actúan como quimiotaxinas adicionales, que atraen más células inmunitañas. Sustancias químicas vasoactivas como la histamina dilatan los vasos sanguíneos y aumentan la permeabilidad capilar. El aumento de la irrigación hada el sitio crea el rubor y el calor de la inflamación. Las proteínas plasmáticas que escapan hacia el espado intersticial llevan agua con ellas, lo que conduce al edema tisular (tumefacción). La cascada del complemento termina con la formación de las moléculas del complejo de ataque a la membrana que se insertan en la pared bacteriana de las bacterias no encapsuladas. La entrada ulterior de iones y agua lisa las bacterias, con la ayuda por la enzima lisozima. Se trata de un proceso puramente químico que no involucra células inmunitarias. 2. Actividad de los fagadtos. Si l
MEOIOAMBIENTE EXTERNO

795

las bacterias entran en el líquido extracelular desde el exterior

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li!l FIGURA 24--.17 Respuestas inmunitarias a las bacterias extracelulares

Los mecanismos de defensa intracelulares son necesarios para luchar contra las infecdones virales ¿Qué sucede cuando los virus invaden el cuerpo? Primero, en· cuentran una fase extracelular de respuesta inmunitaria similar a las descritas para las bacterias. En las primeras etapas de una infección viral, las respuestas inmunitarias innatas y los anticuerpos pueden ayudar a controlar la invasión de los virus. Una vez que los virus entran en las células del huésped1 la inmu· nidad humoral en forma de anticuerpos ya no es eficaz. Los linfoci. tos T dtotóxicos (y en menor grado, las células NK) constituyen la defensa prindpal contra los virus intracelulares. Fstas células buscan a las células huésped infectadas, y luego las destruyen. Durante años, la inmunidad mediada por células efectuada por los linfodtos T y la inmunidad humoral controlada por linfocitos B eran consideradas procesos independientes. Hoy sabemos que los dos tipos de inmunidad están relacionados. I.a figura 24-18 mmuestra de qué modo los dos tipos de linfocitos se coordinan para destruir virus y células iiúectadas por los virus. En esta figura, hemos dado por sentada una exposición prevía al virus y la presenda de anticuerpos preexistentes en la drculadón. Los anticuerpos pueden

desempeñar un papel defensivo importante en las etapas extracelu. lares tempranas de una infección viral. L Los anticuerpos actúan como opsoninas, revistiendo las partículas virales para convertirlas en mejores objetivos para los macrófagos. 2. Los virus ligados a anticuerpos no pueden entrar en sus células diana. Pero una vez que el virus está en el interior de una céltila huésped diana, los anticuerpos ya no son eficaces. 3. Los macrófagos que ingieren virus insertan fragmentos de antígeno viral en las moléculas MHC ciase II sobre sus membranas. Los macrófagos también secretan distintas d· tocinas. Algunas de estas dtodnas inician la respuesta in· flamatoria. También producen interferón-o;, que hace que las células huéspedes formen prot~as antivirales que impiden que los virus se repliquen. Otras dtocinas de los macrófagos estimulan a las células NK y a las células T helper. 4. LaS células T helper se unen al antígeno viral en las moléculas MHC clase II de los macrófagos. Las células T helper activadas constituyen los mediadores· primarios para la producción adicional de anticuerpos por los linfocitos B.

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Vlas dé la respuesta inmunitaria

Capítulo 24 8 sistema inmunitario

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S. Las células T dtotóxicas utilizan los complejos antígeno. MHC clase 1 para reconocer a las células huésped infectadas: Cuando las_ células T citotóxicas.y las células NK se unen a la célula huésped infectada, secretan el contenido de sus gránulos en la superficie celular. Las moléculas de perforina insertan poros en la membrana de la célula huésped de modo que las granzimas pUedan entrar en la c~ula, induciéndolas a autodestruirSe y sufrir apoptosis. La destrucción de las células huésped infectadas es un paso clave para detener la replicación de los virus invasores. Es posible que los anticuerpos contra un virus no funcionen en infecciones ulteñores Aunque la figura 24-18 muestra anticuerpos de una infecdón previa que protegen al cuerpo, no existe ninguna garantía de que los anticuerpos producidos durante una infección sean eficaces contra la siguiente invasión por el mismo virus. ¿Por qué es así? Muchos virus mutan constantemente, y el revestimiento proteico que forma el antígeno primario pu~ cambiar significativamente con el tiempo. El virus de la gripe es un virus que cambia año a afio. En consecuencia, las vacunas anuales contra la gripe deben desarrollarse según predicciones de los virólogos sobre qué mutaciones se -produdrán. Si las predicciones no aciertan las mutaciones o las cepas prevalentes, la vacuna para ese afio no evitará que uno se contragie una gripe. La rápida mutación de los virus también es una de las razones de por qué los investigadores no han desan:ollado aUn una vacuna eficaz contra el Hrv; el virus que produce el síndrome de in· munodeficiencia adquirida (SIDA o sida). Además, hay evidencias de que si los anticuerpos recubren las partículas de HIV pueden de hecho mejorar la captación de los virus por células diana. El mv infecta las células del sistema inmwútario, sobre todo los linfocitos 't los monodtos y los macrófagos. Cuando el HIV hace desaparecer las células T helper, la inmunidad mediada por células contra el virus se pierde. La pérdida general de Wla respuf$ inmunitaria en el sida deja a estos pacientes susceptibles a distintas infecciones virales, bacterianas, micóticas y parasitarias.

797

los venenos de insectos y el polen desencadenan reacciones de hipersensibili~d inmediata. Los alergenos pueden ingerirse, inhalarse, inyectarse o simplement entrar en contacto con la piel. Las reacciones de hipersensibilidad retardada incluyen alergias por contacto al cobre y otros metales. Estas reacciones son frecuentes entre las personas que utilizan joyas de fantasía o bisuteria. La hiedra venenosa y el zumaque venenoso también producen alergias por contacto comunes. Las alergias tienen un gran componente genético, de modo que si los padres tienen alergia a la ambrosía, existen muchas po.. sibilidades de que sus hijos también la tengan. El desarrollo de alergias requiere la exposición al alergeno, un factor que es afectado por las condiciones geográficas, culturales y sociales. En la figura 24-19 mse mue!jtra lo que sucede durante una reacción de hipersensibilidad inn:i.~diata al polen. l. El paso inicial-primera exposición o fase de sensibilización

es equivalente a la respuesta inmunitaria primaria explicada previamente: el alergeno es ingerido y procesado por una célula presentadora de antígenos como un macrófago, lo que a su Vez activa a una célula T helper (véase el lado derecho de la fig. 24--18). La célula T helper activa a los linfodtos Bque se han uni· do al alergeno. Esto conduce a la producción de anticuerpos (IgE e IgG) por las células plasmáticas contra el alerge-. no. Los anticuerpos IgE se unen inmediatamente por sus extremos Fea la superficie de los mastocitos y los basófilos. Las células T de memoria y Bde memoria almacenan el registro de la exposición inicial al alérgeno. 2. Con la nueva exposición®, equivalente a la respuesta in· munitaria secundaria (véanse Figs. 24-10 y 24-11), el cuerpo reacciona de forma más intensa y más rápida. El alergeno se une a la IgE ya presente sobre los mastocitos, lo que desencadena la liberación inmediata de histamina, dtoctnas y otros mediadores que producen síntomas alérgicos. @..

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Células plasmáticas

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""""' t 1~1( r¡.--1.¡.-;r lil FIGURA 24-18 Respuestas inmunitarias a los virus

Esta figura_ da por sentada la exposición previa al virus y la presencia de anticuerpos preexistentes.

Las respuestas alérgicas son respuestas inflamatorias disparadas por antigenos específicos Una alergia es una respuesta inmunitaria inflamatoria a un antígeno no patógeno. Por sí solo el antígeno no es nodvo para el cuerpo. Pero si una persona es sensible al antígeno, Su cuerpo produce una respuesta inflamatoria ideada para desembarazarse de él. Las respuestas inflamatorias alérgicas pueden variar desde un daño tisular leve hasta reacciones fatales. La respuesta inmunitaria en las alergias se denomina sensibi· lidad o hipersensibilidad al antígeno. Las reacciones de hiper· sensJ.'bilidad inmediata están mediadas· por anticuerpos y ocurren a los pocos minutos de la exposición a los antígenos, que se denominan alergenos. Las reacciones de hipersensibilidad retardada están htediadas por células T helper y macrófagos y pueden tardar varios días en aparecer. Alergeno puede ser prácticamente cualquier molécula _exógena: n¡ttural o sintética, orgánica o inorgánica. Ci~os alimentos,

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su Prueba de HIV resultó,posrnva.

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trá eri· una sángre. Una"..prueba indiCa E •. el. • '.HIV p.··r.ue.ba. d·.·.•..muestra 1-f.l\t. .•.."'.·.'•.de '.'._.lú·a·la. prese. . d.'. '. positiVa ... os_ co. n-

. que las particulas del H!Vestán circulando ·en el cuérpo, yque el .

sistema jn_!f!u-rJ!ta_rÍÓ h~_ résf)ondklo fabriCa_ndo aliti_cuerpos contra ·e_l _Virús,~ ~p·uésd_e su sh_ockiniciál, George le ~ko'a_su médico ·_ima_ ~Uena_Pre9tJn~: ~Si ~oy_~abricando anticuerpos contra el HIV._-¿¡X¡r_ qué estoS airticúé_rpos nO p~~en ma~r al virus?".

,·~-_Pfe9u~tai: .: ·. _·. --, Responda a la pregunta de George. Sugerencia: recuerde que 'et HIVfinafmente destruye a las célufasT he/per. Observe la '· ·figu'ra 24-18 Para- ver cjtié toiiseaiendas tendrla esto;

1 ~

798

Vías de ·la respuesta inmunitaria

Capítulo 24 El sistema inmunitario

El tipo de reacción alérgica depende del anticuerpo Yde la célula inmunitaria involucrada, La unión del alerg~o a la IgE es la respuesta más frecuente a los alergenos inhalados, ingeridos o inyectados. Cuando los alergenos se unen a los anticuerpos IgE so-bre los mastodtos, las células se desgranulan, liberando histami. na y otras citodnas. El resultado es una reacdón inflamatoria. La gravedad de la reacción varía, desde reacciones localizadas cerca del sitio de entrada del alergeno hasta reacciones sistémicas como erupciones corporales difusas. La teacción alérgica mediada por IgE más grave se llama anafilaxia (ana-, sin: phylax, defensa). En una reacción anafiláctica, la liberación masiva de histamina y otras citoctnas produce vasodilatadón difusa, colapso circulatorio y broncoconstricdón grave. A menos que sea tratada rápidamente, la anafilaxia puede conducir a la muerte.

N"gorn>-~. ~---.l\

~"mo~:~ooieióO ~6) ~ . · .:¡"·}' t.:= ~ MCH·II/

t

Antígeno sobre eritrocito

"·

las células By T de

memoria conseJVall el recuerdo de !a exposición al alérgeno

\

1

Céi""'T activadas

l

y+y-lgG

>-;e:¡<~·· ~Mastocito :'&· ..,;; .,••,

t permeabilidad vascular

mAGURA 24-19 Respuestas alérgicas

~~]

*Rh corresponde a Rhesus, un tipo de mono. Los antígenos Rh también se llaman antígenos D.

GRUPO SANGUINEO

BLANCA

NEGRA

ASIÁTICA

AMERICANA NATIVA

P.nti-A y anll·B

A

45

49

40

79

A

40

27

28

16

'

11

20

27

4

4

AB

}'"(

B

A medida que los cirujanos desarrollan técnicas para trasplan-

plasmática

POBLACIÓN DEL LOS ESTADOS UNIDOS(%)

A.11Y

o

Las proteínas del JVJHC permiten el reconocimiento del tejido extraño tar órganoS entre seres humanos o de animales a seres humanos, los médicos tienen que luchar con el problema del rechazo del tejido de donante por el sistema inmunitario del receptor. Las proteínas del complejo mayor de histocompatibilidad (MHQ los principales antígenos tisulares que determinari si el tejido donado será reconoddo como extraño por el sistema inmuni~o del receptor. Las proteínas del MHC también se conocen como !Ultígeno lliucodtarlo humano {HLA) y están clasificadas en un sistema HLA internacionaL Es más probable que un injerto tisular o tm órgano trasplantado "prendan" si donante y receptor comparten antígenos HLA. Las incompatibilidades disparan la producción de anticuerpos y activan las células T citotóxicas y las células Ta. En general, las células T son responsables del rechazo agudo de injer~ tos tisulares sólidos. UnO de los ejemplos más comunes de la donación de tejidos es la transfusión de sangre. Las membranas de los eritrocitos hu· manos contienen proteínas y glucoproteínas antigénicas, pero los eritrocitos no tienen los marcadores proteicos del MHC para reconocer el tejido extraño como ocune con las células nudeadas. Sin proteínas MHC, dos proteínas de superficie -los antígenos de grupo sanguíneo ABO y los antígenos Rh"- se convierten en las causas más importantes de tma reacción de rechazo después de una transfusión sanguínea, Los grupos sanguíneos ABO son cuatro·tipos sanguíneos creados por la combinación de dos antígenos glucoproteicos diferentes (designados Ay B) hallados sobre Ia·membrana de los eritrocitos {Fig. 24-ZOa m). Cada persona hereda dos aletos {uno de cada uno de los padres) de tres alelos ABO posibh;s: A, By O(no se producirá ni el antígeno Ani el antígeno B). Como los aleles Ay Bson dominantes con respecto al alelo O, las distintils combina· dones de los dos alelos producen los cuatro tipos sanguíneos: A (AA o AO), B (BB o BO), AB y O(00) (ruadro 24-3 01).

799

AB

{b)

Una mezcla de sangre tipo Oy tipo A

"<e

•

Cuando se mezclan eritrocitos (E) que tienen antfgenos del grupo A sobre

4 <1

una transfusión de sangre tipo A, por ejemplo, tiene lugar una reacción inmunitaria. Los anticuerpos anti-A del receptor tipo O se unen a los eritrocitos tipo A transfundidos, lo que hace que se agrupen (aglutinen). Esta reacción se observa fácilmente en una muestra de sangre y es el fundamento de las pruebas de tipifica· dón sanguínea realizadas a menudo en laboratorios por los estu. dianles. La unión de los anticuerpos también activa el sistema del complemento, lo que lleva a la producción de complejos de ataque de membrana que hacen que las células transfundidas se hinchen y pierdan hemoglobina. La hemoglobina libernda en el plasma puede producir insufidenda renal aguda cuando el ññón in· tenta filtrar las grandes moléculas de la sangre. La prueba de compatibilidad entre la sangre de donante y la del receptor es funda· mental antes de realizar una transfusión sanguínea. 6

RJ:;#ISIÓN

sus membranas con plasma que contiene anticuerpos anfi.A, !os anticuerpos

ti,;.¿§.»l Un individuo con tipo sanguíneo AB recibe una trans--

hacen que ros eritrocitos~

7. Un individuo con sangfe tipo Orecibe una transfusión de sangre tipo A. ¿Qué sucede y por qué?

agrupen o aglutinen.

'tfjV

fusión de sangre tipo O. ¿Qué sucede y por qué?

Respuestas en la p. 806

mi FIGURA 24-20 Grupos sangulneos ABO

Se muestran los antígenos y los anticuerpos caracteristicos de cada tipo sangufneo.

Los problemas con las transfusiones sanguíneas surgen porque el plasma normalmente contiene anticuerpos contra los antígenos del grupo ABO. Se cree que estos anticuerpos sori. estimulados al comienzo de la vida por sustancias comunes como bacterias y componentes de la sangre. Ellos pueden medirse en la sangre de los lactantes ya a las 3-6 semanas de vida. Los individuos expresan anticuerpos contra el{los antígeno/s eritrodtico/s que no tienen. Por lo tarito, los individuos con tipo sanguíneo A tienen anticuerpos anti-B eri. su plasma, los individuos sin antígenos en sus eritrocitos (sangre tipo 0) tienen tanto anticuerpos anti-A como anti-B y los individuos que tienen ambos antígenos sobre sus eritrocitos (sangre tipo AB) no tienen anticuerpos contra los antígenos A o B. ¿Cómo responde el cuerpo a una transfusión de sangre in-compatible? Si un individuo con sangre tipo Orecibe ~óneamente

El reconocimiento de lo propio es una función importante del sistema inmunitario Una propiedad asombrosa de la inmunidad es la capacidad del cuerpo para Qis.tinguir entre sus propias células y células extrañas. La falta de respuesta inmunitaria poxlos linfocitos contra las cé. lulas del cuerpo se conoce como autotoleranda y parece deberse a la eliminación de linfocitos autorreactivos. Durante el desarrollo de linfocitos T en el timo, se desarrollan linfocitos T que pue. den combinarse con complejos MHC-autoantígeno. Pero por un mecanismo que no se conoce, estos linfocitos T autorreactivos se destruyen por apoptosis. Cualquier linfodto autoneactivo que surge después de que el timo se ha vuelto inactivo suele ser destruido o se vuelve inefectivo. Cuando la autotolerancia fracasa, el cuerpo fabrica anticuerpos contra sus propios componentes a través de linfocitos Bactivados por células T. El ataque del cuerpo a sus propias células conduce a enfermedades autoinmunitarias (auto-, propio). Los anticuerpos producidos en las enfennedades autoinmunitarias son

! 800

Capítulo 24 El sistema inmunitario

pendiente Esclerosis múltiple Miastenia gravis Artritis reumatoídea Lupus eritematoso sistémico

Sfndrome de Guillaín·Barré (polineuropatía desmie!ini· zante inflamatoria aguc;la)

descrita desde hace siglos. El Antiguo Testamento dice: "Un corazón alegre es una medicina; pero un espíritu triste seca los huesos" (Proverbios 17:22). la mayoría de las sociedades tienen relatos de individuos que perdieron su voluntad de vivir y después murieron sin una enfermedad evidente, o de individuos desahuciados con recuperaciones notables. En la actualidad, la medicina está empezando a reconocer la realidad de la conexión mente-cuerpo. Las enfermedades psicOso. máticas y el efecto placebo se aceptan desde hace muchos años. ¿Por qué no investigar la posibilidad de que Jos P
Mielina de !as neuronas ·del SNC Receptor de acetlko!ina de la placa ten:nina! motora Colágeno complejos proteicos de ácidos nudei· cos intrace)u!ares (anticuerpos antinu-deares) · Mielina de los nervios periféricos

específicOS contra un antígeno particular y suelen estar limitados a un órgano o tipo tisular particulat El cuadro 244 mmencion_a

algunas enfermedades autoinmunitarias frecuentes de los seres humanos, ·· ¿Por qué fracasa súbitamente la autotolerancia? Aún no losa· bemos. Sin embargo, hemos aptendldo que las enfermedades au· toinmunitariaS a ménudo comienzan con una infección. Un desencadenante potencial de las enfermedades autotnmunitarias son antígenos extraños similares a los antígenos humanos. Cuan· do el cuerpo elabora anticuerpos contra el antígeno extraño, esos anticuerpos tienen suficiente reactividad cruzada con los tejidos humanos como para hacer algún daño. Un ejet?-plo de una enfernledad autoinmunitarla es la diabetes mellitus tipo 1, en la cual el cuetpa fabrica anticuerpos contra las células de los islotes que destruyen las células ~ del páncreas pe· ro no dañan otras células endocrinas ( i!! p. 735). Otro trastorno autoirununitario, analizado en el capítulo 23, es el bipertiroidis-modela enfermedad de Graves (m! p. 761). El cuerpo fabrica in· mwwglobulinas tiroestimulantes similares a la honnona tiroestimU· Iante y hacen ·que lá glárÍ.dula tiroid5.bipersecrete hormona. Las enfennedades autoinmunitarias graves se tratan adrniJlis. _trando glucocorticoid.es, .como cortisol y sus derivadoS. Los gluccr corticoides disminuyen la función del sistema·iiimunitarlo supri· miendo la producción medulai de leucodtos y disminuyendo la actividad de las células inmunitarias ctrculantes. Aunque son úti, les para disminuir los síntomas de las enfermedades autoinmuni· tarias, las grandes dosis de·esteroides pueden desencadenar los mismos signos· y síntomas que la hipersecreción honnonal, lo que hace que los pacientes desarrollen obesidad central y la carac· terí~tica cara de luna llena del síndrome de Cushing (mí! p. 755).

1

La vigilancia inmunológica permite que el cuerpo

elimine las células anormales ¿Cuál eS el papel del sistema inmunitario humano en la protección del cuerpo contra el Cáncer? Esta pregunta despierta un interés considerable en los científicos. Una teoría, conoci~ como-

Interacciones neuroendocrinolnmunitarias

1. Los tres sistemas comparten moléculas señales comunes

vigilaúcia inmunológica, propone que, si bien aparecen células cancerosas tegularmente, son detectadas y destruidas antes de que puedan diseminarse. Hay evidencia que apoya esa teoría, pe· ro eso no explica por qué se desarrollan cada año tantos tumores cancerosos o por qué personas con la función inmunitaria depri· mida no desarrollan tumores cancerosos en todos los tejidos. La vigilancia inmunológica parece reconocer y controlar los tumores asociados con virus, presumiblemente debido al antígeno viral presentado a las células NK y células T citotóxicas. Muchos tipos de tumores carecen de los antígenos de superfi- . de que le permitirían al sistema inmunitario reconocerlos como anonnales. Un área muy activa de la investigación oncológica son las formas de activar el sistema inmunitario para luchar con· tra las células tumorales cancerosas.

INTERACCIONES NEUROENDOCRINOINMUNITARIAS

Una de las áreas más fascinantes y de más rápido desarrollo en la fisiología es la relación entre la mente y el cuerpo. Aunque científicos serios se mofarOn del tema durante aftas, la interac· ción entre las emociones y las enfermedades somáticas ba sido

y receptores comunes para ..esas molétulas. Sustancias químicas que en otra época se creían exclusivas de un solo tipo de célula o tejido hoy se ve que actúan en todo el cuer. po. Células inmunitarias secretan hormonas, y células no inmunitarias producen dtocinas leucocitarias. Por ejem· plo, Jos linfocitos secretan tirotrofina (l'SH), ACI'H, hor. mona de crecimiento y prolactina, así como la hormona li· beradora de corticotrofina hipotalámica (CRH). Receptores hormonales, neurotransmisores y dtodnas se descubren en todas partes del cuerpo. Las neuronas del encéfalo tienen receptores para las dtocinas producidas por células inmunitarias. Las células natural killer tien~ rece¡r tores para opiáceos y rec~;ptores beta adrenérgicos. En cualquier sitio que miremos, los sistemas nervioso, endocrino e inmunitario parecen compartir moléculas señales quimicas y receptores. 2. Las hormonas y los neuropéptidos pueden alterar la función de las células inmunitarias. Se sabe desde hace años que el aumento de las concentraciones de cortiscil debido al estrés se asocia con disminuciones de la producción de anticuerpos, de la proli(eradón linfodtaria, y de la acti· vi dad de las células natutal killer. Se ha demostrado que la sustancia P, un neuropéptido, induce la desgranuladón de los mastocitos en la mucosa de los intestinos y el tracto res.. piratorio. Yla inervación simpática de la médula ósea au·

Patógenos)

801

/ Estrés ' \ ( emoc1onal -,,_y físico/

~~

FIGURA 24-21 Modelo de la interacción entre los sistemas nervioso, endoaino e inmunftario

~

menta la sintesis de anticuerpos y la producción de células T citotóxicas. 3. Las citodnas del sistema inmunitario pueden afectar la función neuroendocrina. Factores estresantes como las infecciones bacterianas y virales o los tumores pueden in~ ducir respuestas en el sistema nervioso central a través de las citocinas liberadas por las células inmunitarias. La in ter· leucinil·l es ptobablemente la citodna mejor estudiada en esta respuesta, pero la inducción de la liberación de corti· sol por la ACIH linfodtaria está recibiendo considerable atención. Eri otra época se creía que la secreción de cortisol dependfa de las señales neurales traducidas a través de la vía CRH hipotalami.ca-ACI'H adenobipofisarla. Ahora parece que factores estresantes patógenos pueden activar la vía del cortisol ha:ciendo que las células inmunitarias secreten ACI'H.

La interacción de los tres sistemas se resume en el niodelo que se muestra en la figura 24-215. Los sistemas nervioso, endocrino e inmunitario están estrechamente relacionados a través de una comunicación bidireccional llevada a cabo por citocinas, hormonas y neuropéptidos. El encéfalo está relacionado con el sistema inmunitario a través neuronas autónomas, neuropéptidos del SNC y dtodnas leucocitarias. El sistema nervioso controla las glándulas endocrinas mediante la secreción de hormonas libera· doras hipotalámicas, pero las células inmunitarias secretan algunas de eStas hormonas tróficas. Las hormonas de las glándulas en· docrinas realizan una retroalimentación que influye tanto en el sistema nervioso como en el inmunitario. El resultado es una compleja red de señales químicas someti· das a modulación por factores externos. Estos factores externos incluyen estimulas físicos y emocionales integrados a través del encéfalo, factores de estrés patógeno integrados a través del siste·

Interacciones neuroendocrinoinmunitarias

Capítulo 24 El sistema inmunitario

002

Estudios clínicos descriptivos de la

asociación entre

"""y

enfermedad

mente. George siempre", !e dijo a _su ración iniet'ltras pueda."

dos Unidos {http:l/nccam.nih.gov} subvenciona estudios de in· vestigadón rigurosamente diseñados sobre la eficada de las terapias médicas complementarias, como meditación, yoga, hipnosis, imágenes visuales y biorretroalimentación. Aunque los efectos placebo y nocebo ( ¡¡¡jl p. 11) Son ampliamente aceptados en la comunidad médica intemadonal, el papel de los tratamientos complementarios como la terapia por la risa se sigue estudiando. ¿Ver una película divertida realmente ayuda a nuestro Sistema inmunitario? Algunos estudios recientes sugieren que es posible. En estos estudios, los investigadores midieron la actividad de las células inmunitarias en individuos an~es y después de observár una película o un vídeo cómicos. En ambos estudios, las células inmu-

803

nitarias se volvieron más activas. Usted puede aprender más acerca del tratamiento a través del humor de la Assodation for A¡r plied and Therapeutic Humor (www.aath.org). A pesar de las dificultades para estudiar la integración de los sistemas irununitario, endocrino y nervioso, los científicos están comenzando a unir las piezas de la intrincada tapicería que representaron las interacciones mente-cuerpo. Cuando podamos explicar a nivel molecular por qué los estudiantes tienden a enfermarse justo antes del momento del examen y por qué la terapia de relajación aumenta· la respuesta inmunitaria, estaremos bien encaminados para comprender las complejas conexiones entre la mente y el sistema inmunitario.

Pregunta4

¿Qué. cotrelad6n se Puede· hacer·-entre. er re~e~to 'iie_.Céiut'as. · Ty la carga viral de HIV en la sangre de· George?

·Ji·. Ki~, ¡~i;~gi¡\jliJt~!l

ma inmunitario y factores diver.sos, entre ellos campos magnéticos, factores químicos proveníentes del tejido adiposo pardo· y melatonina proveniente de la glándula J?ineal. Es probable que lleve años dedfrar estas complejas vías.

El estrés altera la fundón del sistema inmunitario Un área de interés es la conexión entre la incapaddad de manejar el estrés y el desarrollo de enfermedades. El estudio moderno del estrés se atribuye a Hans Selye, y comenzó en 1936. Este autor definió el estrés como estímulos inespedficos que alteran la homeostasis y producen una respuesta invariable que denominó síndrome gerzeral de adaptación; la respuesta al estrés de Selye consistía en la estimuladón de las glándulas supranenales, seguida por la supresión del sistema inmunitario debida a las con~tradones elevadas de glucocorticoides ctrculantes e~ p. 751). Durante muchos años, el experimento de Selye fue el sello para definir el estrés. Sin embargo, desde la década 4~ 1970, la.definidón ~e estrés y la respuesta al estrés se ha ampliado. · Los factores esíresantes -los· eventos o elementos que disparan estrés- son sumamente variables y difíd.l¡;;s de definir en circunstandas experimentales. El estrés agudo es diferente ~1 estrés crónico. la reacción ¡mte el estrés de una persona es afectada por la soledad y por el hechó dé que la persona se sienta que controla la situadón estresante. Muchos factores esttesantes son medidos e interpretados por el cerebro, lo que conduce a la modula· ción del factor estresante a través de la experiencia y de las expectativas. Un factor estresante para una persona puede no afectar a

1

mFIGURA 24-22 Neuroinmunomoduladón El campo de la neuroinmunomodulación aún está en pañales y no sabemos exactamente cómo interactúan los sistemas nervioso, inmunitario y endocrino para afectar la salud y el bieneStar. el estrés agudo. La respuesta del cortisol es un mejor indicador del estrés crónico o repetitivo. Una dificultad para estudiar la respuesta del cuerpo al estrés es la complejidad que conlleva integrar la información a partir de los tres niveles de respuesta (Fig. 24-22 m). Los científicoS han recolectado mucha informadón en cada uno de los tres niveles: fac· tóres celulares y moleculares reladonados con el estrés, respuestas sistémicas al estrés y estudios clínicos que describen las reJadones entre estrés y enfermedad. En algunos casos, se han rela· donado dos niveles diferentes entre sí, pero en otros casos la evidencia experimental es escasa o incluso contradictoria. Lo que aún no comprendemos es la perspectiva general, la forma en que los tres niveles de respuesta se superponen. El progreso experimental es lento porque muchos estudios tradicionales en animales, como los de los roedores, no son buenos modelos para estudiar el estrés en seres humanos. Al mismo tiempo, los experimentos controlados que crean estrés en seres 'humanos son difíd.les de diseñar y ejecutar tanto por razones prácticas como éticas. Gran parte de nuestra investigadón es observadona!. Un estudio, por ejemplo, siguió la actividad de las células na· tural killer por un período de 18 meses en dos grupos de individuos: personas que cuidaban-de sus cónyugues con enfermedad de Alzheimer (un grupo con alto estrés psicosodal) y un grupo pareado de control. En un subgrupo de las personas que cuidaban de sus cónyuges enfermos, el alto estrés percibido al comienzo del estudio se asodó con baja actividad en las células NK al final. Sin embargo, muchas variables -que incluyen edad, sexo, ejercido y uso de alcohol y fármacos- deben tomarse en cuenta antes de poder concluir que el estrés fue el factor caUsal.

otra.

La mayoría de los factores estresantes físicos y emodonales La medicina moderna incorpora la terapéutica son integrados pó.t .ef sistema nervioso central. Las dos respuestas mente~cuerpO clásicas al estrés son: 1) la rápida reacción de lucha o huida meEl papel de las interacdones mente-cuerpo en la medidna tradiada por el.sistema nervioso, y 2) la elevadón de las concentradicional ha redbido más atención en años recientes. El Nacional dones de cortisol supranenal con la supresión asociada de la respuesta inmunitaria. La lucha o huida es una reacdón rápida ante · Center for Complementary and Altemative Medicine de los Esta-

TRATAMIENfO PARA EL SIDA

En este tema relacionad!? usted aprendió sobre el tratamiento para el sida' que consiste en dos agentes antirretrovirales y un inhibidor de la proteasa. la combinación de estos fármaCos parece cortar la oleada de replicación del HIV más efi~zmente que cualquiera de los fármacos utilizados solos. Se han desarrollado otros fármacos y las pruebas para una vacuna contra el HlV siguen en progresO. Para aprender más acerca de los trata~ PREGUNTA ¿Por qué !os retrovlrus no pueden reproducirse sin la transoiptasa inversa?

mientos actuales, véase www.aidsinfo.nih.gov o AIOS.org en www.aids.org. Para estadfstkas sobre HIVy SIDA en Estados Unidos, dirijase a www.cdc.govlhiv/stats.htm. Para estadísticas internacionales, dirijase a la Organización Mundial de la Salud en www.who.int/emc·hiv/ Ahora controle su conocimiento de este tema reladorlado comparando sus respuestas con la información del cuadro resumen.

HEOIOS

INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS

Los retrovirus no tienen AON para utilizar como mOlde Para producir mRNA vira!. La transcrlptasa inversa es' una enzima que permite a los retrovlrus formar DNA complementario a partir de su propio RNA viral.

Sin transcriptasa inversa, los retrovirus no pueden formar DNA viraL Sin DNA viral, e! virus no puede formar mRNA viral ni prOtelnas virales. Por lo tanto, sin transctiptasa inversa, un retrovirus no puede replicarse.

2 ¿Cuál es el fundamento de inundar el cuerpo con protefnas CD4 para evitar la replkadón.del HIV?

El CD4 es un receptor de las células T hetper la introducción de grandes cantidades de proque se une al HIV. la uriión hace que el virus ternas CD4 en .e! cuerpo podría "engaña~" a! HIV para que se una a estas prOteínas libres en ingrese a la célula T.. lugar de las C04 sobre las células T helper. fs.. to reducirla la cantidad de partfculas virales que podrfan invadir las células T.

3 George pregunta: ~s¡ estoy fabricando anticuerpos contra el HlV, ¿por qué estos anticuerpos no pueden matar al virusr. Responda la pregunta de George.

Los virus sólo pueden ser afectados.pllr anti· cuerpos cuando están fuerá de las células huésped. El Hl\( ligado a los anticuerpos es captado en las Células T helper.

El _HIV entra en las células T helper, y con el tiempo las destruye.

¿Quécorr~ladón puede haber' entre el recuento de células Ty la carga vi· ral de HlV en la sangre de George?·

El recuento· de células Tde George aumenta mientras que la carga viral disminuye.

Al parecer. el cóctel de fármacos es eficaz para disminuir la tasa de infección de las células T por el HIV. Esto tiene dos resultados. Amedida que menos células Tson 1estruldas por e! vi· rus, el recuento de células Tse eleva. Amedi· da que los fármacos suprimen !a replicación viral, !a carga viral disminuye.

4

•Ji

804

Preguntas

Capftulo 24 El sistema inmunitario

RESUMEN DEL CAPÍTUI..O En esre capítulo, usted aprendió cómo el sistema inmunitario protege al

cuerpo de los patógenos y cómo elimilla e! tejido dailado y las células anonnales. Una respuesta Inmunitaria requiere !a detección de la sustan. da extraña, la· comunicación con otras células inmunitarias y la coordinación de la respuesta. Estas funciones dependen de la com¡mfcad6n químt. ca y las intemcdrmes m{)/eculares entre receptores, anticuerpos y antígenos. La comparümentadón del cuerpo afecta el modo en que el sistema inmu.. nitarlo lucha contra tos patógenos: algunos patógenos se ocultan dentro de las células mientras que otros permanecen en el compartimento extra. celular.

AspectQS generales de la función del sistema inmunitario 1. La inmunidad es la capacidad del cuerpo para protegerse de los pat().

genos. El slstema inmunitario humano está formado por tejidos llnfoldes, célul~ inmunitarias y dtoctnas. (p. 777) 2. . Los antígeilos son sustancias que disparan una respuesta Inmunitaria y reacCionan con los productos de esa respuesta. (p. 777)

Patógenos del cuerpo humano 3. Las bacterias son células que pueden sobreyiyir y reproducirse fuera de un huésped vivo. Los agentes antibióticos matan a las bacterias. (p. 778) . 4. Los ViruS son núcleos de DNA o RNA encerrados en proteinas protec. toras. Invaden a las células del huésped y se reproducen utilizando la maquinaria intracelular del huésped. El sistema inmunitariO debe destruir las d!luias huésped infectadas para eliminar un virus. (p. 778; Flg'. 24-1)

La respuesta inmunitaria S. la respuesta inmunitaria incluye: 1) detecd6n e identificaci6n, 2) comunicad6n con otras células inmunitarias, 3) reclutamiento de as!stenda y ccordi1Íad6n de la respuesta y 4) destnu.:ci6n o supresi6n del invasor. (p. 779) 6. La inmunidad innata o congénita es la respuesta inmunitaria ines· pedfica.y táplda. La inmunidad adquirida es más lenta y es una respuesta especlfica.contra el antígeno. Los dos tipos de inmunidad se sop&ponen. (p. 779) .

1

Anatomía del sistema inml_mi.tario

7. Las células Inmunitarias se produa!n y maduran en el timo y la médula ósea. El bazo y Jos gangltos linfáticos son tejidos linfoldes en. capsulados. Los tejidos linfoid~ difusos no encapsulados_ son las amígdalas y el tejido linfoide intestinal (GAL1). (p. 781; FigS. 24-2, 24-3, 24-14) '. 8. Los eosinófilos son ~ulas citotóxicas que destruyen a Jos parásitos. Los basófilos y los mastodtos llberan"llistamina, heparlna y otras d· toctnas. (p. 782;_Fig. 24-4) · 9. Los neutrofilos son células fagociticas que liberan pirógenos y dtoct. nas qtie_median la inflamación. (p. 783; Fig. 24-4) 10. Los monodtos.son lós precursores de loa macrófagos tlsulares. Las células presentadoras de an~os (CPA) exponen los fragmentos de antlgenos en protelnas sobre su membrana. (p. 783; Figs. 24-4, 24S) 11. Los linfocitos y las células plasmáticas median las respuestas inmu· nitartas ~-peclficas contra los antígenos. (p. 784)

12. Las células·dendriticas captan antígenos y los presentan a los linfo. citos. (p. 784)

Inmunidad innata: respuestas inespecíficas 13. Las barreras físicas y químicas, como la piel y el moco, constituyen Já primera línea de defensa. {p. 784) 14. Las quimlotaxinas atraen las células inmunitarias con los patógenos. (p. 784) 15. La fagOCitosis requiere !Ne las moléculas de superfide del patógeno se unan con los receptores de membrana del fagocito. Las opsoninas son antiCue;pos o proreínas del complemento que recurren cl material extrail.o. {p. 785; Figs. 24-6, 24-7) 16. Las células natural killer matan Ciertas dlu!as tumorales y células in· . rectadas por virus. Se unen al cuerpo Fe de los anticuerpos que está ll· gado a una célula diana. Esto se denomina dtotoxicidad celular dependiente de anticuerpos. (pp. 78S, 790) 17. La inflamación es el resultado de las cttoclnas liberadas por los maaófagos tisulares activados. (p. 787) 18. Las cttoctnas Inflamatorias incluyen protcinas de fase aguda, rustamina, interleucinas, bradldnina y proteinas del complemento. (pp. 786-787) . 19. La cascada del complemento forma complejos de ataque a la membrana, moléculas formadorns de poros que hacen que los patógenos se destruyan. (p. 787¡ Fig. 24-8).

tígenos MHC clase I hacen que las d!lulas. T citotóxicas (fe) destruyan a la célula diana. Los antígenos MHC clase n ae!ivan a las células T helper (T¡J para secretar dtodnas. (pp. 791-792; Fig. 24-16) 31. Las céluiasT cltot6xicas (fJ liberan pexforlna, una molécula formadora de poros que permite que las gtanZi.mas entren en la célula diana e induzcan la apoptosis. (p. 793) 32. Las células T helper (fH) secretan dtoctnas que influyen sobre otras células. {p. 793; Flg. 24-16)

Vias de la respuesta inmunitaria 33. En general las bacterias producen una respuesta inflamatoria lnespecífica. Además, los linfocitos producen anticuerpos destinados a un tipo específico de bacteria. (p. 794; Flg• .24-17) 34. Las respuestas inmunitarias innatas y los anticuerpos ayudan a controlar los primeros estadios de una infección viral. Una vez que los vi· rus entran en las células huésped, las células T dtotóxicas deben destruir a las células huéspedes .Infectadas. (p. 795; Fig. 24-18) 3S.l.a alergta es una respuesta inmunitaria inflamatoria a un alergeno no patógeno. El cuerpo se desembaraza del alergeno a través de la respuesta inflamatoria. (p. 797; Fig. 24-19) 36. Las reaCCiones de hipersensibilidad inmediata a los alergenos están mediadas por anticuerpos y ocurren a los pocos minutos de la exposldón al antígeno. Las reacciones de hipersensibilidad retardada están mediadas por linfodtos T y pueden tardar varios días en producirse. (p. 797}

805

37. Las proteínas del complejo mayor de hlstocompatl"bilidad (MHC) que se hallan en todas las células nucleadas detenninan la compatibilidad tisulaL Los-linfocitos atacan a cualquier complejo MHC que no reconozcan como protclnas propias. (p. 798) 38. Los erttrocttos humanos carecen de proteínas MHC pero tienen otras proteínas y glucoproteínas de membrana antlgénicas, como los antí· genos ABO y Rh. (p. 798; Fig. 24-20) 39. La autotoleranda es la capacidad del cuerpo para distinguir sus propias células y no producir una respuesta inmunitaria. cuando la autotolerancta fracasa, el cuerpo fabrica anticuerpos contra sus propios componentes, creando una enfermedad auroinmunitaria. {p. 799) 40. La teoría de la vigilancia inmunológica propone que !as células_ can· cerosas aparecen regularmente pero son detectadas y destruidas por el sistema inmunitario antes de que puedan propagme. (p. 800)

lnteracdones neuroendocrinoinmunitarias 41 Los sistemas nerviosO, endocrino e inmunitario están ligados por moléculas sefial y receptores. El estudio de estas lnteracctones es un <:am· po conocido como neuroinm.unomoduladón. (p. 800; Fig. 24-21) 42. Se aee que la conexión entre incapacidad para afrontar el estrés y el desarrollo de enfermedades es el resultado de la neurolnmunomoduladón (p. 802)

Inmunidad adquirida: respuestas especificas a los

antígenos· 20. Los linfocitos median la respuesta Inmunitaria adquirida. Todos los linfocitos que reaccionan con un tipo determinado de antígeno for· man un don. (p~ 788; Fig. 24-9) 21. la primera exposición a un antígeno activa un don de linfocitos na· ti vos o vírgenes y hace que se dividan (expansión clonal). Los nue-vos linfOCitos se diferencian en células efectoras o células de memoria. La expos!d6n posterior al antígeno crea una respuesta Inmunl· taria secundaria, más rápida y más potenre (p. 788; Figs. 24-10, 2411).

22. Las dtoctnas linfodtarlas Incluyen lnterleuctnas e inteñerones, que interfieren con la replicadón viral. El interferón y activa Jos macrófagos y otras ~,:élulas inmunitarias. (p. 793) 23. Los linfocitos B secretan anticuerpos. Los linfocitos T y las células natwal kiUer atacan y destruyen a las células infectadas. {p. 7~8) 24. Los anticuapos se unen a los patógenos. Los linfOCitos Bmaduros es· tán rubiertos con anticuerpos que actúan como receptores de super· fide. Los linfOCitos B activados se dife:rendan en células plasmáticas, que secretan anticuerpos solubles. (p. 788) 25. Las cinco clases de inmunog!obullnas {Ig) o anticuerpos son IgG, IgA, IgE, IgM e IgD, conocidas en conjunto como gammag!obulinas. (p. 789) 26. La molécula de anticuerpo tiene forma de Y; con cuatro cadenas poli· peptídicas. Los brazos, o reglones Fab, contienen sitios de unión al antígeno. El cuerpo o iegión Fe, puede unirse a las células lnmunita· rias. Algunas inmunoglobullnas son polimeros. (p. 790¡ Flg. 24-1Z) 27. Los anticuerpos solubles actúan como opsonlnas, SirVen como un puente entre los antígenos y Jos leucOCitos, activan las proteínas del complemento y los mastodtos, e inactivan virus y toxinas. (p. 790; Fig. 24:12) 28. Los anticuerpos de las células Bse unen a antígenos para activar a los linfocitos B e iniciar la producción de anticuerpos adiciOnales. (p. 790; Ftg. 24-13) 29. Los linfocitos T son responsables de la inmunidad mediada por células, en la cual los linfOCitos se unen a las células diana utilizando receptores de células T. {p. 791; Flg'. 24-15) 30.- Los linfodtos T reacctonan con el antígeno ligado a las proteínas del complejo mayor ~e bistocompatibilidad en la célula diana. Los an-

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-~

PREGUNTAS (Véanse las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. De1'ina Inmunidad. ¿Qué significa memoria y especifiCidad en cl siste--

ma inmunitario? 2. Mencione los componentes anatómicos del siStema inmunitario. 3. Mencione y resuma brevemente las tres funciones principales del sis-tema Inmunitario. 4. Mencione dos formas en que los virus salen de la célula huésped: Mencione tres formas en ias cuales los virus dañan la célula huésped o interrumpen su función. S. Suponga que un patógeno ba invadido cl cuerpo. ¿Qué cuatr9 pasos ocurren si el ruerpo es capaz de destruir al patógeno? ¿Qué compromiso puede haber si cl patógeno no P'Jede ser destruido? 6. Defina los siguientes términos y explique su importancta: anafilaxia e) proteína de fase aguda aglutinar f) expansión clonal extravascular g) vigilancia Inmunológica desgranuladón 7. ¿Cómo se reladonan los hlstlocitos, las células·de Kupffer, los osteoclastos y la microglia? 8. ¿Qué es el sistema fagocitico mononuctear y qué papel desempeña en el siStema inmunitario? 9. Reladone cada uno de los siguientes tipos celulares con su descripción: . a) linfOCito 1. leucOCito más abundante; · fágoelto; vive 1-2 dias b) neutróffio 2. cltotóxico; se asocia con reacciones alérgicas e infestaciones parasitarias c)monodto 3. precursor de los macrófagos; . a) b) e) d)

relativamente raro en los extendidos sanguíneos d) célula dendrítica 4. reladonado con los mastodtos; libera dtocinas como histamina y hepaiina e) eosinófilo S.la mayorla de estas células residen t'lllos tejidos linfoldes f) basófllo 6. estas células capturan antígmos, luego rnlgran bada los tejtdos linfofdes 10. Dé ejemplos de barreras físicas y químicas contra la lnfecctón. 11. Mencione lcis tres tipos prlnclpales de linfocitos y SU$ subtipos. Expll· que las funciones y las interacciones de cada grupo. 12. Defina autotoleranda. ¿Qué células son responsables? Relacione la autptolerancta con la enfermedad autoinmunltaria. 13. ¿Qué significa el término neuroinmwumwdulaci6n? 14. Explique los términos ~és, factOr estresante y sfndrome general de adaptación, '

NIVEL DOS: REVISIÓN DE CONCEI'rOS 15. Mapa conceptual: realice Ul1 mapa con los siguientes témúnos. Usted puede agregar términOS adldonales. inmunidad adquirida célula T belper anticuerpo inmunidad innata antígeno célula inemoria célula presentadora de antígenos MHC clase I lliWocftoB MHCclasell bacteria monocito basóffio célula natural killer quimiotaxina neutróffio dtodna opsonina célula cttotóxica fagocito

1 '

866

Capítulo 24 El sistema inmunitario

fagosoma célula T citotóxica célula plasmática célula dendritica linfocito T eosinófilo región Fab región Fe 16. ¿Por qué! os ganglios linfáticos a menudo se hinchan y se vuelven más sensibles al tacto e incluso dolorosos en una enfurmedad? 17. Resuma los efectos de hlstamina, interleudna-1, proteínas de fase aguda, bradidnina, romplemento e ínterfetón-y. ¿Estas sustancias quúnicas son antagonistas o sinergistas entre sí? 18. Compare y contraste los términos de los síguientes grupos de térmi· nos: a) patógeno, microbio, p!rógeno, antigeno, anticuerpo, antibiótico b) infección, Inflamación, alergia, enfermedad autoinm.unitada e) virus, bacterias, alergeno, retrovirus d) quimiotaxina, opsonina, cttocina, interleudna, bradidnlna, in· terlerón e) inmunidad adquirida, Inmunidad innata, inmunidad humoral, in· munldad mediada por células, Iru:nunidad especifica, inmunidad inespecífica f) hipersensibilidad inmediata y retardada g) romplejo de ataque a la membrana, granzimas, perlorl.na 19. Diagrame y .marque las partes de una molécula de anticuerpo. ¿Cuál es la importancia de cada parte? 20. Realice un diagrama de los pasos en el proceso de la inflamación. 21. Realice un diagrama de los pasos en el proceso de la lucha contrn las lnfecd.ones virales. 22. Realice un diagrama de los pasos en el proce,m de una reacción alérgica

-

NIVEL mES: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 23. Un tipo sanguíneo ABO se denomina "donante universal" y otro se denomina "re~:eptor universaln. ¿Qué tipos son éstós, y por qué reciben

esos nombres? 24. Maxie Moshpit afirma que Snidley Superstar es el padre de su hijo. Maxie tiene tipo sangulneo O. Snidley tiene tipo sanguíneo B. El hijo de Moshpit tiene tipo sangufneo O. ¿Puede usted descartar a Snidley como padre del niño sólo con esta Información? Explique su respues0.

25. Cada semestre alrededor de la época del examen más estudiantes visi· tan el Student Health Center con resfríos e infecciones virales. Los médiros atribuyen el aumento de incidencia de la enfermedad al estrés. ¿Puede usted explicar la base biológica de esa relación? ¿Cuáles

son algunas otras explicaciones posibles? 26. Bárbara está preocupada con la artritis reumatoidea, caracteriZada por articulaciones edematlzadas y dolorosas por Inflamación del tejido conectivo. Ella nota que se brota cuando está cansada y estresada. Este trastorno se considera una enfermedad autoinmunitarla Señale !as reacciones fisiológicas que conducirían a este trastorno. 27, Fl recuento diferencial de glóbulos blancos ( ili1l: Fig. 16-3) es una herramienta de diagnóstico Importante en medicina. Si el recuento diferen.. cial de un paciente muestra un aumento en la cantidad de neutrófilos inmaduros en bandas"), ¿piensa ustOO que la causa más probable sea una Infección bacterlarta o viral? Si el recuento muestra un aumento en los eosinófilos (eosinofilia), ¿la causa más probable será una infecdón Viral. o una infección parasitaria? Explique su razonamiento.

e

Fisi«»l«»gia integrada m: ejercido Metaboiísmo y ejercido 810 las hormonas regulan el metabolismo durante el ejercido 810 El consumo de oxígeno está relacionado con la intensidad del ejercicio 811 Varios factores limitan el ejercicio

Respues:tás ventUatorias al ejerdcio Respuestas tardiovascu!ares a! .ejercido 813 El volumen minuto aumenta durante el ejercicio 813 El flujo de sangre periférica se redistribuye hacia los músculos durante el ejercicio

813 La presión arterial aumenta levemente durante el ejercicio 814 El reflejo barorreceptor se adapta al ejercido

Respuestas d-e preaiimentadón al ejerddo

RESPUESTAS

e/'Respuestas a las preguntas de revisión Página778 1. La; bacterias son células; los virus no lo son. La; bacterias pueden reproducirse fuera del huésped; los virus no. Las bacterias pueden ser destruidas por antibióticos; los virus no. 2. El virus entra en la célula huésped y utiliza sus ácidos nudeicos vira· les para hacer que la célula huésped fabrique ácidos nudeicos y proteínas Virales.· É$!¡ se reúnen en nuevas partículas virales, y luego salen de la célUla huésped. · Páglna788 3. Cuando la permeabilidad capllar aumenta, las proteínas se mueven desde el plasma hada el líquido intersticial. Esto disminuye la fuerza osmótica coloidal que se opone a_ la filtración capilar, y se acumula líquido adicional en el espado futersticial (tumefacción o edema). Página 791 . 4. Los anticuerpos pu~En IllOVerse a través de las células por transdto· Sis o pueden ser liberados de !as dlul3s por exocitosis. S. El niño desarrolló anticuerPos contra el veneno de la abeja en su pri-

1

Reguiadón de la temperatura durante el ejercicio mera exposición, de modo que si presentara una reacción alérgica g:ta· ve al veneno de la abeja, esto seria en la segunda exposición. Las reacciones alérgicas están mediadas por IgE. Después de la primera pica· dura de la abeja, los anticuerpos IgE secretados en respuesta al veneno se unen a la superficie de los mastocttos. En la segunda exposición, la unión del veneno de la abeja a la IgE hace que los mastpcitos se desgranulen, lo que provoca una reacción alérgica que puede ser lo suficientemente grave como para producir anafilaxia. Página 799 6. La sangre tipo O no tiene antígenos A ni B, pero incluso si los tuviera, la sangre tipo AB no produce anticuerpos anti-A ni anti·B. Por lo tanto, no ocurrirá ninguna reacción inmun!tada. 7. Si se administra sangre tipo Aa un receptor tipo O, los anticuerpos anti-A del receptor producirán aglutinación.

Ejertkio y salud 816 El ejercicio reduce el riesgo de enfermedad cardiovascular 817 la diabetes mellitus tipo 2 puede mejorar con el ejercicio 817 El ejercicio puede influir sobre el estrés y el sistema inmunitario

Respuestas a las preguntas de la figura Página788 Figura 24-9: El antígeno activará el don l.

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INFO~~~CIÓN ~ÁSIC~·.·····.·

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800

GOLPE DE CÁLOR nE! peligroso calor continúa por quinto dfa consecutivO~. diCe él titular matutino. Si Carla Garda de 19 añoS hubiera.tOniadO 'e! tiempo para leer esta noÍicia, podrrá haber evitado 1a P.e119rosa emergencia que debió enfreirtar Varias hÓraS despUéS. P
se

)> Una de las pruebas más comunes que debe enfrentar y resolver la hemostasis corporal no son las enfennedades sino una actividad cotidiana: ~1 ejercicio. Hay vañas formas de ejercicio. La carrera de distanda y el dclismo son ejemplos de ejercidos de resistencia dinámica. El levantamiento de pesas y el entrenamiento de fuena son ejemplos de ejerdcios de fortalecimiento muscular. En este capítulo se analizarán los ejerdcios dinámicos en reladón con la exigencia que representan para la homeostasis que responde mediante una respuesta i:fitegrada de variOs aparatos y sistemas. El ejercido es el ejemplo ideal para explicar la integración fi. siológica Todas las personas están familiarizadas con el ejerddo y, a diferencia del alpinismo o el buceo profundo, no requiere condidories espedales. Además, el ejercido es un estado fisiológico normal, no uno patológico, aunque esto cambia en caso de enfermedad, y si es excesivo puede produdx una lesión. Se debe sel)alar que .este capítulo no intenta ofrecer una des· cripción completa de la fisiología del ejercido. Para obtener más información, los lectores pueden consultar un hbro espedalizado en este tipo de fisiología.

1

Metabolismo y ejercicio

Capítulo 25 Fisiología integrada lll: ejercicio

METABOLISMO Y EJERCICIO

El ejercido comienza con la contracdón del músculo esquelético, que es un P.roceso activo que requiere ATP para obtener energía. ¿De dónde proviene el ATP para la contracción muscular? Cuando comienza la con!Jacdón, en la fibra muscular hay una pequeña cantidad de ATP (F.Ig. 25-11.1). Cuan4o este ATP se transforma en ADP, ot:Io compuesto con fosfato, la fosfocreatina (PCr), transfiere energía de su enlace dé fosfato de alta energía al ADP. Esta transferencia repone el depósito muscular de ATP (~p. 410). La combinación de ATP y fosfocreatina presentes en el múscu· lo sólo alcanza para mantener alrededor de 15 segundos de ejer-. ddo Intenso, como un sprint o el levantamiento de potenda.

Luego, las fibras musculares· deben fabricar más ATP a partir de la energía almacenada en los nutrientes. Algunas de estas moléculas están acumuladas en la misma fibra mUSculaL Otras molé·Ollas deben movilizarse desde el hígado y el tejido adiposo y luego ser transportadas hada los músculos a través de la circulación. Los sustratos primarios para la producción de energía son los hidratos de carbono y los lfpidos. Recuérdese del capítulo" 4 que la producdón más eficiente de ATP tiene lugar 01ando se ponen en fundonamiento vías aerobias como la glucólisis y el ddo del ácido cítrico (~p. lO?). Si la célula recibe una cantidad adecuada de oxígeno para realizar la fosforiladón oxida tiva, tanto la glucosa como los áddos grasos se pueden metabolizar y propotdonar ATP (Fig. 25-1). Si el requerimiento de oxígeno de la fibra muscular supera su aporre, la producdón de energía a partir de los áddos grasos disminuye en forma significativa y el metabolismo de la glucosa se desvía hada la vía anaerobia. El metabolismo anaerobio también se llama metabolismo glucolítico porque cuando la concentradónde oxígeno disminuye, la glucólisis anaerobia es la vía principal para· la producción de ATP. Cuando una célula no recibe oxígeno para la fosforilación oxidativa, el producto final de la glucólisis -el piruvato- se convierte en ácido láctico ( 5I p. 106). En general, el ejen:ido que depende del· metabolismo anaerobio no se puede mantener durante un periodo prolongado. El metabolismo anaerobio tiene la ventaja de ser muy ~pido, dado que produce ATP a una velocidad 2,5 veces mayor qUe las vías aerobias (Fig. 25-2 S). Pero esta ventaja tiene también dos desventajas: 1) el metabolismo anaerobio sólo proporciona 2ATP por gluw cosa en compatación con un promedio de entre 30 y 32 ATP por glucosa obtenidas con el metabolismo oxidativo y 2) el metabolismo anaerobio contribuye a generar un estado de addosis metabólica al aportar ácido láctico, (Aunque, el C02 generado dmante el metabolismo representa una fuente más importante de áddo.) ¿De dónde proviene la glucosa para la producdón de ATP por las vías aerobia y anaerobia? El cuerpo cuenta con tres fuentes: la glucosa plasmática (glucemia), el depósito intracelular de glucógeno en los músculos y el hígado, y la glucosa "nueva" sintetizada en el hígado mediantegluCIJ1loogénesis (~p. 112). Los· depósitos musculares y hepáticos de glucógeno proporcionan suficien· tes sustratos energéticos para liberar alrededor de 2 000 kcal (que equivalen a correr unos 32 kilómetros en una persona promedio), lo que es sufidente para el ejercido que realiza la mayoría de las personas. Sin embargo, la glucosa sola no puede proporcionar sufidente ATP para los deportistas de resistencia, como los marat.onistas. En consecuencia, para cubrir SUs demandas de energía, éstos dependen de la energía almacenada en los lípidos, que se cal· cula alrededor de 70 000 kcal por persona. En realidad, el ejercido aerobio de cualquie.r duración emplea tanto áddos grasos como glucosa como sustratos para la producdón de ATP. Unos 30 minutos después ·de que comienza el ejen:iw do aerobio la concentradón sanguínea de áddos grasos libres aumenta en forma significativa, lo que indica una movilizadón de los Iípidos del tejido adiposo. Pero la degradadón de ácidos grasos mediante el proceso de betaoxidadón {il!p. 111) es más len· taque el metabolismo de la glucosa por glucólisis, por lo que las fibras musculares utilizan una combinación de áddos grasos y glucosa para cubrir sus necesidades energéticas.

809

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1m FIGURA 25~1 Panorama general del metabolismo muscular El ATP para la contracción muscular se produce en forma continua a través del metabolismo aerobio de la glucosa y los áddos grasos. Durante los períodos breves de actividad violenta, cuando la demanda de ATP supera la velocidad de formación aeróbica de este compUesto, la glucólisis anaerobia produce ATP y ácido láctico.

La fosfocreatina

El metabolismo anaerobio produce ATP a una velocidad 2,5 veces mayor que el aerobio pero sólo puede mantener1 minuto de

El metabolismo

aerobio mantiene el ejercicio durante varias horna

ejercicio máximo. 2

Fosfocreatina

Metabolismo anaerobio

Metabolismo aerobio

mFI~URA 25-2 Velocidad de la producdón de ATP comparada con la capaddad de mantener la actividad muscular máxima

1

Respuestas ventilatorias al ejercicio

Capítulo 25 Fisiología integrada m: ejerddo

81®

8 uso de !a energía en !a célula es superklr a !a absorción de oxfgeno (deuda de oxígeno)

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Intensidad del ejercicio (% del máximo)

!l!l fiGURA 25-3 Sustratos para la producción de energía a

medida que aumenta la intensidad del ejerddo Cuando la intensidad del ejercido es baja. los músculos obtienen más energía de los lípidos que de la glucosa (CHO). Durante el ejercido intenso (nivel que supera e1·70% del valor máximo), la glucosa se convierte en la fuente principal de energfa. Información de G. A. Brooks y J. Merder, J. App. PhysioJ. 76:2253-2261, 1994.

Cuando. la intensidad del ejercido es menor, la mayor parte de la energía para la producción de ATP proviene de los üpidos (Fig. 25-3 m). Amedida que la intensidad del ejercido aumenta y la velocidad de consumo de ATP se incrementa, las fibras musculares comienzan a utilizar una mayor propordón de glucosa. Cuando la intensidad del ejercido supera el70% del valor máximo, los hidratos de carbono se convierten en la fuente pñncipal de energía. El entrenamiento aerobio incrementa tanto el depósito de lipidos como de glucógeno dentro de las fibras musculares. El entrenamiento .de resistencia también aumenta la actividad de las enzimas que partidpan en la betaoxidadón y convierte fibras musculares glucolíticas de contracción rápida en glucolítico-oxidativas de contracción rápida (~p. 412).

1,25 1,00

8

Consumo excesivo de oxígeno posejercicio

~~~~J.: 2

A Comlenz.o del ejercicio

4

6

Ttempo(min)

8

10

12

A Fin de! ejerclcío

!S fiGURA 25-4 Consumo de oxígeno durante y después del ejerddo El aporte de oxigeno hada las células que realizan el ejercido se produce un poco desp1.1és de que se emplea la energía, Jo que determina una deuda de ox(geno. Este défic;it se compensa con el consumo excesivo de oxigeno posejercido. ¿Cuál podría ser la ventaja de disminuir las concentraciones de insulina durante el ejercicio? Por un· lado, la reducción de la concentración de insulina hace que las células que no son fibras musculares disminuyan su absorción de glucosa, ahorrando así la glucosa presente en la sangre para que la usen los músculos. Por otro lado, las concentraciones bajas de insulina no afectan a las · células musculares que se contraen en forma activa porque en esas ctrcunstandas no requieren insulina para captar glucosa. La contracción estimula la translocadón independiente de la insuli· na de transportadores de GLUT4 hacia la membrana muscular, lo que aumenta la absorción ~e glucosa en forma proporcional a la actividad contráctil.

811

para los músculos es insuficiente. Durante esta demora, el ATP es provisto por las reservas musculares de ATP, fosfocreatina, y por el metabolismo aerobio que depende del oxígeno almacenado en la mioglobina muscular y la hemoglobina sanguínea(~ p. 412). El uso de estos depósitos musculares produce una deuda o déficit de oxígeno porque su reposición requiere metabolismo aerobio y captación de oxígeno. Cuando el ejercido termina, el ~n­ sumo de oxígeno se reduce para volver a su nivel en reposo. El consumo excesivo de oxígeno posejerdcio (que antes se denominaba deuda de oxígeno) representa el oxígeno que se emplea para metabOlizar el lactato, restablecer las concentraciones de ATP y fosfocreatina y reponer el oxígeno unido a la mioglobina. Otros factores que influyen sobre el aumento del consumo de oxígeno después del ejercido son la elevación de la temperatura corporal y las catecolaminas circulantes.

ca el aumento del número de mitocondrias y capilares en el músculo sometido a un entrenamiento de resistenda. La pregunta sobre si la limitación de la capacidad de ejercido máximo está dada por el aparato respiratorio o el cardiovascular quedó resuelta cuando se demostró que la ventiladón sólo alcanza el 65% de su valor máximo cuando el volumen minuto se aproxima al90% de su máximo. A partir de esta información, los fisiólogos especialistas en ejercido llegaron a la conclusión de que la capacidad del aparato cardiovascular para enviar oxigeno y nutrientes al músculo a una velocidad suficiente pata mantener el metabolismo aerobio es el principal factor que determina el máximo consumo de oxígeno. A continuación estudiaremos los reflejos que integran la respiración y la función cardíovascular durante el ejercicio.

Varios factores limitan el ejerddo

RESPUESTAS VENTILATORIAS AL EJERCICIO

¿Qué factores limitan la capacidad para realizar ejercido? En cierta medida, la respuesta depende del tipo de ejercido. El entrenamiento de fortalecimiento muscular, como el entrenamiento de fuena, depende sobre todo del metabqlismo anaer9bio p_ara cubrir las necesidades de energía. Esta situación se complica más en el ejercicio aerobio o de resistencia. ¿Cuál es el factor limitante del ejercicio aerobio? ¿La capacidad del músculo para utilizar el oxígeno en forma eficiente, la capacidad del aparato Cardiovascular para aportar oxígeno o la del aparato respiratorio para entregar oxígeno a la sangre? Uno de los posibles factores limitantes es la capacidad de las fibras musculares de captar y emplear el oxígeno. Si la cantidad de mitocondrias musculares es limitada o si reciben un aporte de oxígeno insufidente, las fibras musculares son incapaces de producir ATP con rapidez. Aunque hay datos que sugierén que el metabolismo muscular no es el factor limitan~ de la capacidad máxima para realizar ejercicio, se demostró que este metabolismo influye sobre la capaddad de ejercido submáximo, lo que ex.pli~

Piense lo que. pasa con su respiración durante el ejercido. El ejercido se asocia con un aumento de la frecuencia y de la pro- . fundidad de la respiración, que produce un aumento de la ventilación alveolar(~ p. 577). la hiperventiladón por ejercido, o hipetpnea, se produce por una combinación de señales de prealimentadón procedentes de neuronas centrales de la corteza motora y de señales de retroalimentación sensitivas procedentes de receptores periféricos. Cuando el ejercido comienza, los mecanorreceptores y los propioceptores (propiorreceptores) (1m p. 439) presentes en los músculos y las articulaciones envían información sobre el movi· miento hada la corteza motora. Inmediatamente, vías descendentes de la corteza motora que se dirigen· al centro de control respiratorio del bulbo raquídeo estimulan un aumento de la ven· tiladón (Fig. 25-51!11). · Amedida que la contracción muscular continúa, la irúon:na_dón sensitiva envía señales de retroalimentadón al centro de

El consumo de oxígeno está relacionado con la inLas hormonas regulan el metabolismo durante el ejercido

1

· Varias hormonas que afectan los metitbolismos de la glucosa y los lípidos modifican su patrón de secreción durante el ejercido. Las concentraciones plasmáticas de glucagón, cortisol, catecolaminas (adrenalina y noradrenalina) y hormona de crecimiento aumentan durante el ejerpdo. El cortisol, las catecolaminas y la hormona de creci.miento estimulan la conversión de triglicéridos en glicerol y ácidos grasos. El glucagón, las catecolaminas y el cortisol también movilizan el glucógeno hepático y aumentan la glucemia. Un entorno hormonal que favorezca la conversión de glucógeno a glucosa es beneficioso porque la glucosa es una fuente de enérgía fundamental para el músculo en el ejercido. Es curioso que aunque la glucemia aumenta durante el ejercido la secredón de insulina disminuye. F$ta respuesta es contraria a la que se podría._prededr, porque en condiciones normales el aumen· to de la glucenÍia estimula la secreción de insulina. Sin embargo, durante el ejercido se inhibe: la secreción de insulina, probablemente por estimuladón simpática de las células beta del páncreas.

tensidad del ejercicio I.as actividades que llamamos ejercicio tienen un amplio rango de intensidad y duración, que va desde el consumo violento y relativamente breve de un esprinter o un levantador de potencia, hasta el esfuerzo sostenido realizado por un maratonista. Los fi. siólogos tradicionalmente determinan la mtffisidad de un ejercido midiendo el consumo de oxígeno {YO:J. Consumo de oxígeno se refiere al hecho de que el oxígeno Se usa, o consume, durante la fosforiladón oxi.dativa, cuando se combina con hidrógeno en las mitocondrias para formar agua (~p. 108). El consumo de oxígeno es una medida de la respi.raOón celular y se suele medir en litros de oxígeno consumidos por minuto. La tasa máxima de consumo de oxfgerw (VOzllláx) de un individuo indica su capaddad para desarrollar un ejercido de resistencia. Cuanto mayor es la VOfUáx,._mayor es su rendimiento. Una característica metabólica distintiva del ejercicio es que el aumento del consumo de oxigeno persiste incluso después del cese de la ac. tividad (Fig. 25-4 11}. Cuando el ejercido comienza, el consumo de oxígeno aumenta tan rápidamente que el aporte de oxígeno

!

i mfiGURA 25-5 Cambios en la ventiladón asoáados con el ejerádo submáximo la frecuencia ventiJatoria aumenta en cuanto el ejercicio comienza, a pesar de que la Pco2 y la Poa arteriales no varfan. Mo-: dificada de P. Oejours, Handbook of Physíology {Washington, D.C.: American Physiological Sodety, 1964).

Respuestas cardlovasculares al ejercido

Capítulo 25 Fisiología integrada 111: ejercido

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DE LA FIGURA

a) La ventilación aumenta con el ejercicio. Jf'orqtlé ta P02 arterial. n.o aumenta igual? b) ¿Qué sucede con el aporte de O;z a las células cuando aumenta fa intensidv.l del ejercic!o? e) ¿Por qué la P02 venosa disminuye? o) ¿Por qué la PCO:! arterial no aumenta con · el ejercicio? e} ¿Por qué la Peca arterial disminuye con el ejercicio máximo?

J:l FIGURA 25-6 Cambios en los gases en sangre,

las presio·

nes pardales y el pH arterial asodados con el ejercido

control resplratoño para asegurar que la ventilación y el uso de oxígeno en los tejidos se correspondan. Probablemente los receptores involucrados en la respuesta secundaria sean los quimiorrecepto.res ceÍltrales, carotídeos y aórticos que controlan la Pcozr el pHy la Po2 {m! p. 604), los_propioceptores de las articulaciones y ciertos receptores ubicados dentro del mismo músa.tlo que se ejercita. Antes;se éteía que los receptores de estiramiento pulmo. nar (m p. 607) cumplían alguna _función, pero los pacientes con trasplantes de corazón y pulmón disparan una respuesta ventila~oria normal durante el ejercido, a pesar de la ausencia de conexiones entre los pulmones y el cet!'!b~o. La hiperventiladón por ejercido mantiene la Po2 y la Pco2 ar~ teriales casi normales gráctas a un ~umento sostenido de la venti~ ladón alveolar en forma pr9porcional al grado de ejercido. La compensación es tan efectiva que, cuando se controlan la Pov la Pcoz y el pH art6iales durante" ejercidos entre leves y moderados, los valores no revelan cambios significativos (Fig. 25-6 B). Esta observación indiCa que las causas antes aceptadas del aumento de la ventilación durante el ejercidO entre leve y-moderado Oa reducctóri de la Po2 arterial, el aumento de la Pco2 arterial y la disminución ~el pH plasmático) no son cortectas. Por ende, los quim.iorreceptóres, el centro de control respiratorio bulbar o ambos deben estar respondiendo a otras señales inducidas Por el ejerd· do.

1

Varios factores han sido propuestos como posibles ~ales, incluidos estúnulos simpáticos aferentes hada el ~orpúsculo carotídeo y cambios en las concentraciones plasmáticas de K•. Ya durante el ejercido leve la concentración extracelular de K• aumenta dado que varios potenciales de acción repetidos permiten la salida de K+ de las fibras musculares. Los quim.ioneceptoreS carotídeos responden al aumento de K+ con un incremento de la ventiladón. Sin embargo, como la concentración de K+ se modifica lentamente, este mecanismo no explica el rápido aumento inicial de la ventilación al comienzo de la actividad. Es probable que el cambio inicial de la ventiladón se deba a estúnulos aferentes que proceden de mecanorreceptores musculares, en combinación con señales de vías descendentes de la corteza motora. Una vez iniciado el ejercido, los estímulos sensitivos mantienen la ventilación coordinada con las necesidades metabólicas.

1. Si la Po2 venosa disminuye a medida que aumenta la

intensidad del ejercicio, ¿qué sucede om la Po2 de las células musculares cuando se incrementa la Intensidad del ejercido? Respuesta en la p. 820

RESPUESTAS CARDIOVASCULARES AL EJERCICIO Cuando el ejercido comienza, los estúnulos mecanosensitívos procedentes de los miembros se combinan con señales de las vías descendentes proced~tes de la corteza motora y activan el cen-

Hacia: las 10 de la 'mañália,-ia temperatUra llegába a"34 oc; con una hu~edad de1so%.:ear1a séntfa vértigoS Yriáuseas; perO si· · guió imtrehi!il_do·: C~rla habla entr~do_por poco al e_qulpo_y_sabí~_qu_~ !le~ra p~b_afS;!_ al)t~_s_us:c~mpañ~~aS.-._Só!o_Pe~ió ~~_pe._

queñ,o.sOrbo ~~ ~~úá dur~~~_¡,¡n des~_nso'_y :regreSó i!l_~mpQ. · A las_10:_o7 tÍe la m_añ?_ila,·carla Sé_desVah~ió. urla de sus éom-: pa~e_fas_:.es0_ba eritrenada_~ll. P~.imer_()S ~uxiH~~ y_lúocó la piel, que _eStabúal_ie_nté, seca. o_é irlriu!dia1:0 !ía0,6 al ,servicio de emergeil_d~~- médÍcas; ·: · . · . · . · ·

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Las pers_onas_qu~ -experimentan la etñergenda p_or calor de:· n~inin~da ~gotainletl"t~- Íióf ialor_presiinbln la: pi~ frl~ y IÍCt~ · me#a~--.La;Pret_~ .Y (a!i_imt~, lndíff_· u~ p~bte{na: rnh, graye_ :·- _ Íla_iri~d0_ 9ólei_~e :~i?r..~l~or:~~¿ ef ag~tá~'!l'~n.to ¡¡or ~~á~es _:_'me~~S _g~ó¡e_:ci_l!e_~¡ 'gOíé~e-(i¡T~~-.(su$¡ereriéfá:_¿cÚ~I eS_ 1~ ::,' , re!a~Óri entre _la-teñipe_ratu~·_de Já>_~iel ilá _éapadda? Corp_~· ral para regularla télÍlperatura?}._<-:_ -:. -=--.,,-, __ .· - :. .

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tro de contrOl cardiovascular en el bulbo·raquídeo. El centro responde cOn una descarga simpática que incrementa el volumen minuto y produce vasoconstricción en muchas arteriolas perifé. ricas.

El volumen minuto a~menta durante el ejerdcio Durante el ejerdcio intenso, el volumen minuto aumenta en forma significativa. En los individuos no entrenados, el volumen minuto aumenta cuatro veces con respecto a .su valor normal, desde 5 L/min hasta 20 L/min. En los deportistas entrenados, este valor puede ascender entre seiS y ocho veces con respecto al valor normal y puede alcanzar hasta 40 L/min. Como se explicó en el tapítulo 14 (li!Fig. 14-31), el volumen minuto se.reladona con la frecuencia cardíata y el volumen sistólico: Volumen minuto (VM) =frecuencia cardíaca x volumen sistólico Si se consideran los factores que influyen sobre la frecuenda cardíaca y el volumen sistólico, queda la siguiente ecuadón: VM = (frecuencia de descarga del nodo sinoauricular + estímulos del sistema nervioso autónomo) x {retomo v~oso +fuerza de la contracción)

Veamos cuál de estos factores ejerce el mayor efecto sobre el volumen minuto durante el ejercido en un corazón sano. Durante el eferddo, el retomo ·venoso aumenta por la contracción de los músculos esqueléticos y por los movimientos inspiratorios . profundos ( mp. 491). Sería tentador postular que, debido a la ley de Starllng del corazón, las fibras musculares cardíacas simplemente se estiran en respuesta al aumento del retomo venoso y por eso incrementan su contractilidad. Pero de hecho, el llenado excesivo de los ventrículos puede ser peligroso porque puede lesionar las fibras. Una forma por nledio de la cual el organismo compensa el incremento del retomo venoso es aumentar la frecuenda cardíaca. Si el intervalo entre con-. tracciones se reduce, el corazón cuenta con menos tiempO para· llenarse y tiene menos probabilidades de lesionarse debido al es--. tiramiento excesivo. La modificadón inicial de la frecuencia cardíaca al comienzo del ejercicio se debe a una reducdón de la actividad parasimpáti· ca en el nodo sinoauricular ( ia p. 489). Amedida que la inhibición colinérgica disminuye, la frecuencia cardiaca aumenta desde su estado de reposo hasta alrededor de 100 latidos por minuto, que es la frecuencia intrínseca del marcapasos del nodo sinoauricular. Desde ese punto aumenta el estímulo simpático proveniente del centro de control caidiovascular. La estimulación simpática ejerce .dos efectos sobre el corazón, En primer lugar aumenta la contractilidad, lo que determina que el corazón impulse más sangre por contracción (aumento .del volumen sistólico).l!:n segundo lugar, la inervación sim'pática incrementa la frecuenda cardíaca para que el corazón tenga menos tiempo para relajarse, lo que lo protege del llenado excesivo. La combinadón del aumento de la frecuencia cardíaca y mayor volumen sistólico incrementa el volumen minuto durante el ejeid· do..

813

El flujo de sangre periférica se redistribuye hacia Jos músculos durante el ejercido En reposo, los músculos esqueléticos reciben menos de .una cuarta parte del volumen minuto, o sea alrededor de 1,2-L/min. Durante el ejercido se produce un desvío significativo del flujo

sanguíneo debido a reacciones locales y reflejas. Durante el ejercido intenso desarrollado por deportistas muy entrenados, la combinación del aumento del volumen minuto con la vasodilatadón puede incrementar el flujo sanguíneo que atravie_sa el músculo que se ejerdta ¡hasta más de 22 L/min! La distribución relativa del flujo sanguíneo a los tejidos también se modifica. Al· rededor del88% del volumen minuto se desvía hada el músculo en ejercido, lo que se diferenda del21% en reposo {Fig. 2S-711i!). La redistribución del flujo sanguíneo durante el ejercido se debe a una combinación de vasodilatación en las arteriolás de los músculos esqueléticos y vasoconstricdón en otros tejidos. Al comienzo del' ejerdcio, las señales simpáticas procedentes del centro de control cardiovascular estimulan la vasoconstricción de Jos tejidos periféricos. Cuando el músculo se activa aparecen cambios en el m.icroambiente del tejido Ínuscular: las concentradones ti~ sulares de 0 2 disminuyen mientras que la temperatura, el C02 y ácido presentes en ellíciuido interstidal que rodea las fibras musculares aumentan. Todos estos "factores actúan en forma paracri- . na produdendo vasodilatadón local y superando la señal simpática que produjo vasoconstricción. El resultado neto es la desviación del flujo sanguíneo desde los tejidos inactivos hada los músculos que se ejercitan y lo necesitan.

La presión arterial aumenta levemente durante el ejercicio ¿Qué sucede con la presión arterial durante el ejercido? En el capítulo 15 aprendió que la presión arterial periférica depende de -una combinación del volumen minuto y la resistenda periférica (~p. 508). El volumen minuto-se incrementa durante el ejeicido, lo que contribuye a aumentar la presión arterial. Sin embargo, los cambios debidos a la resistencia periférica son más diffdles de predecir porque ciertas arteriolas periféricas están contraídas mientras que otras están dilatadas: Presión arterial media = volumen minuto x resistenda periférica La vasodilÍl.tadón del músculo esquelético disminuye la resistencia periférica al flujo sanguíileo. En forma simultánea;-la vaso. constricdón de los tejidos que no participan en el ejercido inducida por el sistema simpático equilibra la vasodilatadón, pero sólo en forma parcial. En consecuencia, la resistencia periférita total al flujo sanguíneo cae en forma significativa cuando el ejercido comienza y alcanza un valor mínimo cuando el consumo máximo de oxígeno se aproxima al75% (Fig. 25-Sa!l). Si no se produjera algún otro tipo de compensación, esta re~ ducdón de la resistencia periférica dismlnuióa en forma notable la presión arterial. No obstante, el aumento del volumen minuto neutraliza la reducción de la resistencia periférica. CUando se controla la presión arterial durante el ejercido, en realidad se observa que la presión arterial media aumenta levemente a medida que el ejercido incrementa su intensidad (Fig. 2S.Sb). Sin embar-

1

814

Respuestas de prealimentación al ejercicio

Capítulo 25 Fisiología integrada Jll: ejercido

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(a) La resistencia periférica se reduce debido a la vasodilatación de los músculos que realizan e! ejercicio. ~

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RESPUESTAS DE PREALIMENTACIÓN Al EJERCICIO

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d1sminuye durante el ejercicio, excepto el que llega al músctllo. ¿En quétepdos se produce un

Ejercicio intenso

descenso real del flujo sangufneo?

1!1 FIGURA 25·7 Distribución del volumen minuto en reposo y durañte el ejercicio La vasoconstricdón en los tejidos que no re111izan ejercicio combinada con la vasodilatación en el músculo que se ejercita producen un desvío de la sangre hacia los músculos.

go, el hecho de que se produzca algún tipo de aumento sugiere que los _reflejos barorreceptores normales que controlan la presión arteriill no funcionan durante el ejercido. _,¡§

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~-7 2. En la'figura :is.Bb, ¿por qué !ii linea de la. presión arte-

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rial media se enruentra-más cer(a de la presión diastóli· ca en lugar de ubicarse en una posición central entre las presiones sistólica y diastólica? (Sugerenda: ¿qué ecuación permrte calcqlar !a presión arterial media?) Respuesta en !a p. 820

El reflejo barorreceptor se adapta al ejercicio

En condiciones normales, la homeostasis de la presión arterial depende de barorreceptores periféricos presentes en los corpúsculos .carotídeos y-aórticos: el aumento de la presión arterial inicia respuestas que la normalizan. Sin embargo, durante el ejercido la presión arterial- aUIDenta sin una compensación homeostática que la active. ¿Por qué el reflejo baroneceptor nonnal está ausente durante-el ejercido? Hay variás teorías. Según una de ellas, las señales procedentes de la corteza motora que se envían durante el ejercido reprogra-·

ma el umbral del barorr~eptor arterial en una presión más elevada. Así la pr~ión arterial puede aumentar un poco dmante el ejercido sin desencadenar respuestas homeostáticas con"trarreguladoras. Otra teoría sugiere que la inhibición presináptica bloquea las señales de las neuronas barorreceptoras aferentes(!.! p. 279) en algún punto antes de la sinapsis entre las neuronas aferentes y las del sistema nervioso central {SNC). Esta inhibición central inacti· va al reflejo barorreceptor durante el ejercido. Una tercera teoría se basa en la probable existencia de quimiorreceptores musculares sensibles a los metabolitos (tal vez al H+) producidos dmante el ejercido intenso. Cuando se estimulan, es-tos quimiorreceptores le indican al sistema nervioso central que el flujo sanguíneo del tejido no es adecuado para eliminar los me· tabolitos del músculo o para mantener su metabolismo aerobio. Los estímulos sensitivos procedentes de-los mecanorreceptores de los miembros que realizan el ejercido refuerzan los de los quimiorreceptores. La respuesta del SNC ante estos estímulos sensitivos consiste en una inhibición del reflejo barorreceptor y una elevación de la presión arterial que permite aumentar la pezfusión muscular. Los mismos quimiorreceptores musculares hipotéticos podrían cumplir una función en las respuestas ventilatorias asodadas con el ejercido.

Resulta interesante señalar que hay un elemento deprealimentllá6n importante (m p. 200) en las respuestas fisiológicas que aparecen durante el ejercido. Seria fácil decir que los cambios fi. siológicos que aparecen con el ejercido son reacdones ante la altetación de la homeostasis. Sin embargo, muchas de estas modificadones acunen sin que aparezcan o antes de que existan dichos estímulos. Por ejemplo, la frecuencia ventilatoria aumenta en cuanto comienza el ejercicio (Fig. 25-5), incluso a pesar de que - los experimentos hayan demostrado que la Po2 y la Pco 2 arteriales no se modifican (Fig. 25·6). ¿Cómo funciona la respuesta de prealimentación? Cuando el ejercido comienza, los propioceptores musculares y articulares envían información a la corteza motora cerebral. Las señales descendentes de la corteza motora no sólo van a los músCUlos en ejercicio sino también por vías paralelas hacia los centros de control cardiovasculary respiratorio y al sistema litnbico del ce- . rebro. Las señales del sistema Iímbico y el centro de-control cardio-. vascular disparan una descarga simpática generalizada. Como re· sultado, un aumento leve inmediato de la presión arterial rllarca el inicio del ejerddo. La descarga simpática produce vasoconstricción generalizada, lo que a su vez aumenta la presión arterial. Una vez que el ejercido ha comenzado, este incremento de la presión arterial compensa la caída secundaria a la vasodilatadón muscular. Amedida que avanza el ejercido, compensaciones reactivas se superponen con los cambios de prealimentadón. Por ejemplo, cuando el ejercicio alcanza el 50% _de la capacidad aerobia, los quimiorreceptores musculares detectan la acumulación de ácido láctico y metabolitos y envían esta infonnactón a centros de comando en el encéfalo. Luego, estos centros mantierien los cambios en la ventilación y la circulación iniciados por el mecanismo de prealimentadón. Así, la integración de los sistemas en el ejer· cicio incluye tanto vías reflejas comunes como algunas vías refle. ¡as específicas en el SNC.

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mFIGURA 25-8 Cambios en la resistenda periférica y la presión arterial durante el ejerááo

REGULACIÓN DE LA TEMPERATURA DURANTE EL EJERCICIO Amedida el ejercido se prolonga, el calor liberado por el metabolismo representa otro desafío para la homeostasis. La mayor parte de la energía producida durante el metabolismo no se convierte en ATP sino que se pierde en forma de calor. (La eficiencia de la conversión de la energía procedente de los sustratos orgánicos para formar ATP es de sólo e120 al25%.) Con el ejercicio continuo la producción de calor supera a la pérdida y la temperatura corporal central aumenta. En los ejerddos de resistencia, la temw peratura corporal puede ascender hasta 40 o 42 ~c. que normal· mente se considerarla fiebre. Este aumento de la temperatura corporal durante el ejercido desencadena dos mecanismos termorreguladores: sudotadón e

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316

Capítulo 25 Fisiología integrada 111: ejercido

Cuando Carla llegó a la sala de emergencias, se !e di3Qnostkó de inmediato un golpe de calor, un trastorno que conlleva ries· go para la vida. los médicos la sumergieron en un recipiente con agua fría y !e adniinistraron líquidos por vla intravenosa. El golpe de calor. se puede producir en los deportistas que realiZan demasiado ejercido en climas muy cálidos. E! golpe de calor también es frecuente en los ancianos, en los que los mecanis· mos termorregu!adores son menos eficientes que en las persa-.. nas más jóvenes. Pregunta 4: ¿Qu~ pasos podria haber realizado carla para evitar el golpe de calor? (Comience a las 9 de fa mañana, cuando Carla safió hacia el campo de deportes.)

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incremento del flujo sanguíneo cutáneo (_m! p. 742). Ambos mecanismos contribuyen a la regulación de la temperatura corporal, pero ambos también pueden alterar la homeostasis de otras maneras. Si bien la suQ.oradón reduce la temperatura corporal a través de la pérdida de calor por evaporación, la pérdida de liquido del compartimento extracelular puede ocasionar deshidratación y reducir significativ~ente el volumen sangUíneo circulante. Como el sudor es un liquido hipotónico, la pérdida adicional de agua aumenta la osmolaridad corporal. La combinación del descenso del volumen del líquido extracelular y el aumento de la osmolaridad.activa la compleja vía homeostática asociada con la deshidratación que se describíó en el capítulo 20, incluidas la sed y la conservación renal de agua (m! Fig. 20-18). El otrO mecanismo tennorregulador -el aumento del flujo sanguíneo cutáneo- estimula la pérdida de calor bada el medioambiente por convección ( ·¡¡¡. p. 741). Sin embargo, el aumen. to de la estimu~adón simpática durante el ejercicio tiende a producir vasoconstricdón de los vasos sanguíneos cutáneos, lo que se opone a la respuesta termorreguladora. El control principal de la vasodilatadón cutánea durante el ejercido parece provenir de · un sistema simpático vasodilatador. La activación de estas neuronas durante el ascenso ~e la temperatura corporal centtal dilata los vasos sanguíneos cutáneos sin alterar la vasoconstricdón simpática en otros tejidoS corporales. Aunque la vasodilatadóÓ. cutánea es esencial para la termorreguladón, alterá la homeostasis porque disminuye la resistencia periférica y quita sangre de los músculos. Frente a estas demandas contradictorias, en principio el cuerpo prefiere la termorregulación. Sin embargo, si la presión venosa central disminuye por debajo de un mínimo crítico, el cuapo cesa la tennorreguladón pa· ra mantener el flujo sanguíneo al cerebro. El grad~9e adaptación del cuerpo a ambas demandas depende del tipo de ejercicio, su intensidad y su duración. El ejercicio intenso qUe se realiza en un ambiente cálido y húmedo puede·

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Ejercicio y salud

comprometer bastante los mecanismos tennorr~guladores normales y producir un golpe de calor, una entidad que puede ser fatal. Salvo que se pongan en marcha me_didas urgerites para enfriar ·el cuerpo, las temperaturas centrales pueden elevarse hasta 43 oc. No obstante, el cuapo se puede_ adaptar a los ejercidos repetidos en un ambiente cálido a través de la aclimatación. En este proceso, los mecanismos fisiológicos cambian para adaptarse a una modificación de las condiciones ambientales. A medida que el organismo se ajusta para realizar ejercicio en un ambiente cáli. do, la sudoración comienza antes y su volumen es dos o treS veces mayor que el habitual, lo que incrementa pérdida de calor por evaporación. Con la aclimatación el sudor también se hace más diluido, a medida que se reabsorbe sal en las glándulas sudoríparas bajo la influencia de la concentración de aldosterona, que es.. tá aumentada. En una persona no aclimatada que realiza ejerctdo en un ambiente cálido, la pérdida de sal puede alcanzar los 30 g de NaCl por día, pero este valor disminuye hasta 3 g después de un mes de aclimatación.

EJERCICIO Y SALUD La actividad física ejerce muchos efectos positivos sobre el cuerpo humano. El estilo de vida de los seres humanos se modi· ficó sígnificativamente desde la época en que éramos cazadores nómadas, peto nuestros cuerpos sigu.en funcionando mejor con un cierto nivel de actividad física. Varias enfermedades frecuent~, como la hipertensión arterial, el accidente cerebrovascular y la diabetes mellitus, pueden mejorar con la actividad física. Aun así, el hábito de realizar ejetddo en forma regular puede ser difi· cU de adquirir para muchas personas. En esta sección se describirán los efectos del ejercicio sobre varios problemas de salud comunes.

El ejerdcio reduce el riesgo de enfermedad cardiovascular En la década de 1950, dentificos demostraron que los hom-

bres que practicaban actividad física revelaban una incidencia más baja de infartos de miocardio en comparación con los hombres que mantenían una vida sedentaria. Estos estudios produjeron una serie de investigaciones para determinar la reladón exacta entre enfermedad cardiovascular y ejercido. .tuego, se demostró que el ejercido tiene efectos positivos tanto·en los hombres como en las mujereS, como la disminución de la presión arterial, la reducción de la concentración plasmática de triglicéri· dos y el aumentO de la concentración plasmática de colesterolHDL. El aumento de la presión arterial es un factor de riesgo im· portante para el accidente cerebrovascular, mientras que el aumento de las concentraciones plasmáticas de tñglicéridos y la disminución de las concentraciones de cOlesterol·HDL se asocian con el desarrollo de ateroscleiOsis y el aumento del.riesgo de in· farto de miocardio. En forma global, el ejercido reduce el riesgo d~ muerte o enfermedad por varios trastornos cardiovasculares. Incluso un ejercido tan leve como la caminata tiene beneficios significativos sobre la salud que pueden reducir el riesgo de enfermedades cardiovasculares o diabetes y complicaciones de la obesidad en los 40

millones de-adultos estadounidenses en los que se estiina llevan vidas sedentarias.

(a} Glucemia durante la prueba de tolerancia ala glucosa

La diabetes mellítus tipo 2 puede mejorar con el ejercicio ·

250

En la actualidad está ampliamente aceptado que el ejerddo regular es efectivo para prevenir y mejorar la diabetes mellitlls tipo 2. Con la práctica regular de ejercido, las fibras musculares esqueléticas regulan por incremento tanto de la cantidad de transportadores de glucosa como de receptores de insulilia sobre sus membranas. El agregado de transportadores de glucosa reduce la dependencia del músculo a la insulina para absorber glucosa. El aumento de la cantidad ·de receptores de insulina determina que las fibras musculares sean más sensibles. Asi, una cantidad menor de insulina puede lograr una respuesta que en etapas anteriores requería más insulina. Como las células responden a niveles más bajos de esta hormona, el páncreas endocrino la secreta menos. Esto reduce el estrés sobre el páncreas y a su vez dís· minuye la incidencia de diabetes mellitus tipo 2. En la figura 25-9m se muestran los efectos del ejercido sobre !a utilización de glucosa y la secreción de Insulina en hombres con diabetes mellitus tipo 2leve. Los individuos que participaron del experimento se sometieron a pruebas de tolerancia a la glucosa, que consistieron en la ingestión de 100 g de glucosa después de una noche de ayuno. Se evalu¡rron sus glucemias antes de ingerir la glucosa y 120 minutos después. Simultáneamente, se analizaron las concentraciones plasmáticas de insulina. ru gráfico de la figura 2S-9a muestra las pruebas de tolerancia a la glucosa realizadas en individuos de un grupo control (linea azul) y en hombres diabéticos antes y después de realizar ejercido (lineas roja y verde, respectivamente). En la figura 25-9b se muestra la correspondiente secreción .de insulina en los tres grupos. Después de sólo siete días de ejercido, tanto las pruebas de toleranda a la glucosa como de secreción de insulina en los individuos diabéticos adoptaran un patrón más parecido al de los iridi· viduos normales. Estos resultados demuestran el efecto beneficioso del ejercido sobre el transporte y el metabolismo de Ia glucosa· y respaldan la recomendación de que los pacientes con diabetes tipo 2 sigan un prográma regular de ejercictos.

200

El ejerdcio puede influir sobre el estrés y el sistema inmunitario Otro tema que recibe mucha atención es la interacdón entre el ejercido y el sist~a inmunitario. La evidencia epidemiológica de grandes pobladones sugiere que el ejercido se asocia con una incidencia más baja de enfermedad y eón mayor longevidad. Además, muchas personas creen que el ejercido estimula la inmunidad, previene el cáncer y ayuda a los pacientes infectados por HIV (virus de inmunodeficiencia humana) a combatir el SIDA (síndrome de inmunodefidenda adquirida). Sin embargo, hasta el momento los resultados de los estudios de investigación estrictamente controlados no han respaldado estas afirmaciones. En realidad, hay evidencias que indican que el ejercido intenso es una forma de estrés que suprime la respuesta inmunitaria. La inmunosupreslón se puede deber a la liberación

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150

180

nampo{min)

li FIGURA 25·9 Efectos del ejercido sobre la toleranda a la glucosa y la seaed6n de insulina (a} Glucemias en hombres normales {línea azul), en hombres con diabetes tipo 2 que no realizan ejercicio (línea roja) y en los mismos hombres diabéticos después de slete días de practicar ejercicio Olnea verde). (b) Concentraciones de insulina en los grupos de hombres que pertenecen a las categorlas descritas en la parte (a). Información de B. R. Seals y cols., J. App. Physiol. 56(6):1521-1525, 1984 y M. A. Rogers y cols., Diabetes Care 11:613-618,1988.

de cortico!des o de interferón-ydurante el ejercido intenso. Investigadores han propuesto que la relación entre el ejercido y la inmunidad se. puede tepzesentar con una curva en forma de J {Fig. ZS..lO li). Las personas que realizan ejercido moderado tie.nen sistemas inmunitarios más efectivos que las sedentarias, pero las que realizan eferddos muy intensos podrian experimentar un deterioro de la función inmunitaria debido al estrés asociado eón el ejercido.

1 .

.

813

1 1 • !

1 sedentllrio

Moderado

Muy intenso

--lnteBS!dad®leJerelcto-

m! FIGURA 25·10 Relad6n entre la fund6n inmunitaria y el ejerddo Esta curva en forma de J indica que los individuos que realizan

ejercidos moderados tienen una función inmunitaria más ade-· cuada que los sedentarios o los que realiz<Jn ejercicios muy in· tensos.

Resumen del capítulo

Capítulo 25 FISiología integrada Ul: ejercido Otra área de la fisiología del ejercicio llena de resultádos interesantes pero contradictorios es el efecto del ejercicio sobre el es.. trés, la depresión y otros parámetros psicológicOs. Las investigadones demostraron una relación inversa entre el ejercido y la depresión: Jos individuos que realizan ejercido en forma regular tienen menos probabilidades de padecer depresión clínica en com: paradón con las personas que no practican ejercidos de manera habituaL Aunque la asociación existe, es dificil establecer la rela. ción causa y efecto entre los dos parámetros. ¿Las personas que se ejercitan se deprimen menos porque se ejercitan? ¿O los individuos deprimidos realizan menos ejercidos debido a su condición psiquiátrica? Muchos estudios publicados parecen demostrar que el ejercicio regular es efectivo para reducir la depresión. Pero un análisis meticuloso del diseño de los experimentos sugiere que las conclusiones de estos estudios podrían ser exageradas. Los individuos que participaron de muchos de estos experimentos recibían en forma concurrente fármacos o psicoterapia, por lo que no es da. ro si la mejoría se puede atribuir únicamente al ejercido. Además; la partidpadón en estos estudios les da a los individuos cierta interacción social, que es otro factor que podría tener un papel en la reducción del estrés y la depresión. La afirmación de que el ejercido reduce la depresión se podría confirmar si se demostraran los efectos del ejercido sobre los parámetros biológicos, como por ejemplo modificaciones en los neuro~ores monoamina ( 11!l! p. 317). Hasta el moÍnento se realizaron pocos estudios de este tipo.

RESUMEN DEL CAPITULO En este capítulo se describió el tema del ejercido y las alteraciones fisiológicas que produce. La integrad6n y la coordinación entre los sistemas de control (isio/óglcos permiten que el medio i.ntemo pennanezca relativamente constante a pesar de las dificultades que debe enfrentar la h0111UJS· tasis cuando el cuerpo realiza ejercido.

Metabolismo y ejercicio

ANÁLISIS

más lenta,en el ambiente húmedo, por lo que la pérdida de calor por ~vapo­ ración es menos efed:iva en_este tipo d~ ¡ambien·

tes.

.

.

819

l. Los músculos en el ejercido requieren un aporte constante de ATP procedente del metabolismo o de la conversión de la fosfocreatina. (p. 808; Fig. 25·1) 2. Los hidratos de carbono y Jos lípidos son las fuentes de energía prin· cipales. La glucosa se puede metabollzar a través de las vias olddatlva y anaeróbica, pero el metabolismo de los ácidos grasos requiere oxígeno. (p. 808; Flg. 25-1) 3. El metabolismo gluoolítioo convierte la glucosa en áCido láctico y su velocidad es 2,5 veces mayor que la de la vía aeróbica, pero no es tan eficiente para producir ATP. (p. 808; Flg. 25·2) 4. El g\ucagón, el cortlsOI y la hormona de c:redmiento inflttyW. sobre el metabolismo de la gluoosa y los ácidos grasos durante el ejercido. Estas hormonas promueven la conversión de glucógeno en glucosa (p. 810) 5. Aunque la concentración plasmática de glucosa (glucernia) aumenta con el tjerddo, la secreción de insulina disminuye. Esta respuesta reduce la absorción de glucosa en la mayoría de las células, lo que aumenta la cantidad de glucosa disponible para el músculo que realiza el ejercido. (p. 810) . 6. La intensidad del ejercido se refleja en el oonsamo de- oxigeno (VQJ. La tasa máxima de consumo de oxígeno (VOzmáx) indica Ia capacidad de un individuo para realiz.at ejercido de resistencia (p. 810) 7. El consumo de oxígeno aumenta rápidamente cuando comienza el ejercido. El consumo excesivo de oxigeno posejercido se debe al metabolismo continuo, el incremento de la temperatura corporal y las catecolaminas cirCUlantes. (p. 810; Flg. 25-4) 8. El tamafio y la cantidad de mitocondrias musculares aumentan con el entrenamiento de resistencia. (p. 811) 9. Con el esfuerw máximo, la capacidad del aparato catdiovascu!ar para aportar oxígeno y nutrientes parece ser el factor limitante prlnd· p;ú. (p. 81!)

Respuestas venú1atorias al ejercicio 10. La hiperventiladón excesiva es el resultado de señales_ de prealimen-

tadón procedentes ·de la corteza motora y de la retroalimentación sensitiva proveniente de los receptores sensitivos petiféñcos. (p. 811; Fig. 25-S) 11. la Po21 Ja Pco2 y el pH arteriales no se modifican significativamente durante el ejercido entre leve y moderado. La hiperventilad6n exce-

siva se debe a algunos otros factores como el.aumento de la concentración plasmática de K•. (p. 812; Flg. 25-6)

Respuestas cardiovasculares al ejercido lZ. El volumen minuto aumenta con el ejercido debido al incremento del retomo venoso y la estimulaci6n simpática de la frecuencia car-

díaca y la contractilidad. (p. 812; Fig. 25-7) 13. El flujo sanguineo que circula por el músculo en el ejercido aumenta significativamente cuando las arteriolas musculares esqueifficas se dilatan. Las arteriolas de otros tejidos se contraen. (p. 813; F¡g. 25-7} 14. La disminución de la concentración de Oz y glucosa en el tejido o el aumento de la temperatura muscular y la concentración de C02 y áddo actúan como factores paracrtnos y producen vasodllatadón local. (p. 813) 15. La preslón arterial media aumenta un poco a medida que la intensl· dad del ejercido se incrementa. Los barorreceptores que controlan la presión arterial modifican sus umbrales durante el ejercido. (p. 814; Fig. 25-8)

Respuestas de preaHmentación al ejercicio 16. Cuando el eji!rdcio comienza, las respuestas de prealimentadón fin. piden una altaadón significativa de la homeostas!s. (p. 815)

Regulación de la temperatura durante el ejercicio 17. El calor liberado durante el ejercido se disipa gradas a la transpira· ct6n y el aumento del flujo sanguíneo cutáneo. (p. 815)

Ejercicio y salud 18. La actividad física puede ayudar a prevenir o disminuir el riesgo de desarrollar hipertensión arterial, accidente cerebrovascular y diabetes mellitus tipo 2. (p. 816)

320

Capítulo 25 Fisiología integrada U!: ejercicio

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~-~~-~~-'-"~"---~~'"'-'~=----"~--.--~~~---·-"-·+~~·~--~---~~.,~--··~ ·'·'~~~~------·

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PREGUNTAS (yém1se las respuestas en el apéndice A)

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Mencione los dos compuestos musculares que almacenan energia en

forma de enlaces de fosfato de alta energía. z. La producción de ATP más eftdente se produce a través de las vías aerobia y anaerobia. Cuando se emplean estas vías, la glucosa/Jos ácidos grasos/ ambos/ ning¡mo se pueden metabolizat para proporcionar ATP. 3. ¿Cuáles son las diferencias entre el metabolismo aerobio y el anaembio? 4. Nombre tres fuentes de glucosa que se pueden metabolizar para producir ATP, sea en fonna directa o indirecta, S. Nombre cuatro hormonas que estimulan la conve!Sión de Jos trtglicéridos en ácidos grasos. ¿Qué efectos e¡ercen estas hormonas sobre la glucemia? 6. ¿Qué significa la expresión deuda o défidt de oxfgeno y cómo se relaciona con el consumo excesivo de oxígeno posejercicio? 7. ¿Qué sistema o aparato del cuerpo es el factor limitante del esfuerzo máximo? 8. En los ejercidos de resistencia, la temperatwa corporal puede alean· zar entre 40 y 42 ~c. ¿CUál es la temperatura corporal normal? ¿Qué dos mecanismos termorreguladores se activan cuando se modífica la temperatura durante el ejercido?

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 9. Mapa conceptual: describa los cambios metabólicos, cardiovasculares y respiratorios que se producen durante el ejercicio, induya las señales que parten del sistema nervioso central y Uegan a él y muestre las áreas específicas que envían seilales y coordinan la respuesta al ejercicio. 10. ¿Qué produce la disminución de la secreción de insulina durante el ejercicio y por qué es esta reducción adaptativa? 11. Enumere dos ventajas y dos desventajas de la glucólisis anaerobia. 12. Compare y diferencie cada uno de los términos en los siguientes gru· pos, en especial en relación con el ejercido: a) ATP, ADP, PCr b) Mioglobina, hemoglobina 13. Relaciondas siguientes respuestas con el área del cerebro que las controla. Las áreas encefálicas se pueden utilizar una vez, más de una vez o ninguna. Algunas respuestas pueden tener más de un enlace. a) protuberancia l. cambios en el volumen minuto b) bulbo raquldeo 2. vasoconstricctón

1

e) mesencéfalo

3. hipervent!ladón por ejercicio d) corteza motora 4. aumento del volumen sistólico e) hipotálamo 5. aumento de la fremencla cardíaca fJ cerebelo 6. coordinación del movimiento g) el cerebro no está de! músculo esquelético involucrado; emplea control local 14. Especifique Si cada uno de los siguientes parámetros se mantiene constan«!, aumenta o disminuye cuando una persona se entrena en actividades deportivas: a) frecuencia cardiaca durante el ejercicio b) frecuencia cardíaca en reposo e) volumen minuto durante el ejercicio d) volumen minuto en reposo e} frecuencia respiratoria durante el ejercicio O flujo sanguíneo muscular durante el ejercicio g) presión arterial durante el ejercicio h) resistencia periférica total durante el ejercicio 15. ¿Por qué el aumento del retomo venoso durante el ejercido produce un estirami&~to excesivo del músculo cardiaco? 16. Describa las tres teorlas que explican por qué el reflejo barorreceptor normal está ausente durante el ejercicio. 17. Enumere y analice en forma resumida los beneficios de un estilo de vida que induya regularment
Página812 1. Si la Po2 venosa disminuye, la Po2en las células también se reduce. Página 814 2. La línea de la presión arterial media se ubica más cerca de la línea de la presión arte"ial diastólica porque el corazón gasta más tiempo en la diástole que en la sistole.

Respuestas a las preguntas de las figuras Página812 Figura 25-6: a) La Po2 arterial pern1anece constante porque la ventilación pulmonar equipara el flujo sanguíneo de Jos pulmones. b) Aunque la Po2 arterial permanece constante, el aporte de oxígeno a las células aumenta debido al incremento de! volumen minuto (no se muestra aquQ. e) La Po2

823 los cromosomas sexuales determinan el sexo

genético

19.. Usted decide crear una nueva bebida deportiVa que ayudará a los depor-

tistas, desde jugadores de ffitbol americano hasta gimnaStas. Enumere por lo menos ctnco ingredientes diferentes que podría incluir en su bebida e indique la razón por la cual son importantes para el deportiSta.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALiTICOS 20. Usted es un deportiSta entrenado. En reposo su frecuencia cardíaca es de 60 latidos por minuto y su volumen sistólico es de 70 roL/latido. ¿Cuál es su volumen minuto? En un momento del ejercido, sufre.. cuencia cardiaca asciende hasta 120 latidos/min. ¿Aumenta su volumen minuto en forma proporcional?

840 El control hormonal del ciclo menstrual es complejo 844 Los estrógenos y los andrógenos influyen sobre los caracteres sexuales femeninos secundarios

825 la diferenciación sexual se produce durante el

segundo mes del desarrollo ·;;i

"·J,'>!Y

827 la gametogénesís comienza dentro del útero y se

reanuda durante la pubertad

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

829 El cerebro dirige la reproducción 831 la reproducción está influenciada por factores

ambientales ,::_:¡

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:,:__ ,': ''_;

833 los testículos producen espermatozoides y testosterona 835 La espermatogénesis requiere gonadotropinas y testosterona 836 Las glándulas accesorias masculinas aportan secreciones al semen 836 los andrógenos influyen sobre los caracteres sexuales secundarios

844 La respuesta sexual humana tiene cuatro fases 845 El acto sexual masculino incluye la erección y la eyaculación 845 La disfunción sexual afecta tanto a hombres como mujeres 846 Los anticonceptivos evitan el embarazo 848 la infertilidad es la incapacidad de concebir ;~nct ·:el :;D) ~" ::=nr 848 la fecundación requiere capacitación 849 El embrión en desarrollo se implanta en e! endometrlo 850 la placenta secreta hormonas durante el embarazo 852 El 1=mbarazo termina en el momento del trabajo de parto y el parto 852 las glándulas mamarias secretan leche durante la lactancia 854 la prolactina ejerce otras funciones fisiológicas

"
RESPUESTAS

V Respuestas a las preguntas de revisión

Reproducción y desarrollo

venosa disminuye a medida que la intensidad del ejercido aumenta porque las células absorben más oxígeno de la hemoglobina en función del aumento del consumo de oxígeno. d) La Peoz arterial no se modifica has· taque el consumo de oxígeno alcance el SO% del valor máximo. e) Cuando el individuo comienza a hiperventilar, la Pco2 arteria! (y alveolar) dis· minuye.

836 El aparato reproductor femenino está formado por los ovarios y el útero 837 El ovario produce óvulos y hormonas 840 El ciclo menstrual dura alrededor de un mes

;>¡~·!:2t1-1C

'j 2i"!fp!G!!"'!'iC.'!·

855 la pubertad señala el comienzo de la edad fértil 855 la menopausia y la andropausia son e! resultado del envejecimiento

Página 814

Figura 25-7; El:f!ujo sanguíneo que recibe un órgano se ca!o.da multipli· cando el volumen minuto (L!min) por el porcentaje del flujo que recibe ese órgano. CUando se comparan los valores en reposo y durante el ejer· cicio, el flujo sanguíneo sólo disminuye en los riñones, el tubo digestivo y "otros tejidos~. Página815 Figura 25--8: La presión arteria! media es el volumen minuto multiplicado

por !a resistencia. Si la resistencia disminuye pero la presión arterial media aumenta, el volumen minuto debe ascender.

INFORMACIÓN BÁSICA Prostag!andinas: 189; Regulación por incremento-y p6r' disminuCh~O; :190; -Absorción intestinal de péptidos: 695; Oxitocina: 226; ·Tufo radas: 743; Flagelos: 63; -Mitosis- (Apéndice O: A34;- Esteroides: 219; Agonistafantagonista:·39; Reflejo espinal: 301; Eje hipotálamo·hipofisario: 226; - Prolactina: ~30; Osteoporosis:-771

,

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822

Capítulo 26 Reproducción y desarroi!o

INFERTIIJDAD Peggy y Larry tienen casi todo para ser felices: carreras exitosas, un matrimonio unido por el amor, una casa, cómoda; pero les -fa\. ta una cosa: después de dnco años de matrimOnio, no pu~en concebir un nifio. Hoy la pareja concurre a su primera cita c_on el doctor Charles Coddington, un especialista en infertilidad. ~la causa de su infertilidad requiere un estudio minucioso que puede ser dolorosod, les explica el médico. Su evaluación comienza con una anamnesis de Peggy y Larry, con preguntas detalladas sobre sus antecedentes reproductivos. En función de las respuestas a es· tas pregu~tas, el doctor les solicitará otras pruebas para detectar el problema específico.

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Imagine que crece como niña y hada los 12 años detecta que su voz se agrava y sus genitales se desarrollan como los de un hombre. Esta situadón le sucede en la realidad a una pequeña cantidad de hombres que experimentan una enfermedad denominada seudohermafroditismo (seudtJ, falso; hermaphrodites, deseen· denda proviSta de dos sexos de Hermes y Afrodita). Estos hom· bres tienen órganos sexuales internos masculinos pero heredan un gen que produce una deficienda en una di! las hormonas mas. culinas. En consecuenda, nacen con genitales externos que parecen femeninos y se crían como niñas. Durante la pubertad {pu· bertas, adultez), que es el período de transidón desde el estado in· fértil al fértil, los seudohermafroditas comienzan a secretar más hormonas masculinas. En consecuenda, desarrollan algunas ca· racteñsticas masculinas, pero no todas. No tesulta sorprendente que surja un conflicto: ¿deben-estos individuos cambiar su sexo o permanecer como mujeres? La mayoría prefiere cambiar y conti· nuar sus vidas como hombres. La reprodm:Q:ón es un área de la -fisiología en la que a los se-res humanos les gusta pensar que están mucho más avanzados que otros animales. Nos unimos tanto por placer como por pro· creación, y las mujeres son siempre sexualr:iJ.ente receptivas, no Sólo durante los períodos fértiles; pero, ¿hasta qué grado somos diferentes? Al igual que otros animales terrestres, los seres humanos tie-nen una fertilizadón iÍl.tem~ que pertnite que los espermatOZOi· des flagelados pei:manezcan en un ambiente acuoso. Para facilitar el proceso, teneinos rituales de apareamiento y de cortejo como los demás animales. El desarrollo también es interno, lo que per· mite proteger al einbrión de la deshidratadón y lo amortigua con una capa de liqui~_o~ .. Los seres humanos son sexualmente dim6rfiros, esto es, los hombres y" las mujeres tienen características físicas diferentes. A menudo esta- distinción se borra debido a la vestimenta y el esti· lo del peinado, pero esas características son adquisicioneS culturales. Aunque todos concordamos en que los hombtes y las mu·

1

. Determinación del sexo

jeres tienen c~acterísticas físicas dimórficas, todavía se·debate si el c9mportamientÓ y la actiVidad psicológica también lo son. Las hortnonas sexuales cumplen un papel únportante en la conducta de otrqs ri:iamíferos, dado que actúan sobre los adultos e influy.en ~f.bre el cerebro de los embriones en vías de desarro. llo.* Su papel en los seres humanos es más controvertido. Los fe: tos humanos están expuestos a las hormonas sexuales mientras permanecen en el útero, pero no se conoce con certeza el grado de impront? sexual que se produce. ¿La preferencia de las niñas pequeftas por las muñecas y de los niños pequeños por las annas de juguete tiene una base biológica o una cultural? Todavía no se ha podido responder a esta pregunta, pero hay evidencia crecten. te que sugiere que por lo menos parte de la estructura del cerebro recibe influencias de las hormonas sexuales antes incluso de salir del útero. Este capítulo evalúa la biología de la reproducción y el desa· rrollo humano. En. una primera sección se describirá el óvulo fertilizado o cigoto, y se examinarán la determinadóñ del sexo y la difezenctaciói). sexual.

DETERMINACIÓN DEL SEXO Los órganos sexuales masculino y femenino están compuestos

por tres grupos estructurales: las gónadas, los genitales internos y los genitales éxtemos. Las gónadas (ganas, semilla) son los órga. nos que producen los gametos (gamein, casarse), las células encar· gadas de la reproducción (óvulos y espermatozoides) que se unen para formar un nuevo individuo. Las gónadas masculinas son Jos testículos, que producen espermatozoides. Las gónadas femeni~ nas son los ovarios, que produce óvulos. Las células gonadales indiferenciadas destinadas a producir óvulos y espermatozoides se denominan células germinales. Los genitales internos están formados por glándulas y conductos accesorios que conectan las gónadas con el medio.extemo. Los genitales externos están formados por todas las estruCturas reproductivas externas. El desarrollo sexual está programado en el genoma humano (~Apéndice C). Cada célula nudeada del organismo, excepto los óvulos y los espermatozoides, contiene 46 cromosomas (el nú· mero díploide): 22 pares (homólogos) de autosomas y un par de cromosomas sexuales (Fig. 26·lli). Los 22 pares de autosomas dirigen el desarrollo del cuerpo humano y de caracteristicas varia· bies como el color del cabello y el tipo de sangre. Los dos cromo· somas sexuales, que se llaman Xo Y, conti~en genes que dirigen el desarrollo de los órganos sexuales internos y externos. El cromosoma Xes más grande que.el Yy tiene muchos genes que fa!. tan en el cromosoma Y. Los óvulos y los espermatozoides tienen un juego de 23 cromosomas (el número haploide) gradas a las divisiones mei6ticas que se producen durante su creadón. CUando un óvulo y un es· permatozoide se unen, el dgoto resultante contiene un juego úni· co de 46 cromosomas. Por ende, los seres humanos heredan un cromosoma de cada pat de homólogos de la madre y otro del padre.

---'Cuando cl óvulo fertilizado se empleza a dividir (estadio de z dlu.la\ estadio de 4

dlulas, etc.), primero ~e convi~rt<: en embrión (~emanas Oa 8 del desarrollo) y lue. g:o en feto (octava semana basta el nadmlento).

823

Padre

Madre

'Wffi\W&W

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Óvulos

..,

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~

/{~ Esperma·

"·~··· ''"'"'" , "#Descendencia '} femen1na

a

~

Descendencia

masculina

mFIGURA 26-2 Herenda de los aomosomas Xe Y cada. óvulo que se produce en una mujer {XX} tiene un cromo-soma X. los espermatozoides producidos por e! hombre (XY) tienen uti cromosoma X o un cromosoma Y.

mFIGURA 26-1 Cromosomas humanos Los seres humanos tienen 23 pares de cromosomas, que en esta figura se dispusieron en pares homólogos. La presencia de un cromosoma Xy un cromosoma Y (abajo a la derecha} significa que estos cromosomas pertenecen a un hombre.

. Los cromosomas sexuales determinan el sexo genético Los cromosomas sexuales que hereda una persona determinan su sexo genético. Las mujeres son genéticamente XX y los hom~ bres son XY (Fig. 26o2 mi). Las mujeres heredan un cromosoma X de cada padre. Los hombres heredan un cromosoma Ydel padre y un cromosoma Xde la madre. El cromosoma Yes esencial pata el desarrollo de los órganos reproductores masculinos. Si los cromosomas sexuales se distribuyen en forma anQrmal · en el momento de la fertilizadón, la presencia o ausenda de un cromosoma Ydetermina si el desarrollo irá por la vía masculina· o la femenina. La presencia de un cromosoma Yindica que el embñón se convertirá en masculino, incluso aunque el dgoto tenga varios cromosomas X. Por ejemplo, un cigoto XXY se convertirá en masculino. Un dgoto que hereda un solo cromosoma Y{YO) muere porque el cromosoma X más grande contiene génes esen· dales que faltan en el cromosoma Y. En ausencia de cromosoma Y, un embrión se conVierte en fe· menino. En consecuencia, un cigoto con un solo cromosoma X (XO, síndrome de Tumer) se desarrolla como femenino. No obs-tante, se necesitan dos cromosomas Xpara lograr una función reproductiva femerllna normal. CUando se forman los ovarios en el feto femenino, un cromosoma Xse inactiva en cada célula de su roerpo y se condensa para formar un conglomerado de cromatina nuclear llamado cuerpo de Barr. (Los cuerpos de Barr se pueden observar en muestras de epitelio de la mejilla coloreadas en forma apropiada de las muje· res.) La selección del cromosoma X que se inactiva durante el de--

sarrollo es aleatoria: algunas células tienen un cromosoma X ac· tivo procedente de la madre y otras un cromosoma X activo procedente del padre. Como la inactivadón se produce en un mo. mento temprano del desanollo--antes de que se complete la divi· sión celular- todas las células de un tejido determinado suelen te-ner el mismo cromosoma X activo, sea el materno o el paterno. ISIÓN 1. Mencione las gónadas y los gametos masculinos y fe--

meninos.

Respuesta en la p. 860

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Determinación del sexo

capítulo 26 Reproduo:ión y desarrollo

824

La diferendadón sexual se produce durante . el segundo mes del desarrollo El sexo de un embrión de pocos días de edad gestacional es difícil de determinar porque las estructuras reproductivas no se empiezan a diferenciar sino hasta la séptima semana. Antes de la diferenciación, los tejidos embrionarios se.consideran bipotendales porque no se pueden identificar morfológicamente como masculinos o femeninos. La gónada bipotendal tiene una corteza externa y una médula interna {Fig. 26-3a lííl). Bafo la influencia de la señal apropiada (que se describirá más adelante}, la médula se convieite en testículo ®; en ausencia de esa señal, la corteza se diferencia en tejido ovárico. Los genitales internos bipotenciales están formados .por dos pares de conductos accesorios: los conductos de Wolff que pro. vienen del riñón embríonario y los conductos de Müller. A medida que el desarrollo prosigue en dirección femenina o masculina, uno de los pares de conductos crece y el otto degenera (Fig. 2~3a®).

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la ausencia de lfurmona antlmil!!eriana penn!tequee!c011ducto ¡~ ·Trompa uterina .··da MOI!er se convierta ~ (se orlglna en el en !a trompa uterina, conducto de MOI!er)

la dih!drotestosterona {DH1) controla el desa·

e! útero y la porción :·superior de la vagina.

,llf-

~ testosterona procedente del testfculo con· ·vierte el conducto de Wofff en !a vesfcula .seminal, el conducto deferente y el epldídimo.

~oróstata

vag;o.

Los genitales externos bipotenciales están compuestos por un tubérculo genital, pliegues uretrales, el surco uretral y prominencias fa. bioescrotales (F¡g. 26-3b). Estas estructuras se diferencian en los·ór~ ganos reproductores masculinos y femeninos a medida que el desarrollo progresa {cuadro 26-llii). ¿Qué detennina que algunos cigotos unicelulares se conviertan en masculinos y otros en femeninos? La determinación del sexo depende de la presencia de la regi6n determímmte del sexo en el CTOI1WSoma Y, o gen SRY (sex detennining region of the Y). En ausencia del gen SRY y sus productos, las gónadas se transforman en ovarios. En presencia de un gen SRY funcionante, las gónadas bipotendales se convierten en testículos.

Desarrollo embrionario masculino El gen SRY produce una proteína (proteína SRY o {llCt()r determina:tlte del testfculo) que se une con el DNAy activa otros genes, como SOX9, WTl (proteína-del tumor de Wilms) y SFl (factor esteroideogénico}. Los productoS proteicos de estos genes dirigen la conversión de la médula gona-

1

8ZS

dal en testículo (Flg. 26-4m). Se debe señalar que el desarrollo tes·

ticular no requiere hormonas sexuales masculinas como testosterona. El embrión en desarrollo no. puede secretar testosterona hasta después de la diferenciación de l~s gónadas en testículos . Luego de la diferenciación de los testículos, comienza la secreCión de tres hormonas que influyen sobre el desarrollo de los ge-: nitales masculinos internos y externos. las células de Sertoli testiculares secretan la glucoproteína hormona antimülleriana (AMH, también llamada sustancia inhibidora müUeriana). Las células de Leydig testiculares secretan testosterona y su derivado di· bidrotestosterona (DH1). Estos dos andrógenos (andro, masCulino) son las hormonas esteroideas predominantes en los hombres. La testosterona y la DHT se unen con el mismo.receptor de andrógenos, pero Jos dos ligandos producen respuestas diferentes. En el feto en desarrollo, la hormona antimülleriana causa la involución de los conductos de Müller embrionarios (Fig. 26-3a, ® masculino). La testosterona convierte los conductos de Wolff en estructuras masculinas ac€esorias: epidídimo, conducto defe. rente y vesícula seminal (@·masculino y cuadro 26·1). En uil. momento miis avanzado del desarrollo fetal, la testosterona controla la migración de los testículos desde el abdomen hada el escroto o saco escrotal. Las características sexuales masculinas restantes, como la diferenciación de los genitales externos,. dependen sobre todo del control de la DIIT. La importancia de la DHT en el desarrollo masculino se deter~ minó en estudíos de seudohennafroditas masculinos descritos al principio de este capítulo. Estos hombres heredan un gen defec. tuoso para la Sa.-reductasa, que es la enzima que cataliza la con· versión de la testosterona en DHT. Apesar de la secreción normal de testosterona, estos hombres revelan concentraciones inadec.uadas de DHT y, como consecuencia, los genitales externos masculinos y la próstata no se desarrollan completamente durante la vida fetal. Al nacer, los lactantes parecen femeninos y provocan y son criados como tales. Sin embargo, durante la pubertad los testícUlos empiezan otta vez a secretar testosterona y provocan l_a masc.uli.nización de lo~ genitales externos, el crecimiento del ve-llo púbico, aunque con escasa cantidad de vello facial y corporal,

""'

'

Glande del pene

~ Tubérculo ·genital-4

Clítoris

Cuerpo del pene

(-Plieg-Ues y surco genital ~

labios menores, orificio de la vagina y meato uretral

Cuerpo del pene y escroto

m AGURA i&-3 Desarrolfo sexual en el embrión humano

.. (- Prominend¡¡s labioescrotales -4

Labios mayores

Involuciona

·(- Góf!a_Qa (corteza) :---'1

Forma el ovario

Forma el testlculo

(-.Gónada (médula)~

Involuciona

Se convierte en el epidfdimo, el conducto deferente y la veslcula se:minal {ron testosterona)

(- ConductO de WOlff -+

lnvoludon·a (sin.testosteron!J)

!nvolildona (con hormona antimO· lleriana)

(-Conducto de MOiter -4 :

Se convierte en la trompa uterina, el útero, el cuello uterino y el tercio st,.tperior de la vagina (sin hormona antimO!leriana)

~ 826

Patrones básicos de !a reproducción

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Capítulo 26 Reproducción y desarrollo portamiento sexual de los adultos depende de la presencia de tes· tosterona durante períodos críticos del desarrollo encefálico. No obstante, nunca se comprobó una reladón caúsa.efecto similar en los seres humanos. En el comportamiento humano es muy di· ficil separar las influencias biológicas de los factores ambientales y es probable que pasen varios años antes de poder resolver está pregunta. Desanollo embrionario femenino En los embriones femeninos, que no tienen un gen SRY, la corteza de la gónada bipotencial se transfonna en tejido ovárico (Fig. 26-Ja, Q) femenino). Sin la in· hibidón de la AMH testicular, los conductos de Müller se convier· ten en la porción superior de la vagina, el útero y las trompas uterinas (de Falopio, en honor al anatomista que las describió por primera vez. También se conocen como oviductos). En au. senda de testosterona, los conductos de Wolff degeneran y sin DHT los genitales externos adquieren caracteósticas femeninas. Por ende, la ausenda del gen SRY y de hormonas testiculares pro~ duce un embrión femeninÓ.

cados permanecen pareados como cromátides hermanas mientras el gameto primario se divíde en dos gametos secundarios. Por en· de, cada gameto secundario tiene 23 cromosomas dobles. Duran~ te la segunda división meiótica, los ga,metos secundarios se di, víden y las cromátides hermanas se separan. Si la división de los gametos seOJndarios se completa (como sucede en los hombres), se obtienen dos células, cada una con 23 cromosomas únicos. En teoría, la gametogénesis es idéntica en los hombres y las mujeres, pero el momento en que se producen las divisiones mitóticas y meióticas es muy diferente.

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Gametogénesis masculina En el momento del nacimiento, los testía.tlos de un niño recién naddo no progresaron más allá del estadio de mitosis y sólo contienen células germinales inmaduras. Después del nacimiento, las gónadas se vuelven inactivas y así permanecen hasta la pubertad, que es el período al comienZo de la adolescenda en que se produce la maduradón de las gónadas. Durante la pubertad se reanuda la mitosis en las células genní· nales (Fig. 26-5). A partir de ese momento, las células germinales llamadas espe_rmatogonias tienen dos destinos diferentes. Algu· nas células siguen experimentando mitosis dtuante toda la vída fértil del hombre. Otras están destinadas a reallzar meiosis para convertirse en espennatocitos primarios. Durante la primera división meióti.ca, un espermatocito pri· marto se divide en dos espermatodtos secundarlos. Durante la segunda división meióti.ca, cada espermatocito secundario se di· víde en dos espermátides, cada una con 23 cromosomas únicos, que es el número haploide característico de un gameto. A continuación las espermátides maduran y se transforman en esperma· tozoides. En consecuencia, un espennatodto primario produce cuatro espermatozoides.

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"3. ¿Por qué el rey Enrique VIII de Inglaterra estaba equi· vocado al culpar a sus esposas por no poder concebir un hijo varón para que heredara el trono? 4. ¿Qué sexo adquiere un cigoto si sólo hereda un cro-mosoma X (XO)? 5. Si se extirpan !os testicu!os de- un embrión masculino en un momento temprano de su desarrollo, ¿por qué aparecen útero y trompas uterinas en lugar de las & tructuras accesorias masculinas normales? ¿Tendrá e! embrión genitales externos masculinos o femeninos? Explique su respuesta.

Respuertas en !a p. 860

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B FIGURA 26-4 Fundón del gen SRY en el desarrollo

masculino

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y que la voz se haga más grave. Mediante la evaluadón del defec~

. to ,._· la 5a.-reductasa en estos ffid.ividuos, los dentíficos pudieron distinguir los efectos de la testosterqna de los de la DHT. ·

Jj .· &.'líi)NISIÓN ¡ . t~?' 2. ¿En qué parte de una célula-diana esperarla hallar re·~ ceptores de andrógenos? ¿Dónde esperaría encontrar receptores de AMH?Respuestas en !a p. 860

Se sabe que la exposidón de Jos tejidos no genitales a la tes. tosterona durante et·desarrollo embrionario ejerce efectos maSOl· linízantes, como la.illtetadón de la caPactdad de respuesta del en~ céfalo a d~ honnonas. Un awecto Controvertido de los efectos masculiinzantes de la testosterona es su influencia _sobre el comportanJ.iento sexual humano y la identidad sexual. Está bien . documentado que, en muchos mamíferos no humanos, el com~

PATRONES BÁSICOS DE LA REPRODUCCIÓN Los testículos y los ovarios producen hormonas y gametos y comparten otras similitudes, como se podría esperar de 6rganos con el mismo origen. Sin embargo, los gametos masculinos y los femeninos presentan muchas diferencias. Los óvulos se encuen· tran entre las células más grandes del organismo ( im Fig. 3-10, p. 59). Estas células son inmóviles y se deben desplazar a través del · aparato reproductor gradas a las corrientes creadas por las con· tracciones del músculo Uso o el movimientO de los cilios. En cambio, los espermatozoides son bastante pequeños; son las únicas células flageladas del organiSmo y tienen gran motilidad para poder nadar por el aparato reproductor femenino en su búsqueda de un óvulo para fecundar. El momento en que se producen los gametos, o ~ea la game· togénesis, también es muy diferente en los hombres y las muje. res. Las mujeres nacen con todos sus óvulos, que en ese momento se llaman ovodtos. Durante los años fértiles, los ovocitos ma· duran y salen de los ovarios una vez- por mes durante alrededor de 40 años. Apartir de ese inomento, los ciclos reproductores fe. meninos cesan (menopausia~ En cambio, los hombres fabrican espermatozoides en forma continua desde que alcanzan la madurez reproductiva. La pro-

827

ducdón de espermatozoides y testosterona disminuye a medida que avanzan los anos pero no se interrumpe de la forma en que lo hacen los ddos reproductores femeninos.

La gametogénesis comienza dentro del útero y se reanuda durante la pubertad En la figura 26-5 mse comparan los patrones de gametogéne. sis masculino y femenino. En ambos sexos, las células germinales de las gónadas embrionarias sufren una serie de divisiones mit(J.. ticas que aumentan su número. Luego las células germinales es· tán listas para iniciar la meiosis, que es el proceso de división celular que permite la formación de los gametos. Cuando comienza la meiosis, el DNA de la célula se replica y se crean copias de los 46 cromosomas. Sin embargo, las divisiones celular y cromosómica no se completan. Cada cromosoma dupli· cado se presenta en 'forma de dos cromátides hermanas idénticas conectadas a través de una región _llamada centrómero. Las células resultantes, que se conocen como gametos primarios, todavía tienen 46 cromosomas, pero cada cromosoma está duplicado y contiene el doble de la cantidad normal de DNA. Durante la primera división meiótica, los cromo~omas dupli~

Gametogénesis femenina En el ovario embrionario, las células germinales se llaman ovogonias (Hg. 26-5). Las ovogorÍias com· pletan la división mitótica y el primer estadio de la meiosis hada. el quinto mes del desarrollo fetal_. En ese momento, se suspende . la mitosis en las células germinales y no se pueden formar más ovocitos. En el momento del nacimiento el ovario contiene alrededor de medio millón de gametos primarios, esto es ovodtos primarios. La primera división meiótica del ovodto se produce durante la pubertad. Cada ovocito primario se divide en dos células, un óvulo grande (ovodto secundario) y un primer cuerpo polar diminuto. Apesar de la diferencia de tamaño, cada célula contiene 23 cromosomas duplicados. El cuerpo polar se destruye, antes o después de la segunda división meiótica. Mientras tanto, el óvulo comienza la segunda división meiótica Después de que las cromátides hermanas del óvulo se sepa· ran, la meiosis se detiene. El paso final de la meiosis, en el que las cromátides hermanas del óvulo van a células separadas, no se produce salvo que el óvulo sea fertilizado. · El ovario libera el óvulo maduro dmante un proceso denominado ovulación. Si no se produce la fecundación, la meiosis nunca se completa y el óvulo se destruye o se expulsa del organismo. Si un espermatozoide fecunda al óvulo, se produce el paso final de la meiosis. La mitad de las cromátides hermanas permanecen en el óvulo fertilizado (cigoto), mientras que la otra mitad se libe-

Patrones básicos de la reproducción

capítulo 26 Reproducción y desarrollo

828

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Los hombres sintetizan un poco de estrógenos, pero los efectos feminizantes de estos compuestos no se suelen evidendar en el sexo masculino. Tanto los testículos como los ovarios contienen la enzima aromatasa, que convierte la testosterona en· la hormona sexual femenina estradiol, que es el estrógeno prind· pal en los seres humanos. Una pequeña cantidad de estrógenos se sintetizan en los tejidos periféricos. En las mujeres, los ovarios producen estrógenos (en particular, estradiol y estrona) y progestiígenos, sobre todo progesterona. Los ovarios y las cortezas suprarrenales producen pequeñas cantidades de andrógenos.

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mFIGURA 26-6 Vías que sintetizan hormopas esteroideas Los recuadros vados representan compuestos intermedios cuyos nombres se omitJeron para simplificar la descripción.

fSIÓN

t. ¿En qué estadio de! desarrollo está e! gameto en un redénnaddo de sexo masculino? ¿Y en un recién nacido de sexo femenino? · 7. Compa(e la cantidad de DNA presente en el primer cuerpo polar con la cantidad en el segundo cuerpo polar. 8. ¿Cuántos gametos se forman a partir de un ovcx:ito primario? ¿Y a partir de un-espermatocito primario? Respuestas ¡;n la p. 860

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Cigoto

mAGURA 26--5 Gametogénesis Para simplificar la explicación, esta figura sólo muestra uno de los 22 pares de cromosomas autosómicos. En la mitosis todos los cromosomas se replican y se dirigen hacia células nuevas. Durante la meiosis, los cromosomas se dupli~n a si mismos, pero cada eroraen un segundo cuerpo polar. Al igual que el primer cuerpo polar, el segUndo degenera. En consecuenda, en las mujeres un ovotito primario origina un solo óvulo. Tanto en los hombres como en las mujeres, la gametogénesiS

mosoma y su copia permanecen conectados como cromátides hermanas por un centrómero. En los embriones fer:neninos, la mitosis se completa in útero, pero en Jos varones continúa después de !a pubertad. Cuando se produce la fertilización, cada gameto femenino y masculino aporta un autosoma de cada par al cigoto. está sujeta al control de hormonas p10cedentes del encéfalo y de células endocrinas que se encuentran en las gónadas. Algunas de estas hormonas son idénticas en los hombres y las mujeres, pero otras son diferentes.

829

El cerebro dirige la reproducáón Las vías que regulan Ia reproducción comienzan con la secreción de hormonas peptídicas en el hipotálamo y el lóbulo anterior de la glándula hipófisis. Estas hormonas trópicas controlan la secreción gonadal de hormonas esteroideas sexuales, cOmo andrógenos, estrógenos y progesterona. Las hormonas esteroideas están relacionadas estrechamentea unas con las otras y se forman a partir de los mismos precrusores- esteroldeos (Fíg. 26-6 11). En ambos sexos se producen tanto andrógenos como estrógenos, pero los andrógenos predominan en loS hombres y los estrógenos en las mujeres. En los hombres,·la mayor parte de la testosterona se secreta en los testículos, pero alrededor deiS% proviene de Ia_oorteza supra~ rrenal. La testosterona se convierte en su derivado más potente DHT en los tejidos periféricos. Algunos de los efectos fisiológicos atribuidos a la testosterona se deben en realidad a la actividad de laDHT.

Vias de control El control hormonal de la reproducción en ambos sexos sigue el patrón básico hipotálamo, lóbulo anterior de la hipófisis y glándulas periféricas (Fig. 26-7 Gl). La hormona liberadora de gonadotropina (GnRH*) del hipotálamo controla la secredón de dos gonadotropinas del lóbulo anterior de.la hipófisis: hormona folicnloestimulante (FSH) y hormona luteinizante (LH). La FSH y la Uf estimulan el trofismo de las gónadas. La FSH es necesaria, junto con las hormonas sexuales esteroideas, para iniciar y mantener la gametogénesis. La LH actúa principalmente sobre las células endocrinas, estimulando la síntesis de hormonas sexuales esteroideas. Aunque el control principal de la función gonadal se encuentra en el encéfalo, las gónadas también influyen sobre su propio funcionamiento. Tanto los ovarios como los testículos secretan hormonas peptídicas que actúan en forma directa sobre la glándula hipófisis. Las inbibinas bloquean la secreción de FSH, y pép. tidoneladonados que se conocen como adivinas estimulan su secreción. Las actlvinas también promueven la espennatogénesjs, la maduradón de los ovocttos y el desarrollo del sistema nervioso del embrión. Estos péptidos gonadales también se producen en tejidos no gonadales, y todavía se investigan sus otras funciones. Las inbibinas, las activinas y la AMH forman parte de un gran grupo de moléculas relacionadas que constituyen la familia del factm trans(ormatWr de credmien~fJ. V{as de retroallmentadón Las vías de retroalimentación asociadas con las hormonas tróficas fundonan de acuerdo con los patrones generales de los ciclos de retroalimentación cortos y largos que se describieron en el capítulo 7 (!S p. 227). Los esteroides gonada· les modifican la secred.ón de GnRH, FSH y LH de acuerdo con un ciclo largo y las gonadotropinas hipofisarias inhiben la liberadón de GnRH a través de un dcio corto (Fig. 26-7). Cuando las concentraciones circulantes de esteroides ganadales son bajas, la hipófisis secreta FSH y LH (cuadro 26-2m). Una vez que la secreción de esteroides alcanza derto nivel, un ciclo de retroalimentadón negativa inhibe la hberación de gonadotropinas. Los andrógenos siempre influyen sobre la liber3.ción de gonadotropinas mediante retroalimentación negativa: si los niveles de andrógenos se elevan, la secredón de FSH y LH disminuye. Por otra parte, sólo las concentradones de estrógenos más bajas activan un ciclo de retroalimentación negativa. Si la concen-

'A vere; !a GnRH se !!ama htJmwna libaadora ik lwmwna fuWl¡f¡pnte (LHRH) porque en un primer mamento se creyó que e¡etcia su efecto _prtndpal S
830

Reproducdón masculina

Capítulo 26 Reproducción y desarro~

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retroalimentacfón negativa REFERENCIAS

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sexual. Pero si las bombas se ajustan para-administrar pulsos de GnRH similares a los que se producen en condiciones naturales, los niños logran llegar a la pubertad. Aparentemente, las concentraciones constantes elevadas de GnRH producen regulación por disminución de los receptores de GnRH en las células gonadotrópicas, lo que determina que la hipófisis sea incapaz de responder a laGnRH. Esta regulación por disminución es la base de la administra· ción terapéutica de GnRH para tratar algunos trastornos. Por ejemplo, los pacientes con cáncer de próstata o de mama sujetos a la estimulación de los andrógenos o los estrógenos pueden recibir agonistas de la GnRH para reducir la velocidad de crecimiento de las cé!ulas_neoplásicas. La administración de fármacos que estimulan la secreción de andrógenos y estrógenos parece paradójica, pero después de un breve incremento de las concentraciones de FSH y UL la hipófisis se toma Insensible a la GnRH. Entonces, la secreción de FSH y LH disminuye y la producción gonadal de hormonas esteroideas también desdende. En esencia, el agonista de la GnRH produce una castración química que desaparece cuando se deja de administrar el fármaco.

La reproducdón está inf/uendada por factores ambientales

mAGURA 26·7 Pairón general del control hormonal de la reproducción

tración de estrógeno aumenta rápidamente hasta un valor superior a un umbral durante por lo menos 36 horas, la retroalimentación se modifica de negativa ·a positiva y se estimula la secreción de gonadotiopinas (en particular LH). Los efectos paradójicos del . estrógeno sobre la secreción de gonadotropinas cumplen un pa-

1

HORMONA _ , - . ESTERO!DEA

EFECTO . .

CONCfNTRACÓN DE GONADOTROPINAS

Conceíw:aci_ones-bcljas .Ausencia de retroali·- Aumenta de esiró9etio_s o an·_ -/ m~ntación negativa drógenos · · · · Concentra_dones·mO. ·-. Retroalimentación deradas de estrógenos negativa o aridróg~Jios ·

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Retroalimentación

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Concentraciones elevadas y sosten/das de estrógenos

Retroalimentación positiva

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Aumenta

pel importante en el cido reproductor femenino, como se verá más adelante en este capítulo. Todavía no se comprende con precisión el mecanismo subyacente al cambio de la rep:oalimentación de negativa a positiva ejercida por los estrógenos. Cierta evidencia sugiere que ~as concentraciones elevadas de estrógenos aumentan la cantidad de receptores de GnRH, lo _que a su vez incrementa la sensibilidad del lóbulo anterior de la hipófisis a la GnRH (regulación por incremento de los receptores [ ~ p. 190]). Otras evidencias apuntan hada un efecto directo de los estrógenos sobre la secreción hipotalámica de GnRH.

Secreción pulsátil de GnRH Apartir de la pubertad aparece una secreción tónica de GnRH en el hipotálamO en pequefios pulsos que se liberan cada 1 a 3 horas tanto en los hombres como en las mujeres. la región del hipotálamo que contiene los cuerpos celulares de las neuronas productoras de GnRH se llama generadora de pulsos porque coor
Entre las influencias menos comprendidas de las hormonas de la reproducción y la gametogénesis se pueden mencionar los efec~ tos ambientales. En los hombres, los factores que influyen sobre la gametogénesis son difíciles de controlar porque se deberían realizar recuentos periódicos de espermatozoides. I.a alteración del ciclo reproductor femenino rÍ.ormal es más fácil de evaluar porque el sangrado uterino fisiológico asociado con el cido menstrual se puede controlar fácilmente. Los factores que afectan la función reproductora en las mujeres son el estrés, el estado nutritional y los cambios en los ddos de día y noche, como cuando se realizan viajes que atraviesan husos hora~ rios o se realizan trabajos en horarios rotativos. La hormona melatonina secretada por la ·glándula pineal ( i?!'!l p. 237) partiCipa en la reproducción deios animales que tienen sus crías en temporadas especificas, como las aves y los ciervos, y hay investigadores que están evaluando si esta hormona también cumple un papel en los ritmos estadonales y cotidianos de los seres humanos. Los estrógenos ambientales también reciben mucha atención en la actualidad. Éstos son compuestos naturales, como los fi· toestr6genos de las plantas, o compuestos sintéticos que se eli· minan hada el medioambiente. Algunas de estas sustancias se unen a los receptores de estrógenos e imitan los efectos de estas hormonas. Otros compuestos son ~tiestrógenos que inhi~ ben sus receptores o interfieren sobre vías de segundos mensa~ jeros o de síntesis de proteínas. Cad~ vez más evidencia sugie· re que algunos de estos compuestos que alteran la respuesta endocrina influyen en forma adversa sobre el embrión en desarrollo e incluso que sus efectos se pueden transmitir hada las ge~ neraciones siguientes. Luego de describir los patrones básicos de la secreción de hormonas y el desarrollo de los gametos, estudiaremos los apa~ ratos reproductores masculino y femenino en forma detallada.

831

ISIÓN ¿Qué hace la aromatasa? 10. ¿Qué significan las siguientes abreviaturas: FSH, DHT,

SRY, lH, GnRH, AMH? 11. Mendone las hormonas del hipotálamo y el lóbulo anterior de la hipófisis que controlan la reproducción. Respuestas en la p. 860

REPRODUCCIÓI\I MASCUUIIIA El aparato reproductor masculino está compuesto por los testículos, los genitales internos (glándulas y conductos accesorios) y los genitales externos. Los genitales externos son el pene y el es· croto, una estructura sacular que contiene a los testículos. Por la uretza salen los espermatozoides y la orina, aunque no en .forma simultánea. Esta estructura transcurre por la región ventral del cuerpo del pene (Fig. 26-8 él) y está rodeada por una columna es~ pon¡osa de tejido llamada cuerpo esponjoso. Este cuezpo y las dos columnas de tefido denominadas cuerpos cavernosos constituyen el tejido eréctil del pene. I.a punta del pene se agranda formando una región llamada glande, que en el momento del nacimiento está cubierta por una capa de piel que se conoce como prepucio. En algunos grupos culturales el prepucio se extiipa quirúrgicamente en un procedimiento llamado circuncisión. En los Estados Unidos, esta prácti· ca atraviesa ddos de popularidad. Los defensores del procedimiento afirman que es necesario para mantener una higiene adecuada y citan evidencias que sugieren que la incidencia de cánter de pene, enfermedades de transmisión sexual e infecciones urinarias es menor en los hombres ctrcunddados. Los que se oponen al procedimiento afinnan que es cruel someter a los recién naci~ dos de sexo masculino a un procedimiento innecesario y tal vez doloroso. El escroto es una bolsa externa dentro de la cual ingresan los testículos durante el desarrollo fetal. Es imprescindible que estén fuera de la cavidad abdominal porque el desarrollo normal de los espermatozoides requiere una temperatw:a entre 2 y 3 ~e más baja que la corporal central. Cuando un hombre tiene un recuento de espermatozoides en el límite de Ja normalidad o bajo se le aconseja utilizar calzoncillos tipo boxer, que permiten que los tes~ ticulos estén más frescos, en lugar de los de tipo Slip", que mantienen la bolsa -escrotal más cerca del cuerpo. La falta de descenso de uno o ambos testículos se llama criptorquidia (crypto, oculto; orchis, testículo) y se presenta en ell al 3% de los recién nacidos varones. Sin tratamiento, casi del 80% de estos testículos desdende espontáneamente en un momento posterior. Los que permanecen en el abdomen hasta la pubertad quedan estériles y no producen espermatozoides. Aunque los testículos criptorquídicos pierden su potencial gametogénico, pueden producir andrógenOs, lo que indica que la producción de hormonas no _es sensible a la temperatura como Ia de espermatozoides. Como los testículos no descendidos son propensos a desarrollar cáncer, se recomienda llevados al escroto mediante tratamientos con testosterona o, en caso de ser necesario, mediante cirugía. 11

832

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

Reproducción masculina

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-ill FIGURA 26-8 Estructuras reproductoras masculinas Las glándulas y los conductos masculinos accesorios son la próstata, las vesículas seminales y las glándulas bulbouretral.es (de Cowper). Las glándulas Qulbouretrales y las vesículas seminales vierten ~ secreciones en la uretra a través de conductos. La próstata lo hace directamente en la luz de la uretra. La próstata es la más conocida de las tres glándulas accesorias debidO a su importancia médica. El cáncer de próstata es la segunda forma de cáncer más frecuente en los hombres (después del cáncer de pulmón) y la hipertrofia beñígna de la pr6stata (aumento de su tamaño) trae problemas a muchos hombres después de los 50 años..Com~ ia próstata. rodea comple~mente la uretra, el aumento de tamaño de la glándula ocasiona reducción del diámetro de la uretra y dificultad para orinar. · El desarrollo fetal de la próstata y de los genitales externos depende del control de la dihidrotestosterona. El descubrimiento del rol de .la DliT en el crecimiento de la próstata condujo al desmollo de la finasterida, un inhibidor de la Sa-reductasa que bloquea la producción de DHT. Este fármaco fue el primer tratamien· to no quirúrgico- para la hipertrofia benigna de la próstata. En la actualidad se realizan estudios para determinar si disminuir (sin suprimir completamente} las concentraciones de DIIT reduce la l.nctdéncia de cáncer de próstata.

1 ·"-

Los testículos producen espermatozoides y testosterona Los testículos humanos son dos estructuras ovoideas que mi· den alrededor de S an por 2,5 an (Fig. 26-9a m), El término testis

significa "testigo" en latín y su aplicación a la gónada masculina proviene del hecho de que, en Iá antigua Roma, los hombres que realizaban un juramento ponían una mano en sus genitales. Los testículos tienen una cápsula externa fibrosa y dura que encierra una masa enroll.?da de túbulos seminíferos agrupados en 250 a 300 ~ompartimentos (Fig. 26-9b). Entre los túbl!los hay tejido interstidal formado sobre todo por vasos sanguíneos y células de Leydig que producen testosterona (Flg. 26-9c), Los. túbu· los seminíferos constituyen casi el 80% de la masa testicular en un adulto. Cada túbulo tiene una longitud de entre 0,3 y 1 metro y, si se estiran todos los túbulos y se disponen en una hilera uni· dos por sus extremos, la masa ~mpleta se podóa extender a lo largo de dos campos y medio de fútbol americano. Los túbulos seminíferos salen de los testículos y se unen con el epidídimo (epi-, sobre; didymos, gemelo), un conducto que forma un cordón muy enrollado en la superficie de la cápsula testicular (Fig. 26-9b). El epldidimo se convierte en el conducto deferente (deferre, alejarse de). Este conducto ingresa en el abdomen, donde por último desemboca en la uretra, que es la vía final común que transcurre desde la vejiga hada el exteñor (véa· se Fig. 26-8). Túbulos seminiferos Cada túbulo seminífero contiene dos tipos de células: espennatogonias en varios estadios para la formación de espermatozoides y célulaS de Sertoli (Fig. 26-9c, d), Los espermatodtos en desarrollo forman columnas desde el borde externo del túbulo hacia la luz. Entre cada columna hay una sola célula de Sertoli que va del borde externo del túbulo hacia la luz. AJre.

lilfiG9RA26-9

833

$34

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

La infertilidad se Puiide deber a prob!emas_en _el hom_bre~O -la

mujer. En deños casos_ ambos_ miembros de_ la ¡:ia:réja _ti~~en· . problemas que cOi'ltribuyen suinfe~ilidad. _En j;¡é~é~!~_Ja_·in­ fertilídad masculina el_reSult<~do cie__re_cue~tOs bajO_s de_ :sper~ matozoide;, an_omalfaS en Já_ mo¡fologf~· de _Jos_ esp~rn_at?~-o·i~ des o alteraciones de las estitlcturas ~el apaia'~-~é~r?du~Oi' que transportan Jos espermatozoid~ _La_infertjli_d~? fe~e_nin·a puede deberse a problemas en las Vr_aS hormo~_ales qu:e di_rigeñ · !a maduración y!a liberación·de los óVUlos ~-a ~-~orn·alf~S en, l_~s estructuras del apar~to reproductor (cuello: uterino, óte~; ~ria~: rios, trompas uterinas). Como _la e~aluadón d~__ la fe_iiilidad ma_~~­ cu!ina más sena1Ja, el doctor éood_tn9ton an~u~ó pliF~rO _Jo~ espermatozoides de Larry. En esta prueba·, ~éCnicos en~~~nados evalúan una muestra de espermatozoides freséos 'en el mitro~ copio para describir su formá y sU motiHdad y cakulár la con· centradón de espermatozoides en 1? rriúestra.

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Reproducción masculina

REFERENCIAS

contiene enzimas.

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. @Efector

es

Pregunta 1; Mendone (en orden) fas estrUcturas del apaiato reprOdUctor que transportan los espennaiozoldes-desde loS testlculos -ha·· da el medio externo.

Pregunta2: Una técnica nuim para e_l tratamiento de la lnferlllidad mas~ culina consiste e~ la reáiperad6n-_i!e-eSPeimatozoii:iBs"del· epídldimo. Luégo, IQS iSperiniJ_tóioi~ei t(Koi(#dos se pUeden utilizar_pa~ fedJtÍdattiii 6;¡i¡_lo~·_Cfue_a·Contin_ua(jón se implanta en el útei'Ó~ ¿Qué caUsa~ de infertilidad mascUlina podrían requerir este f!atamftinfo? .-

.)>,

dedor del túbulq hay una lámina basal (Fig. 26-9d) que actúa como barrera para eVitar- el ingreso de ciertas moléculas grandes procedentes del líquido intersticial al tííbulo y que a la vez permi· ten que la testosterona pase fácilmente. Las células de Sertoli adyacentes que componen un túbulo ,. están conectadas entre sí por uniones estrechas que forman otra barrera entre la luz del túbulo y el líquido interstidal que circu· la fuera de él. Aveces .estas uniones estrechas se llaman barrera hematotesticular porque d.esde el punto de vista funcional se comportan de l;lna manera bastante similar a los capilares im· permeables de la barrera hematoencefálica, limitando el moví· miento de las moÍécu!as entre los dos compartimentos. La lámi· na basal y las uniones estrechas _crean tres compartimentos: la luz tubular, un compartimento basal sobre la cara basolateral de las células de Sertoli y el liquido interstidal. Gradas a la existenda de barreras entre estos compartimentos, el líquido luminal tiene una éomposidón diferente de la del líquido intersticial, con concentraciones bajas de glucosa y elevadas de K+ y hormonas esteroideas.

· ,

1 .

fll FIGURA 26·10

Estructura del espermatozoide

Producción de espermatozoides Las espermatogonias, o sea las células germinales que sufren divisiones meióticas para convertir· se en espermatozoides, forman cúmulos cerca de los exttemos basales de las células de Sertoli, poi dentro de la lámina basal de los túbulos seminíferos (Frg. 26-9c, d). En este compartimento basal, estas células desarrollan divísiOI!es mitóticas que producen nue· vas células germinales. ·Algunas espermatogonias permanecen cerca del extremo externo del túbulo para producir rtuevas espermatogonias en el futuro; otras realizan meiosis y se convierten en espermatodtos primarios. · Amedida que los espermatodtos se diferencian para transfor· marse en espermatozoides, se desplazan hada adentro en dirección a la luz tubular, siempre rodeados por células de Sertoli. Las uniones estrechas de la barreta hematotestícular se rompen y se vuelven a constituir alrededor de las células en migración para asegurar que la barrera permanezca indemiie. Antes de que los espermatodtos alcancen los extremos luminales de las células de Sertoli, se dividen dos veces y se transforman en espermátides. Las espermátides quedan incluidas en la membrana apical de las células de Sertoli, donde completan su transformación en espermatozoides, con la pérdida de la mayor parte de su citoplasma y el desarrollo de una cola flagelada (Fig: 26-10 il). Lá cromatina del núcleo se condensa formando una estructura densa, mientras que una vesícula semejante a un lisosoma llamada acrosoma se aplana para constituir un capuchón sobre la punta del núcleo. El acromosoma contiene enzlinas esenciales para la fecundadón. Las mitocondrías que producen energía para el movímlento de los espermatozoides se concentran en el segmento intermedio del cuerpo del espermatozoide, junto con los microtúbulos que se ex-

·m FIGURA 26-11 Control hormonal de la espermatogénesis tienden hada la cola (m p. 62). El resultado es un gameto pequeño y móvil que se parece bastante poco a la espermátide original. Los espermatozoides se liberan hada la luz del túbulo seminífero junto con líquido secretado. Apartir de allí quedan libres pa· ra abandonar el testículo. El proceso completo del desarrollo, o sea desde la división de la espermatogonia hasta la liberación de los espermatozoides, tarda alrededor de 64 días. En todo momento, diferentes regiones del túbulo contienen espennatodtos en di- · versos estadios del desarrollo. Este escalonamiento de los estadios del desarrollo pennite que la producdón de espermatozoides per· manezca casi constante a una velocidad de 200 millones de espermatozoides por día. Esto podría parecer una cantidad d~asiado elevada, pero representa aproximadamente el número de espermatozoides liberados en una sola eyaculación. Los espermatozoides recién liberados por las células de Sertoli todavía no están maduros y no pueden nadar. Otros espermatozoides los empujan fuera de la luz del túbulo y el flujo masivo del líquido secretado por las células deSerto~ contribuye a su despla~ zamiento. Los espermatozoides que Ingresan en el -Epididimo completan su maduración dutante los aproximadamente 12 días de su tránsito y esto se logra gradas a la contribución de las secredones proteicas procedentes de las células epididimarias. Células de Sertoli La función de las células de Sertoli es regular el d~ollo de los espermatozoides. Éstas también se ~onsíderan ci·

lulas de sostén porque proporcionan sostén o nutrición a las esper· matogonlas en desarrollo. Las células deSertoli sintetizan y secretan proteínas, desde las hormonas inhibina y activina hasta fac·

tares de crecimiento, enzimas y proteína ligadora de andróge.. nos (ABP). La ABP se secreta en la luz de los túbulos seminíferos, donde se une a la testosterona (Fig. 26-11 !!). La tplión con pro. teínas hace que la testosterona sea menos lipófila y la concentra en el líquido luminaL Células de Leydig Las células de Leydig se ubican en el tejido intersticial entre los túbulos seminíferos (Fig. 26-9c, d) y secretan testosterona. Estas células se activan al principio en el feto, cuan~ do se necesita testosterona para el desarrollo directo deJas características masailinas. Después del nacimiento, las células se inac~ tiVan hasta la pubertad, cuando se reanuda la producdón de testosterona. Las células de Leydig también convierten parte de la testosterona drculante en esttadiol.

La espermatogénesis requiere gonadotropinas

y testosterona El control hormonal de la espennatogénesis respeta el patrón general descrito con anterioridad: la GnRH hipotalámica estimula la secreción de !JI y FSH en el lóbulo anterior de la hipófisis (Fig. 26-11). Luego, la FSH y la LH estimulan a los testiculos. Las

Reproducdón femenina

Capítulo 26 Reproducdón y desarrollo

836

gonadotropinas recibieron sus nombres de los efectos que produ. cen sobre el ovario, pero conservaron los r¡ombres para sus ver· siones masculinas. La secreción de GnRH es pulsátil, con un pico cada 1,5 horas, y la secreción de LH sigue el mismo patrón. La concentración de FSH no sigue estrechamente los picos de secreción de GnRH por· que también está influida por la inhibiDa y la activina. La FSH actúa sólo sobre las células de Sertoli porque (a diferen. da de los ovodtos) las células germinales masculinas no tienen receptores para FSH. La FSH estimula a las células de Sertoli para que sinteticen moléculas paracrlnas necesarias para la mitosis de las espennatogonias y la espennatogénesis. Además, la FSH esti· mula la producción de la proteína ligadora de andrógenos y de inhibiDa. F.! sitio diana de la LH son las células de Leydig, que sintetizan testosterona. La testosterona ejerce una retroalimentación que in· hibe la secreción de LH. La testosterona es esencial para la esper· matogénesis, pero sus acciones parecen estar mediadas por las células de Sertoli. Los espermatocitos no tienen receptores de andrógenos y no pueden responder ·en forma directa a la testosterona, pero tienen receptores para la proteína ligadora de andrógenos. Las células de Sertoli producen proteína ligadora de andrógenos y tienen receptores para andrógenos. · La espermatogénesis es un proceso muy dificil de estudiar in vivo o in vitro y es posible que los modelos de animales disponibles reflejen con precisión lo que ocurre en el testículo humano. Por esto probablemente pase mucho tiempo hasta que podamos describir con exactitud la forma en que la testosterona y la FSH regulan la espermatogénesls.

~·~qiSIÓN

(~~fl. ¿Qué secretan las células de Sertoli? ¿Qué secretan !as ~ células de Leydig? 13. Si· los agonistas de la GnRH producen una regulación

por disminución de los receptores de GnRH, ¿cuáles serían las ventajas y las desventajas del empleo de er tos fármacos como arrticonceptivos masculinos? · Respuestas en la p. 860

Las glándula~· acces_orias masculinas aportan secreciones al semen

1

El aparato reproductor masculino tiene tres glándulas acceso.. las vesículas seminales y la prós· tata, cuya función principal es secretar una mezcla líquida. Cuan· do los espermatozoides salen del conducto deferente durante la eyaculación se unen a ~ secreciones en mezcla líquida llamada semen. Alrededor del 99% del volumen del semen está representado por liquido que proviene de las glándulas accesorias. El cuadro 2&3 Gi muestra cómo contribuyen las glándulas ac· cesorias en la composición del semen, que proporciona un medio líquido para el transporte de los ~permatozoldes y que incluye moco para proporcionar lubricación, amortiguadores para neu· tralizar el ambiente ácido de la vagina y nutrientes para el meta· bolismo de los espermatozoides. Las vesíCulas seminales aportan prostaglandihas (S p. 189), moléculas relacionadas ~on los lípi· dos que parecen influir en la motilidad y el transporte de los es. permatozoides tanto en el aparato reproductor masculino como ~: las glándulas bulbouretrales,

COMPONENTE

FUNQÓN

FUENTE

Espermatozoides

Gametos

TúbuiOi seminfferos

MO
Lubricante

Glándulas bulboure-ttal"

Agua

Proporciona un medio líquido

Todas las glándulas ac· cesarlas

Amortiguadores

Neutraliza el ambiente ácido de la vagina

Próstata, glándulas bulbouretrates

Nutrientes

Nutre a !os espermatozoides

Vesfcu!as seminales Próstata Vesfculas seminales Epidfdimo

Enzimas

Coag!fla el semen en la vagina, fuego l_kua el coágulo

Veslculas seminales y próstata

Cinc

Desconocida; posible asocil!dón con la fertíli·

Desconocid.a

fructosa

Ácidodtrico Vitamina e camitina

d•d

Prostaglandinas

Contracción del músculo Vesku!as seminales liso; puede contribuir al transporte de los esper· matozoides

culino se suele describir como un triángulo. invertido, con hombros anchos y cintuta y cadera estrechas. E! cuerpo femenino suele tener una forma más semejante a la de una pera, con caderas anchas y hombros estrechos. Los andrógenos son responsables de ciertos rasgos mascul!nos típicos como la barba y el crecimiento del vello corporal, el desarrollo muscular, el engrosamiento de las cuerdas vocales que produce voz más gruesa y Ios efectos sobre el comportamiento, como por ejemplo la pulsión sexual que llamamos libido." Los andrógenos .son honnonas anabólicas que estimulan la síntesis de proteínas, por cuya razón se suelen conocer como es· teroides anabólicos. El uso ilegal de estos agentes. en el ámbito deportivo se generalizó a pesar de' sus posibles efectos colaterales, como el desarrollo de tumores hepáticos e infertilidad. Uno de los efectos colaterales más interesante es la aparente adicción que producen los esteroides anabólicos. La abstinencia de estos fánna. cos se puede asodar con cambios conductuales como agresión excesiva {fUria de los esferoides), depresión o psicosis. &tos trastor· nos psiquiátricos sugieren que el funcionamiento del cerebro humano puede estar sujeto a la modulación de los esteroides sexuales, igual que en otros animales. Afortunadamente, muchos efec. tos colaterales de los esteroides anabólicos son revasíbles cuando se suspende su administración. ISIÓN 4. Explique la razón por la cual el uso de esteroides ana-

bólicos exógenos podrla reducir el tamaño de los test!· culos y producir infertilidad temporaria. Respuesta en !a p. 860

REPRODUCCIÓN FEMENINA en el femenino. En un principio se creía que las prostaglandinas procedían de la próstata, y su nombre ya estaba bien establecido cuando se descubrió su verdadero origen. Adep1ás de proporcionar un medio para los espermatozoides, las secreciones de las glándulas accesorias ayudan a pro~ger el aparato reproductor masculino de los patógenos que podrían ascender a través de la uretra desde el medio externo. Las secreciones llenan la uretra y le proporcionan inmunoglobulinas, lisozima y otros compuestos con propiedades antibacterianas. Un componente interesante del semen es el cinc. Aunque su función en la reproducción no es clara, las concentraciones de cinc por debajo de un nivel determinado se asocian con infertilidad masculina.

tos andrógenos influyen sobre los caracteres sexuales secundarios Los andrógenos ejercen varios efectos en el organismo aparte, de su función sobre la gametogénesis, sobre los caracteres sexuales primarios y secundarios. Los caracteres sexuales primarios son los órganos sexuales internos y los genitales externos que distinguen a los hombres de las mujeres. Como se vio, los andróge· nos son Jos responsables de la diferenciación de los genitales masculinos durante el desarrollo embrionario y de su crecimiento durante la pubertad. Los caracteres sexuales secundarios son otros rasgos que dis· tinguen a los hombres de las mujeres. La forma del cuetpo :mas.

La reproducción femenina es un tema más complicado que la masculina debido a la naturaleza áclica de la producción de gametos en el ovario.

El aparato reproductor femenino está formado por

los ovarios y el útero Los genitales externos femeninos reciben el nombre colectivo de vulva o partes pudendas (pudere, vergüenza) y se ilustran en. la figura 26-lZa 11!1, como los ve un profesional sanitario que está a punto de realizar un examen pélvico o tomar una muestra de Papanicolaou ( 11!!1 p. 51). De afuera bada adentro están los labios mayores, pliegues de piel que se originan d~ mismo tejido embrionario que el escroto. Dentro de los labios mayores se encuentran los labios menores, que derivan de los teJidos embrionarios que en el hombre Prigi· nan el cuerpo del pene (véase Fig. 26-3). El clítoris es un peque· ño botón de tejido sensitivo eréctil ubicado en el extremo anterior de la vulva y rodeado por los lab~os menores y por un pliegue adicional de tejido que equivale al prepu;cio penlano. . En las mujeres, la uretra desemboca en un punto entre el dí~ toris y la vagina (Vagina, vaina), la cavidad que actúa Como receptáculo del pene durante la cópula. En el momento del nactmien· to, el orificio externo de la vagina está cubierto parcialmente por un anillo delgado de tejido llamado himen. El himen es externo con respecto a la vaginíl y no se encuentra dentro de 'ella, por lo que ~ uso nonnal de tampones durante la menstruación no de-

337

be romperlo. Además, se puede estirar y romper cuando se reali·

zan actividades normales como la equitación y en consecuencia no es un indicador preciso de la virginidad de una mujer. Acontinuación seguiremos el caminO de los espermatozoides depositados en la vagina después del coito. Pru:a seguir por el aparato reproductor femenino, Jos espermatozoides deben atravesar el estredto orificio del cuello uterino, que es la estructura uteri· na que sobresale en la porción superior de la vagina (Fig. 2&12b, e). El canal cervical está tapizado por glándulas mucosas cuyas secreciones constituyen una barrera entre la vagina y el útero. Los espermatozoides que logran pasar a través del canal cervical llegan a la luz del útero o matriz, que es un órgano muscular un poco más pequeñ.o que el puño cerrado de una mujeL El útero es la estructura en la que se implantan los óvulos fecundados para desarrollarse durante el embarazo. Este órgano está compuesto por tres capas de tejido (Fig. 26.12f): una capa ex· tema delgada de tejido conectivo, una capa intermedia gruesa de músculo liso denominada miometrio y una capa interna llama· da endometrio (metm, matriz). El endometrio está compuesto por un epitelio con giándulas que se hunden en una capa de tejí· do conectivo que se halla debajo. El espesor y la naturaleza del endometrio varían durante el ciclo .menstrual. Las células de la capa epitelial proliferan y se desprenden alternativamente, y este d· do se relaciona con un sangrado de escasa magnitud que se llama menstruación (menstruus, mensual). Los espennatozoides que nadan hada arriba por el útero abandonan su cavidad a través de dos orificios que conducen a las dos trompas uterinas (Fig. 26-12c). Estas trompas míden entre 10 y 15 cm de longitud y tienen el diámetro aproximado de una pajilla. Sus paredes tienen dos capas de músculo liso, una longitudinal y una circular, similar a las paredes del intestino. El interior de las trompas está tapizado por un epitelio ciliado. El movimiento de líquido generado por los cilios ayudado por las contracdones musculares transporta el óvulo a ttavés de la trompa uterina en dirección al útero. Si los espermatozoides que ascienden por. la trompa encuentran un óvulo que desdende por ella, se puede producir la fecundación. Los trastornos asociados con disfunciones de los cilios generan infertilidad femenina y embarazos en los que los embriones se implantan en la trompa uterina en lugar de en el útero. F.! extremo de la trompa uterina abierto en forma de campana tiene proyecdones digitiformes llamadas fimbrias (fimbria, fran. ja). Estas estructuras (Fig. 26-lZc) se mantienen cerca del ovario mediante tejido conectivo, lo que pennlte asegurar que el óvulo liberado en la superfiáe del ovario se introduzca en la trompa en lugar de flotar- bada la cavidad abdom,inal.

El ovario produce óvulos y hormonas El ovario es una estructura ovalada que mide entre 2 y 4 cm de longitud (Fig. 26.12d) y tiene una capa externa de tejido conectivo y una red interna de tejido llamada estroma (estroma, "al· fombta o tapiz"). La mayor parte del ovario está formada por una corteza externa gruesa llena de folículos en varios estadios de desarrollo o involución. La pequeñ.a médula central contiene ner· vios y vasos sanguíneos. Al igual q]le el testículo, el ovario produce tantos gametos como hormonas. Como se vio, alrededor de 7 millones de ovogo-

1 .

.

Reproducción femenina 838

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo --.-~-~

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ESTRUCTURA DEL ÚTERO Y EL OVARIO

UMEN ANATÓMICO APARATO REPRODUCTOR FEMENINO

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Endometrio

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!S FIGURA 26-12 (continuadón)

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Miometrlo

Tejido conectivo

839

840

Reproducción femenina

Capítulo 26 Reproducdón y desarrollo

nías presentes en el ovario embrionario se convierten en medio millón de ovocitos primarios. Cada ovodto primario está encerra-

do en un folículo primario que tiene una sola capa·de células de la granulosa separadas, por una membrana basal, de la capa extema llamada teca (theke, caja o envoltura) (Fig. 26-lZe).

El ciclo menstrual dura alrededor de un mes Las mujeres producen gametos en forma áclica y mensu~ (pro. medio cada 28 dias; intervalo normal entre 24 y 35 días). Estos d· dos se suelen llamar ciclos menstruales porque comienzan con un periodo de entre 3 y 7 días en el que se produce el sangrado uterino llamado menstruación (menses, meses). EL ciclo menstrual se puede describir por los cambios que se producen en los folículos del ovario {ciclo Qvárlco) y en la capa endometrial del útero (ciclo uterino). En la figura 26-13 mse ilustra un ciclo menstrual típico. EL ciclo ovárico se divide en tres fases; 1. Fase folicular. La primera parte del ciclo ovárico, que se

denomina fase folicular, es el períOdo en el que se Produce el crecimiento de los folículos del ovario. Esta fase es más variable y dura -entre 10 días y 3 semanas. 2. Ovulación. Cuando uno o varios folículos maduran, el ovario libera el o los ovodtos durante la ovulación. 3. Fase lútea. La fase del ciclo ovárlco li::légo de la ovulación se denomina· fase lútea o lutcinica o posovúlatoria. El nombre proviene de la transformación del folículo roto en un cuerpo lúteo (luteus, amarillo), que lleva su nombre por su pigmentación amarillenta y sus depósitos de lipidos. El cuerpo lúteo secreta hormonas que continúan los preparativos en caso de que se produzca un embarazo. Si esto no sucede, el cuerpo lúteo deja de ser funcional después de alrededor de 2 semanas y el ciclo ovárico vuelve a comenzar. La capa endometrlal del útero atraviesa su propio ciclo, el d· do uterino, regulado por las hormonas ováricas; 1. Menstruación. El comienzo de la fase folicular en el ovario se asocia con el sangrado menstrual procedente del útero. 2. Fase prolifexativa. La última parte de la fase folicular del

ovario CQI!esponde ;t la fase piQliferativa del útero, duran· te la cual Se agreia una nueva capa de células al endometrlo como parte de los preparativos· para el embarazo. 3. Fase secretora. Después de la ovulación, las hormonas del cuerpo lúteo convierten el ~dometrio engrosado en una estructura secretora. Así, ti fasé lútea del ovario corresponde a la fase secretOra del ciclo uterino. Si no se produce embarazo, las caPas suPerficiales del endometrlo secretqr se pierden durante la menstruación y el ciclo uterino vuelve a comenzar.

El control hormonal del dclo menstrual es complejo Los ciclos ovárico·y uterino están- sujetos al control primario de varias hormonas:·

• GnRH del hipotálamo • FSH y r.H del lóbulo anterior de la hipófisis • Estrógeno, progesterona e inhibina del ovario

Durante la fase folicular, la hormona esteroidea predominan· te es el estrógeno (Fig. 26-13). En la fase lútea predomina la progresterona, pero todavía se puede detectar cierta concentración de estrógeno. A continuación se describirá el ciclo ovárico en fonna detallada. Fase folicular temprana El primer día de la menstruación es el ·primer día del ciclo. Se eligió este día para comenzar el ciclo porque el sangrado menstrual es un signo fisico fácil de detectar. Justo antes del comienzo de cada ciclo aumenta la secreción de gonadotropinas en el lóbulo anterior de la hipófisis. Bajo la influencia de la FSH, varios foliculos ováricos empiezan a madurar (cuadro 26-410). A medida que los folículos crecen, sus células granulosas (bajo la influencia de la FSH) y sus células de la teca (bajo la influencia de la LH) comienzan a sintetizar hormonas esteroideas. Las cé· lulas de la. teca sintetizan andrógenos que difunden hada las células granulosas aledañas, donde la aromatasa los convierte en estrógenos (Fig. 26-14a m). Las conCentraciones diculantes de estrógenos aumentan en forma gradual y ejercen varios efectos._Los estrógenos producen una retroalimentación negativa sobre la secreción hipofisaria de FSH y LH, lo que inhibe el desarrollo de más foliculos dmante el mismo ciclo. En fonna simultánea, los estrógenos estimulan la producción de más estrógenos en las células de la granulosa. Esta retroalimentación positiva pennite-que.los foliculos sigan.produ· ciendo estrógeno incluso aunque se reduzcan las conqmtraciones de ~SHy!.H. A medida que el tamaño de los folículos aumenta, las células. de la granulosa secretan líquido que se acumula en una cavidad central del folículo llamada antro (antron, cueva). El líquido antral (véase Fig. 26-12e) contiene hormonas y enzimas necesarias para la ovulación. En cada estadio del desarrollo algunos foliculos sufren lo que se llama atresia folicular (muerte celular regulada por honnonas). Sólo unos,pocos folículos llegan al estadio final y en general un solo folículo dominante se desarrolla hasta la ovulación. En el útero, la menstruación finaliza durante la fase folicular temprana. Bajo la influencia de los estrógenos pnx:edentes de los folículos en desarrollo, el endometrlo empieza a crecer o proliferar. Este período se caracteriza por un aumento del número de células y de la irrigación sanguínea que proporcionará nutrientes y oxígeno al endometrio cada vez más grueso. El estrógeno también estimula a las células mucosas del cuello uterino para que produzcan un moco acuoso transparente.

Fase folicular tardfa Cuando la fase folicular está por terminar, la secreción de estrógenos en el ovario alcanza ~ valor máximo (Fig. 26-13). En este momento del del o sólo un folículo se está desarrollando. Cuando la fase folicular finaliza, las célufas de la ca· pa gránulosa de este folículo dominante empiezan a secretar inhibina y progesterona además de estrógenos (Fig. 26-14b). Los estrógenos, que habían ejercido un efecto de retroalimentación negativa sobre la GnRH en un· momento más temprario de la fase folicular, comienzan a ejercer una retroalimentación positiva. Inmediatamente antes de la ovulación, las conceritractones persistentemente elevadas de estrógenos y los niveles de proges-

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olAs 11 FIGURA 26-13

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Cido menstrual

Este ciclo menstrual de 28 dfas se divide en fases de acuerdo con los eventos que se producen en el útero y el ovario.

2810

841

842

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

Reproducción femenina

843

Los contenidos del fo!fa.do se describen desde el centro, a partir del óvulo y hada afuera. La zona pe!údda (véase Fig. 26-16) es una cubierta gluco· proteica que protege al óvulo. ESTADIO

HUEVO

ZONA PELÚCIOA

CÉLULAS DE LA GRANULOSA

ANTRO

LÁMINA BASAL TECA

Folículo primario (antes de la estimu!ación con FSH)

Ovodto primario

Mfnima

Una sola capa

Ninguno

Separa la granu- Una sola capa con losa de la te
Folículo secundario (fase foliCular temprana)

Ovocito primario

Aumento de! espesor

Entre 2 y 6 capa5 de células

Ninguno

Presente

Fo!fculo terciario (fase folícu\artar· _ día)

Ovoctto primario, luego ovodto secundario con detendón de la división

Presente

Entre 3 y 4 capas de células

Se desarrolla dentro Presente de la capa granulosa y se !lena con Uqui· do; su diámetro aumenta harta alcanzar entre 15 y 20 mm

CuerpÓ lúteo (fase lútea)

Ninguno

~íuguna

Cuerpo albicans (fa. se poslútea)

Ninguno

Ninguna

Se convierten en células lutelnkas

Se llena con células

Las células degene-

Ninguno

""

terona en aumento potencian la capacidad de respuesta de la hipófisis a la GnRH. Como consecuencia, la secreción de LH aumenta en forma significativa y se produce un fenómeno llamado pico de LH. La FSH también alcanza un pico, pero más bajo, posi-

Los resultadoS ·d~J análisis de los espermatozoides de Larry fueron normales. El doctor Coádin!;Jtol'!· pudo descartar anoma!fas en los espermatozoides como _causa de rá infertilidad de Peggy y Larry. El doctor le indica a Péggy que regisye su temperatura corporal todos los dfas en una plani_Ua.·Este registro de la temper.atura tiene el objeti:vo· de determinar si se produce una ovulai:ión.-Después de la ovulación la temperatura corporal aumen. ta un pocl? y permariece el~vada i:lur'af!te el resto del ciclo menstrua!. Pregunta3: ¿Qué. causas de infertilidad femenina se· pueden determinar a través del registro de temperatura? ¿Qué causas no se pueden determina~-con este registro?

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f.J,i.

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oesaparece

Una sola capa

Capa interna: sectetora y vasos sangufneos pequeños · Capa externa: tejí: do conectivo, células musculares lisas, vasossanguf. neos grandes Se convierte en

células lutelnicas:

mig~torlas

Ninguna

Las células dege-

neran

blemente debido a que está sujeta a un bloqueo ejercido por la in· hibina y Jos esttógenos. El pico de LH es una parte esencial de la ovulactón. Sin él, los pasos finales de la maduración del ovodto no pueden ocurrir. Se reanuda la meiOSls en el folículo en desarrollo y se produce la primera división mclótica, qu~ convierte el ovodto primariO en un ovodto secundario (óvulo) y un cuerpo polar, que se expulsa (Flg. 26-5). Mientras sucede esta división, el líquido antral se acumula y el folículo crece hasta alcanzar su tamaño·máximo, prepaiándose para expulsar al óvulo. I.as concentraciones elevadas de estiógenos durante la fase folicular tardía preparan al útero para un posible embarazo. El en· dometrio crece hasta alcanzar un espesor final de entre 3 y 4 mm. Justo antes de la ovulación, las glándulas cervicales producen abundante cantidad de moco diluido y pegajoso que facilita el in· greso de los espermatozoides. El escenario está listo para que se produzca la ovulación. Ovulación Alrededor de 16 a 24 horas después del pico de LH se produce la ovulación. El folículo ·maduro secreta co!~genasa, que disuelve el colágeno en el tejido conectivo que mantiene unidas las células foliculares. Los productos de degradación del colágeno provocan una reacción inflamatória que atrae leucocitos, que a su vez secretan prostaglandinas en el folículo. Las prostaglandinas provocan una contracción de las células musculares lisas presen~ tes en la teca externa y esto genera la ru:_ptuta de la pared del folículo en su punto más débil. El líquido antral se expulsa jlUlto con el óvulo, que queda rodeado por dos o tres capas de células

REFERENCIAS -~

\,__)Estímulo

Centro integrador CE§

Vfa eferente

O

Respuesta de! tejido

0 FIGURA 26-14 Control hormonal del ddo menstrual

de la granulosa. El óvulo es introducido en la trompa uterina para su fecundación o su muerte. Además de estimular la ruptura del folículo, el pico de 111 hace que las células de la teca folicular migren hada el interior del espado anttal, donde se mezclan con las células que formaban la granulosa y rellenan la cavidad, Luego, ambos tipos de células se transfor· man en las células luteínlcas del cuerpo lúteo. Este proceso, que se denomina luteinízadón, comprende cambios bioquímicos y morfológicos. Las células luteínicas recién formadas acumulan gotas de lípidos y gránulos de glucógeno en su citoplasma y empiezan a secretar progesterona. La síntesis de estrógenos disminuye. Fase lútea temprana {lutefnica)_e intennedia Después de la ovuladón, el ctteipO lúteo produce cantidades cada vez mayores de prog~erona y estrógenos. La progesterona es la hormona pred.o-

minante duraó.te la fase lútea. Las concentraciones de estrógenos aumentan pero nunca alcanzan el valor máximo detectado antes de la ovuladón. La combinactón de los estrógenos y la progesterona ejerce una retroalimentación negativa sobre el hipotálamo y el lóbulo anterior de la hipófisis. La secrectón de gonadotropinas, bloqueada además por la p!Oducdón de inhibina en el cuerpo lúteo, permanece en niveles bajos durante la mayor parte de la fuse lútea (Fig. 26-14c). Bajo la influencia de la progesterona, ·el endometrio continúa con su preparadón para el embru:azo. Las glándulas'endometriaIes se enrollan y proliferan nuevos vasos sanguíneos en la capa de tejido conectivo. I.as células endometriales depositan lípidos y glucógeno en su citoplasma. Estos depósitos permiten nutrir al embrión en desarrollo mientras se forma la placenta, que es la conexión fetomatema.

M4

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

Procreación

Los estrógenos y los andrógenos influyen sobre/os

caracteres sexuales femeninos secundarios eh forma re9:ulat'. En _conseaie~da,_, el ~actor (oddlngton cre~_qu~·s_us,-ovarios _fun.-: ' donan norma!nÍente. Otras· causas posibles de la fnfertilidad ·i:l~ -., !ci pareja son anomaUas' ei-l_el· CtlE!IIO_-uteririO~ 'l_as.trórjl'¡;aS:úteri~~----· o el lÍtero de Peggy. El d~or <:oddington d_éCkÍió indicar:tjnapruebil posc9itaL En este estudio;'se le ilo!idtá a l
>· ·

Los estrógenos controlan el desarrollo de los caracteres sexuales primarios en las mujeres, de la misma. manera que los andró. genos controlan esos caracteres en los hombres. Los estrógenos. también regulan los rasgos sexuales femeninos secundarios más Importantes: el desarrollo de las mamas y el patrón de distribución de la grasa (en las caderas y la parte superior de los muslos). Sin embargo, otros caracteres sexuales femeninos secundarios dependen de los andrógenos producidos en la corteza suprarrenal El crecimiento del vello púbico y axilar y la libido (deseo sexual) dependen de los andrógenos suprarrenales. S IÓN

Pregun~4:

-:---------

. :.

¿Qué anomaffas en el cúéllo uterino~ las trompM úterlnaS·y el6tero }Íodrlan causar infertilidad?_

·s. Mencione las fases del ddo ovárico ylas fases correspondientes de! ciclo uterino. 16.¿Qué efectos colaterales podrlan experimentar las deportistas que reciben esteroides anabólicos para aumentar su masa muscular? 17. la aromatasa convierte la testosterona en estrógenos.

¿Qué le stJcedería al ciclo ovárico de una mujer que recibe un inhibidor de la aromatasa1 La progesterona también hace más espesor-al moco cervical. El moco más-espeso crea un tapón que bloquea el orificio cervical, lo que impide el ingreso de bacterias y espennatozoides en el útero. Un efecto interesante de la progesterona es su capacidad ter~ mógena. Durante la fase lútea de un ciclo ovulatorio, la temperatura basal registrada inmediatamente después del despertar y antes de salir de la cama aumenta entre 0,3 y 0,5 oc y permanece elevada hasta la menstruación. Como este cambio en el umbral de la temperatura se produce después de la ovulación, no es efi~ caz para predecir este evento. Sjn embargo, es un método simple para evaluar.si una mujer tiene ciclos ovulatorios o anovulatorias (sin ovulación).

Fase lútea tardía y menstruación El ruerpo lúteo tiene una vida intrinseca de alrededor de 12 días. Si no se produce el embarazo, el ruerpo lúteo sufre apoptosis espontánea ( mp. 81) y se convierte en una estruc:b.ira inactiva que se llama cuerpo albican.s (albus, blanco). Cuando las-células luteinicas degeneran, la producción de estrógenos y progesterona se reduce (Fig. 26-14d). Esta dísmi~ nución elimina la señal de retroalimentación negativa sobre la hi~ pófisis y el hipotálamo, y la secre_ctón_ de FSH y LH aumenta. El mantenimiento del ~ndometrio secretor depende de la presencia de progesterona. C:Uando el ruerpo lúteo degenera y la producción hormonal disiiÍinuye, lOS vRsos sanguíneos de la capa SU· perfidal del endometrio se cOntraen. Sin oxígeno ni nutrientes, las células superficiales mueren. Unos 2 días después de que el ruerpo lúteo deja de funcionar, o 14 días después de la ovulación, la capa superficial O.el endometrio se empieza a desprender y comienza la menstruación. La pérdida menstrual del útero es de unos 40 mL de sangre y 35 mL de líquido seroso y detritos celulares. En general hay pocos coágulos'en el flujo menstrual debido a la presenda de plasmina ( mp. 551), que los degrada. La menstruación continúa entre 3 y 7 días en la fase folkular del ciclo ovulatorio siguiente.

1

Respuestas en !a p. 860

PROCREACIÓN En todo el reino animal la reproducción está marcada por conduCtas espeóficas de cada especie diseñadas para asegurar unión del óvulo con el espermatozoide. En los animales acuáticos queliberan los gametos en el agua, lo más importante es la coordina· ción de los eventos. La interacción entre los machos y las hembras de estas especies se puede limitar a una comunicación quí~ mica mediada por feromonas. En los vertebrados terrestres, la fecundación interna requiere conductas interactivas y adaptaciones especializadas de los genitales. La hembra debe tener una estructura interna que réciba a los espermatozoides (la vagina) y el macho debe tener un órgano (el pene} capaz de colocar los espermatozoides en la estructura receptora. El pene humano es fláccido (blando y flexible) en su estado de reposo y no es capaz de penetrar la abertura estrecha de la vagina. Los procesos por medio de los cuales el pene se endurece y se agranda (erección) para poder liberar los espermatozoi~ des acumulados en los conductos del aparato reproductor {eyaculación) son los componentes fundamentales del acto sexual mas. culino. Sin estos eventos, la fecundación no se puede producir.

La respuesta sexual humana posee cuatJ:a fases El acto sexual humano, también llamado relación ~exual, cópula o coito (aritio, reunión), es muy variable en algunos sentidos y muy estereotipado en otros. La respuesta sexual humana en ambos sexos se divide en cuatro fases: 1) excitación, 2) meseta, 3) orgasmo y 4) resolución. Durante la fase de excitación, varios estímulos eróticos preparan los genitales para la cópula. En el hombre, la excitación implica la eÍ-ecdón del pene. En la mujer, involucra la erección del clítoris y · la lubricación de la vagina. En ambos sexos, la erección es un es-

tado de vasoCongestión durante el cual el flujo sanguíneo arterial que ingresa en el tejido eréctil esponjoso supera al flujo venoso que sale de él. La estimulación erótica incluye estímulos sexuales táctiles y psicológicos. Como los estímulos psicológicos son muy variables entre los individuos y las culturas, lo que resulta erótico para una persona o una cultura puede resulta_r desagradable para otras. Las regiones del cuerpo con receptores para los estímulos táctiles relacionados con la sexualidad se denominan zonas erógenas e in· cluyen los genitales, los labios, la lengua, los pezones y l9s lóbu~ los de las orejas. Durante la fase de meseta, los cambios-que se iniciaron en la excitación se intensifican y alcanzan un estado máximo ducinte el orgasmo (clímax). En ambos sexos el orgasmo consiste en una serie de contracciones musculares asociadas con sensaciones muy placenteras y un aumento de la presión arterial, la frecuencia car~ díaca y la frecuencia respiratoria. En las mujeres, el útero y las paredes de la vagina se contraen. En los hombres, las contracciones en general producen la eyaculación del-semen por el pene. No es necesario que haya un orgasmo femenino para que se produzca un embarazo. La fase final de la respuesta sexual es la resolución, que eS un periodo durante el cual los parámetros fisiológicos que se modifi. caron en las tres primeras fases se nonnalizan lentamente.

845

Tanto la erección como la eyaculación se pueden producir en ausencia de estímulos mecánicos. Tanto en los hombres como en las mujeres, los pensamientos, las imágenes, los sonidos, las emociones y los sueños relacionados con la sexualidad pueden iniciar la excitación sexual e incluso finalizar en un orgasmo. Además, durante el sueño de movimientos oculares rápidos se produce una erección peniana no sexuaL

La disfundón sexual afecta tanto a hombres como a mujeres

La incapacidad de lograr o mantener una erección peniana se denomina disfunción eréctil o impotenda. La disfunción eréctil es un tema de preocupación general porque la incapacidad de lograr y mantener una erección altera la relación sexual. Las causas orgánicas (fisiológicas y anatómicas) de la disfunción eréctil incluyen problemas neurológkos y hormonales, insuficiencia vas-cular y disfunciones inducidas por fármacos. Además hay muchas causas psicológicas que pueden contribuir a la aparición 9-e dis~ función eréctil. El alcohol inhibe el rendimiento sexual tanto en los hombres como en las mujeres, como lo señaló Shakespeare en Macbeth (Ac~ ton, lli). Cu;lndo MacDuffpregunta: u¿y qué tres cosas provoca el beber?", el portero le responde: "¡Ay, la virgen, señor! Nariz roja, sueño y orina. Lujuria, señor, la provoca y no la provoca: provoca el deseo, pero impide la función". Varios antidepresivos tieEl acto sexual masculino induye la erecdón nena la pérdida de la libido como efecto colateral. y la eyaculación La disfunción eréctil que aparece en los hombres de más de 40 Un elemento fundamental para que la cópula sea exitosa es la afios se considera un marcador de enfermedad cardiovascular y capacidad del hombre .para lograr y mantener la erección. La exciaterosclerosís y a veces es -el primer signo clínico de estas enfer. tación sexual desencadenada por estímulos táctiles o psicológicos medades. Las erecciones se producen ruando neurotransmisores activa el reflejo de erección, que es un reflejo espinal sujeto al conde los nervios pélvicos incrementan la producción endotelial de trol de centros encefálicos superiores. Los reflejos de micción y deóxido nítrico (NO), que a su vez aumenta la concentración de fecación son tipos de reflejos similares ( mpp. 635, 708). cGMP y ocasiona una vasodilatación de las arteriolas penianas. La En su forma más simple, el reflejo de erección comienza con esdisfunción endotelial y la incapacidad de producir una cantidad tímulos táctiles registiados por mecanorreceptores presentes en el adecuada de NO son caracterlsticas de la aterosderosis y la diabeglande del pene o en otras zonas erógenas (Fig. 26-15 m). Las neu- _ tes mellitus, por lo que la disfunción eréctil es una manifestación ronas sensitivas envían sefiales al centro integrador medular, que temprana de la· enfermedad vascular. inhibe la vasoconstricción simpática de las arteriolas peruanas: En En 1998, la U.S. Foodand Drug Administration (FDA, Adminisforma simultánea, el óxido nítrico producido por la estimulac;ión · tración Federal de Alimentos y Fármacos) aprobó el sildenafilo parasimpática dilata en forma activa las arteriolas del pene. A me(Viagra®) pára el tratamiento de la disfunción eréctil. El sildenafilo dida que la sangre arterial ingresa en los espacios abiertos del tejiy otros fánnacos similares de la misma clase prolongan los efectos do eréctil, produce una compresión pasiva de las venas, Io que dedel óxido nítrico al inhibír lafos(odiesterasa-tipo S (PDE-5), que es la termina la acumulación de sangre. El tejido eréctil se ingurgita y el enzima que degrada el cGMP. AlgunoS ensayos clínicos demostra· pene se endll!ece y agranda en 5 a 10 segundos. ron que los inhibidores de la fosfodiesterasa son muy efectivos pa~ El clímax del acto Sexual masculino coincide con la emisión y ra corregir la disfunción eréctil, pero 'tienen efectos colaterales. La la eyaculación. La emisión es el movimiento de los espermatozoi~ U.S. Federal Aviatlon Administration (Administración Federal de des fuera del conducto deferente hacia la uretra, donde se vierten Aviación de !os Estados Unidos) prohibió a los pilotos tomar sildesecreáones procedentes de las glánd'!las accesorias para formar el nafilo seis horas antes del vuelo porque el3% de los hombres que semen. ·El volumen promedio del semen~ 3 mL (entre 2 y 6 mL) lo reciben infonna alteraciones en la visión de los colores (o una y menos del lO% de este volumen corresponde a espermatozoides. bruma de color azul o verdosa). Este trastOrno se produce porque el Durante la eyaculación, el semen presente en la Uretra se ex~ s!ldenafilo también inhibe una enzima en la retina pulsa hacia el exterior a través de una serie de contracciones musCuando la FDA aprobó los inhibidores de la PDE-5 para la disculares rápidas asociadas con sensaciones de intenso placer que función eréctil masculina, las mujeres se preguntaron si el fármaconstituyen el orgasmo. Un esfínter en la base de la vejiga se conco, que estimula el reflejo de erección, podía mejorar su-respuestrae e impide que los espezmatozoides ingresen en la vejiga y la ta sexual. Aunque las mujeres experimentan una erección en el orina: se mezcle con el semen. clítoris, la respuesta sexual femenina es más compleja. Los estu.

1 .

' . i!l!!!!

Procreación

3%

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

MÉTODO

TASA riE EMBARAÍO CON USO NORMAL"

REFERENCIAS

Q

Sin antiooncepción

Estímulo

CJ Receptor Vla aferente

~

Centro integrador

~;~~-,­


Vía eferente

@')El-

o

Espermicidas

29%

Abstinencia durante los periodos de ma· yor fertilidad

25%

Diafragma, capuchón cervi~!!) esponja cervical · ·

16-32%t -

Píldoras anticonceptivas orales

Respuesta del tejido

- as%

8%

Dispositivos intrauterinos {D!U)

< 1% -

Implantes con anticonceptivos hormonales {Norplan~

< 1%

Condón mascu!i'no

15%

Condón femenino

21%

Esterilización

< 1%

*Las tasas reflejan los embarazos no deseados durante el primer aiÍo dé em; p1eo del método. tos datos provienm de WM_V.contraceptivefiJdmofogy;orgfta. ble.htmfi{A«eso 1416105). . . 'Las tasas más bajas pérteriecen a mujeres qUe no habfari tenido p;~rtOS.

m FIGURA 26-15 Reflejo de erección la erección se puede producir sin estimulo de centros encefálicos. Además puede recibir est!mulos (e inhibiciones) de v[as descenden-

••

tes de la corteia cerebral'.

dios sob~ la eficacia de los inhibidores de la PDE-5 para la disfun· ción orgásmica en_ las mujeres muestran resultados mixtos. No . obstante, .las compaíñas .farmacéuticas evalúan otros fármacos para la diSfunción sexual· femenina. ~ candidatos más promisorlos, que en la actualidad se analizan en ensayos clínicos avanzados, se basan en,testosterona, que es el andrógeno que produce la libido en ambo~ sexos.

1 "

Los anticonceptivos evitan el-embarazo Un problema de tener relaciones s~ales por placer y no para reprodUcirse es la posibilidad de que se produzca un embarazo no deseado. En promedio, el85% de las mujeres jóvenes.que tienen relaciones sexuales sin emplear alguna forma de control de la natalidad quedan embarazadas dentro del primer año. Muchas mujeres quedan embarazadas luego de uná única relación sexual

sin protección. Las parejas que desean evitar los embarazos no deseados suelen utilizar alguna forma de control de la natalidad.- o anticoncepción. Las prácticas anticonceptivas se pueden clasificar en varios grandes grupos.. La abstinencia, que consiste en evitar por com· pleto las relaciones sexuales, es el método más seguro para evitar el embarazO (y las enfermedades de tranSmisión· sexual). Algunas parejas practican la abstinencia sólo durante los períodos en los que la fertilidad es más probable. Los métodos intervendonistas de anticoncepción consisten en 1) métodos de barrera, que impiden la reunión de los óvulos con los espermatozoides, 2) métodos que impiden la implantación ·. del óvulo fertilizado y 3) tratamientos hormonales que reducen o inhibeilla producción de gametos. La eficacia de los anticonceptivos intervencionistas depende en parte de si se usan en forma constante y correcta (cuadro 26-5 !ID).

Métodos de barrera Los métodos anticonceptivos que se basan en barreras químicas o físicas se encuentran entre los más antiguos para el control de la natalidad. Cuando las personas asociaron el embarazo y el semen, idearon varios tipos de baneras .físicas y espermicidas (dda, asesino} para matar los espermatozoides. Un antiguo papiro egipcio con las primeras referencias conoddas sobre el control de la natalidad describe el uso de tapones vagina~ les compuestos por hojas, plumas, higos y- alumbre unidos por medio de estiércol de cocodrilo y elefante. También se emplearon esponjas de mar humedecidas en vinagre y discos de seda con aceite. Durante los siguientes siglos las mujeres utilizaron lavados vaginales con ajo, trementina y pétalos de rosa para limpiar Iá vagina después del coito. Como es de suponer, muchos de estos métodos también ocasionaban infecciones vaginales o uterinas. La versión moderna de los métodos de banera. femeninos es el diafragma, que se presentó en los Estados Unidos en 1916. Estas semiesferas de goma y su versión más pequeña llamada capuch6n cervícaf se suelen llenar con una crema espermicida y luego se introducen en la parte superior de la vagina para cubrir el cuello uterino. Una ventaja del diafragma es que no tiene hormonas. Cuando se emplea en forma apropiada y regular es muy efectivo (entre 97 y 99%). Sin embargo, no siempre se utiliza porque se debe introducir cerca del momento de la relación sexual y, en consecuenda, alrededor del 20% de las mujeres que dependen de este método para el control de la natalidad quedan embarazadas dentro del primer año. Otro método femenino de banera que se reintrodujo recientemente es la esponja anticonceptiva, que contiene tJn químico esperinicida.

8<87

El anticonceptivo de barrera masculino es el condón, que es un tubo cerrado colocado sobre el pene para retener el semen eyaculado. Los hombres han usado condones compuestos por vejigas de animales e intestino durante siglos. Los condones perdieron popularidad cuando la utilización de los anticonceptivos orales alcanzó amplia difusión durante las décadas de 1960 y 1970, pe· ro en los últimos años volvieron a atraer el interés porque combinan la protección contra el embarazo y contra muchas enfermedades de transmisión sexual. Sin embargo, los condones de látex pueden ocasionar reacdones alérgicas y hay evidencia que in~ca que el HIV puede atravesar los poros de algunos condones disprr nibles en la actualidad. En este momento se vende una versión femenina del condón que cubre completamente el cuello uterino y la vagina, por lo que brinda más protección contra las enfermedades de transmisión sexual. La esterilización es el método anticonceptivo más efectivo para las personas sexualmente activas, pero es un procedimiento quirúrgico que no se puede revertir con facilidad. La esterilización femenina se llama ligadura de trompas y consiste en la ligadura y la secdón de las trompas uterinas. Las mujeres que se someten a la ligadura de trompas ovulan, pero los óvulos permanecen en el abdomen. La forma masculina de esterilización es la vasectomía, en la que se secdona y se liga el conducto deferente. En estos individuos se producen espermatozoides en los túbulos seminíferos, pero como no pueden salir del aparato reproductor, se reabsorben. Prevención de la implantación Algunos métodos anticonceptivos no impiden la fecundación sino que evitan que el óvulo fecundado se implante en el endometrio. Dentro de este tipo están los dispositivos intrauterinos (DIU) y los productos químicos que modifican las propiedades del endometrio. Los DIU son dispositivos de plástico que se introducen en la cavidad uterina, donde producen una reacción inflamatoria leve que impide Ia.implantadón. Estos métodos tienen tasas de fracasos bajas (0,5% por añQ} pero tienen efectos colaterales que van desde dolor y sangrado hasta infertilidad producida por enfermedad inflamatoria pélvica y bloqueo de las trompas uterinas. Tratamientos hormonales Las técnicas que disminuyen la producción de gametos dependen de la alteración del entorno hormonal del organismo. En siglos pasados, las mujeres ingerían o bebían diversas combinaciones de plantas para evitar la concepdón. Algunas de estas sustancias funcionaban porque las plantas contenían compuestos semejantes a los estrógenos. La farmacología moderna mejoró este método y en la actualidad las mujeres pueden optar entre píldoras anticonceptivas orales, inyecciones que duran tres meses o cápsulas que se introducen bajo de la piel. Los anticonceptivos orales, que también se conocen como pl1doras anticonceptivas, se introdujeron en la década de 1960. Este método se basa en diversas combinaciones de estrógeno y progesterona que inhiben la secreción de gonadotropinas en la hipó· fisis. Sin la concentración adecuada de FSH y LH, se inhibe la ovulación. Además, las progesteronas que forman parte de las píldoras anticonceptivas aumentan la viscosidad del moco cervical con lo que Impiden la penetración de los espermatozoides. Estos métodos hormonales de anticoncepción son muy efectivos cuando

~

1~ ~.· ·

~

848

Capítulo 26 Reprodutdón y desarrollo Embarazo y parto

se emplean en forma correcta, pero también se asocian con algu· nos riesgos, como un aumento en la incidencia de Jormadón de coágulos sanguíneos y accidentes cerebrovasculares (sobre todo en las mujeres que fuman). El desarrollo de un anticonceptivo hormonal masculino es lento debido a sus efectos colaterales indeseables. Los anticonceptivos que inhiben la secreción o la acción de la testosterona también pueden reducir la libido masculina o incluso producir. impotencia. Ambos efectos colaterales son inaceptables para los hombres que podrían estar interesados en el uso del anticonceptivo. Algunos de los primeros anticonceptivos orales masculinos inhi· bían la producción de espermatozoides en forma irreversible, lo que también era inaceptable. Sin embargo, en la actualidad parece que una combinación de un progestágeno por vía oral para in· hibir la producción de e!¡permatozoides con testosterona por vía inyectable para mantener la libido seña un candidato promisorio como anticonceptivo hormonal masculino. Las vacunas anticonceptivas se basan en anticuerpos contra diversos componentes de los aparatos.rep[oductores mascuÍino y femenino, como anticuerpos antiespennatozoides o antióvulos. Estos anticonceptivos parecen durar bastante tiempo y ser reversibles y se pueden administrar por vfa inyectable. Algunas vacu-. nas anticonceptivas están en evaluación en ~ayos dfujcos.

La infertiUdad es la incapaddad de concebir Mientras que algUnas parejas ~tan de evitar el embarazo, otras gastan miles de dólares para tratar de lograr el embarazo con técnícas de reproducción asistida ('IRA). La in(ertllidad es la in· capacidad de una pareja para concebir un hijo después de un año de mantener relaciones sexuales sin protección. Durante años, las parejas infértiles no tUvieron otra opción que adoptar si deseaban tener un hij9, pero se han logrado grandes avances en este campo desde la década de 1970. Como consecuencia, en la actualidad muchas parejas infértiles pueden tener hijos. La infertilidad se puede deber a un problema en el hombre, en la mujer o en ambos. La infertilidad masculina por lo común obedece a un recuento bajo de espermatozoides o a una cantidad anormalmente .~evada tle. espermato{:Oides defectuosos. La infer. tilidad femenina· puede ser mecánica (bloqueo de las ttompas uterinas u otros problemas estructurales) u hormonal, que produce disminución o ausencia de la ovulación. Un problema que involl.lCia a ambos miembros de la pareja se observa cuando la mujer produce anticuerpos contra loS espermatozoides del hombre. Además, no todos los embarazos finalizan con éxito. Algunos cálculos indican que hasta una tercera parte de los embarazos termi~ na espontáneamente, muclnJ:s durante las primeras semanas, antes que la mujer-advierta que está embarazada. Algunos de los avances más notables se realizaron en el caro~ po de la fertilización in vitro, que consiste en la manipulación honnonal de los ovarios para que-liberen varios óvulos en forma simultánea, Los óVuÍOs se obtienen ¡ior vía quirútgica y se fertilizan fuera del cuexpo. Luego, los embriones en desan:ollo se introducen en el·útero, que se estimuló con terapia hormonal para poder mantener el embarazo. Debido a los costos y la natuialeza complicada del procedimiento, se suelen introdud:t varios embriones en el útero, por lo que se pueden producir nadmfentos

múltiples. La fertilización in vitro permite que algunas paiejas infértiles tengan hijos, con una tasa dé éxito.de alr~dedor de134% en los Estados Unidos en 2002.

849

l•l {b} Los espermatozoides capacitados libelan enzimas de

sus acrosomas para penetrar las células y la zona pelúcida que rodean al óvulo. Células de !a corona radiada

EMBARAZO Y PARTO

Primer

cuerpo polar

Ahora retomemos al óvulo recién expulsado del ovario y algunos espermatozoides depositados en la vagina para describir la fe.. omdadón, el embarazo y el parto, que es el proceso del nacimiento.

La fecundadón requiere capacitación Luego de la liberación del óvulo del folículo _roto, esta célula es llevada al interior de la trompa uterina gradas a la acción de d.lios. En fonna simultánea, los espermatozoides depositados en la vagina deben atravesar su proceso final de maduración, o sea la capadtación,. que los habillta para nadar con tapidez y fertilizar el óvulo. El proceso aparentemente involucra una reorganizadón de moléculas en la membrana externa de la cabeza del espermatozoide. En condiciones normales, la capacitación se produce en el aparato repiQductor femenino, lo que representa un problema pará la fertilización o fecundación in Vitro. Los espermatozoides que participan en este proceso deben ser capacitados -artificialmente inttodúdéndolos en solución .fisiológica suplem,entada con suero humano. Gran parte de lo que sabemos sobre la fecun~ da!,ión humana proviene de las investigaciones sobre infertilidad que intentan mejorar la tasa de éxito de la fertilización -m vitro. La fecundación de un óvulo por un espermatozoide es el resultado de un encuentro oportuno, posiblemente con la contrtbudón de atractores químicos producidos por el óvulo. Un óvulo sólo se puede fecundar entte 12 y 24 horas después de la ovulación. Los espermatozoides permanecen viables en el aparato _repro~o_r femenino entre cuatro y seis días. En condiciones normales, la fertilización se produce en la porción distal de la trompa uterina, De los millones de espennatoZOi~ desque ingresan luego de una eyaculación, sólo alrededor de 100 llegan a este punto. Para fecundar un óvulo, un espermatOzoide debe attavesar tanto una capa externa laxa de células de la granulosa (la corona radiada) como una cubierta glucoproteica protectora llamada zona pelúcida (Fig. 26-16 8). Para atravesar estas barreras, los espermatozoides capacitados liberan poderosas enzl. mas presentes en el acrosoma de sus cabezas en un proceso denominado reacción acrosómica. Las enzimas disuelven las uniones celulares y la zona pelúdda, lo cual permite que los espermatozoi· des se desplacen hada el óvulo. El primer espermatozoide que llega al óvulo encuentra de inmediato receptores fijadores de esper~ matozoides sobre la membrana del ovodto y fusiona su membra· na con la del óvulo (Fig. 26-17lil). La sección de mem~rana fusionada se abre y el núcleo del espennatozoide se introduce en el d· toplasma del óvulo. La fusión de las membranas del óvulo y el espermatozoide estimula la reanudación de la meiosis en el óvulo que completa su segunda división. La división meiótica final aea un segundo cuerpo polar, qu"e se expulsa En ese momento, los 23 cromosomas del espermatozoide se unen con los 23 cromosomas del óvulo y se crea el núcleo del cigoto con un juego completo de material genético.

fa FIGURA 26-16 Fertílizadón

La fotografía muestra la gran diferencia de tamaño entre el espermatozoide y el óvulo humano.

La fusión de las membranas del espennatozolde y el oodto impide la polispermia, en la que más de un espermatozoide fecunda . a tm único óvulo, mediante un proceso químico denominado reacción cortical. Los gránulos corticales unidos a la membrana en la porción periférica del citoplasma del óvulo liberan sus contenidos hada el exterior de su membrana. Estos compuestos químicos alteran rápidamente la membrana y la zona pelúcida aledatía para que los demás espermatozoides no puedan penetrarla ni unirse a ella. Luego de la fertilización del óvulo y su conversión en cigoto comienza la división mitótica y la lenta migración a ttavés de la

ttompa uterina hada el útero, donde se implantará por el testo de la gestación (gestare, llevar).

El embrión en desarrollo se implanta en el endometrio El embrión que se está dividiendo tarda entre cuatro y cinco dias para attavesar la trompa uterina y llegar a la cavidad uterina (Fig. 2&:1_81lf). Bajo la influencia de .la progesterona, el músculo Uso de la trompa se relaja y el transporte se produce a una veloct-

• 6?lJ

Núcleo del

Las membranas se fusionan.

pe~tozo¡

8 núcleo del espermatoroide ilgresa en elc!roplasma

de! óVUlo.

')~ ''""~""

·~

El núcleo del ovocitO completa !a división me!ótica. ·

los núcleos del óvulo yel espermatozoide se fusionan para formar el núcleo del cigoto.

·~

Óvulo

Cigoto espermatozoide

mFI~URA 26-17 Fusión del espermatozoide y el óvulo para formar un dgoto

"""'"'

cuerpo polar

1 .

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.

85b

Embarazo y parto

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

PregUntas:.

Especule sobre có~ó se pcldria tr.iiar esté p(Obtelííti de itrier~-

tilidad.

·

blástodsto,realiza este proceso, las células endometriales proliferan a su alrededor hasta que queda- englobado completamente. Amedida que continúa la divisiótl4el blastodsto y su trans.formación en embrión, las células que serán parte de la placenta forman vellosidades coriónicas digitiformes que penetran en el endometrio vascularizado. Las enzimas de las vellosidades destruyen las paredes de los vasos sanguíneos matemos hasta i¡_ue las vellosidades quedan rodeadas por lagos de sangre materna (Fig. 26-19b). La sangre del embrión y la de la madre no se mezclan, pero los nutrientes, los gases y los desechos se intercambian a tra~ vés de las membranas de las vellosidades. Muchas de estas sustancias se transportan por difusión simple, pero algunas de ellas, como los anticuerpos mat~os, se movilizan por otros tipos de transporte a través de la membrana: La placenta sigue creciendo durante el eJ;llbarazo basta que mide alrededor de 20 cm de diámetro (el tamaño de un plato de postre) cerca del momento del parto. La placenta redbe hasta el 10% del volumen minuto materno total. El enorme flujo sanguíneo que recibe la placenta es una de las razones por las cuales su desprendimiento an~rmal representa una emergencia médica.

dad muy baja. CUando el embrión en desarrollo llega al útero, es una esfera hueca formada por alrededor de 100 célUlas y se lo llama blastoctsto. Algunas de !as células del blastocisto que se encuentran en la capa externa se convertirán en el corioD., una membrana extraembrionaria que rodea al embrióll' y forma la placenta (Fig. 26-19a ~). La masa celular Interna del blastoctsto se convertirá en el embrión y en otras membranas extraembrionarias. Estas membranas · La placenta secreta hormonas durante el embarazo Mientras el blastodsto se implanta en la pared del útero y la incluyen el amnios, que secreta el líquido amniótiro en el que floplacenta se empieza a formar, el cuerpo lúteo se aprOxima al final ta el embrión, la alantoides, que forma parte del cordón umbilide su período de vida preprogramado de 12 días. Si el embrión en cal y conecta el embrión con la madre, y el saco vitelino, que dedes~ollo no envía una señal honnonal, el cuerpo lúteo se desingenera tempranamente en el desarrollo humano. tegrará, las concentraciones de estrógeno y progesterona dismiEn condiciones normales, la implantadón del blastoctsto en nuirán y el embrión se eliminará del organismo junto con las cala pared uterina se produce alrededor de 7 dias_ después de la fepas superficiales del endometrio durante la menstruación. La placundación. El blastocisto secreta enzimas que le permiten penecenta secreta varias hormonas que inhiben la menstruadón dutrar el endometrlo, igual a un parásito en su huésped. Mientras el

Dfas 4--5: el blastocisto l!ega al útero.

1 'QW¡~~n

mFIGURA 26--18 Ovufadón, fecundadon e Jmplantadón

{a} 8 embrión en desarrollo flota en elliqukfo amniótioo y obtiene el oxígeno y!os nutrientes de !a madre a través de la placenta y el oordón umbilical.

&51

{b) Algunos materiales se intercambian a través de las membranas place11tarias por difusión, pero otros mat~rialas deben ser transportados.

transporta !a sangre oxigenada hacia el embrión.

:y··

\ Vasos sangufneos matemos

SEMANA10

121 FIGURA 26-19 La placenta

rante el embarazo, como gonadotropina corióníca humana, lactógeno placentario humano, esttógenos y progesterona. Gonadotropina coriónica humana El ruerpo lúteo permanece activo durante la etapa inicial del embarazo gracias a la acción d~ la gonadotropina coriónica humana {hCG), una honnona peptidica secretada por las vellosidades coriónicas y la p~centa en desarrollo. La hCG está estructuralmente relacionada con la LH y se une a los receptores de LH. Bajo la influencia de la hCG, el cUerpo lúteo continúa produdendo progesterona para mantellei íntegro el endometrio. Pero para la séptima semana de desarrollo la placenta se hace cargo de la producción de progesterona y el cuerpo lúteo deja de ser necesario. En ese momento se produce su degeneración. La producción placentaria :máxima de gonadotropina corióníca humana se observa hada el tercer mes de desarrollo y luego disminuye. Una segunda función de la hCG es Ia estimulación de la producción de testosterona en los testículos en desarrollo de los fetos de sexo masculino. Como se vio al comienzo de este capítulo, la testosterona fetal y su metabolito DHT son esenciales para la expresión de las características masculinas y el descenso de los testículos en el esct9to antes del nacimiento. La gonadotropina corióníca humana es el compuesto quími. co detectado por las pruebas de embarazo. Como la hCG puede inducir la ovulación en los conejos, en el pasado se solía inyectar en una coneja la orina de una mujer que se creía estaba embarazada. ~uego se examinaban los ovarios de la coneja en busca de

signos de ovulación. Los resultados de esta prueba tardaban varios días. En la actualidad, gracias a las técnicas bioquímicas modernas, las mujeres pueden realizar sus propias pruebas de emba· razo en pocos minutos en sus hogares. Lactógeno placentario humano (hPL) Otra hormona peptídica producida por la placenta es el lactógeno placentario humano (hPL), también llamada samatamamatropina cori6nica humana {hCS). La estructuta de esta hormona está relacionada con las de la hormona de crecimiento y de la prolactina, y en un primer momento se creia que era necesaria para el desarrollo de las mamas durante el embarazo y la producción de leche (lactancia). Aun· que es probable que la hPL contribuya con la lactancia, las muje.. res que no sintetizan hPL durante el embarazo debido a un defecto genético también alcanzan un desarrollo mamario adecuado y su producción de leche· es nozmal. Una segundá función de la hPL es la modificación del meta· bolismo materno de la glucosa y los áddos grasos para mantener el crecimiento del feto. La glucosa materna se desplaza a través de las membranas placentarias por difusión facilitada e ingresa en la ctzculactón fetal. Alrededor del 4% de las mujeres desarrolla diabetes mellitus gestadanal, y el aumento de t3. glucemia se debe a resistencia a la insulina, similar a la de la diabetes tipo 2. Después del parto, en la mayoría de estas mujeres el metabolismo de la glucosa se normaliza, pero tanto las madres como sus bebés tienen mayor riesgo de desarrollar diabetes tipo 2 en un momento posterior. ·

852

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

mienzan las contracciones del ttabajo de parto, se establece un d· Estrógenos y progesterona Durante el embarazo, la producdón do de retroalimentación positiva compuesto por factores mecáni· de estrógenos y progesterona es continua, en primer lugar en el cuerpo lúteo bajo la influencta de la hCG y luego en la placenta.. cos y hormonales. Normalmente, el feto se encuentra con la ca. beza hada abajo {Fig. 26-20a llil). Al comienzo del trabajo de par· Las concentraciones cirollantes elevadas de estas hormonas esteto, el feto modifica su posición desplazándose más hada abajo en roideas mantienen inhibida la hipófisis por retroalimentación, lo el abdomen ("el bebé descendió] y empieza a empujar contra el, que impide que otro juego de folículos se desarrolle. cuello uterino que se vuelve más blando (Fig. 26-20b). La honnoDurante el embarazo, Jos estrógenos contribuyen a la producna peptídica relaxina, secretada por los ovarios y la placenta, pación de conductos mamarios secretores de leche. La progesterona rece contribuir con el ablandamiento ("borramiento") del cu_ello es esencial para mantener el endometrio y además ayuda a inhi· uterino y también a relajar los ligamentos que mantienen_unidos birlas contracciones uterinas. La placenta sintetiza varias hormolos huesos de la pelvis. nas, como inhibiDa, proi~ctina y prorrenina, pero la función de El estiramiento cervical desencadena contracciones que se la mayoría de ellas todaví~ no se conoce bien. desplazan en forma de ondas desde la parte superior del útero ha. da abajo y empujan al feto dentro de la pelvis. La porción_ infe. El embarazo termina en el momento del trabajo rlor del útero permanece relajada y el cuello uterino se estira y se de parto y el parto dilata. El estiramiento cervical comienza un ciclo de retroalimen· En condiciones normales el parto se produce entre las 38 y las tación positiva de contracciones crecientes (Flg. 26-21 m). Las 40 semanas de la gestación. ¿Qué dispara este proceso? Durante contracciones reciben el refuerzo de la seciedón de oxitodna promuchos años los investigadores diseñaron módelos animales pa· cedente del lóbulo posterior de la hipófisis {m p. 226) y el esti· ra determinar las señales que inicia~ -el parto, pero reCienteramiento cervical continuo mantiene la secreción de oxitodna. mente descubrieron que muchos de estos modelos no se aplican El útero produce prostaglandinas en respuesta a la secreción a los seres humanos. El parto comienza con el trabajo de parto, de CRH y oxitodna. Las prostaglandinas son muy efectivas para también llamado periodo de dilatación, que son contracciones disparar contracciones del músculo uterino en cualquíer momen· uterinas rítmicas que impulsan al feto hacia el exterior. Las seña· to. Son la causa principal de cólicos menstruales (dismenorrea) y les que ini~an estas contracciones podrían éoi:nenzar en la madre se emplean para inducir abortos durante los primeros estadios del o el feto o podrían ser una combinadón de señ.ales de ambos. embarazo. Durante el trabajo de parto y el parto, las prostaglanExcepto en los seres humanos, en muchos mamíferos, la dis· dinas refuerzan las contracctones uterinas inducidas por la oxitominudón de las coñcentradones de estrógenos y progesterona dna (F.g. 26-Zl). marca el comienzo del parto. La re4ucdón de la concentración de Amedida que las contracciones del trabajo de parto se inten~. progesterona parece lógica, ya que inhibe las contracdones uteri· . sifican, el feto desdende a través de la vagina hada el exterior nas. Sin embargo, en los mes humanos ias concentractones de es· (Fig. 26-20c), aunque todavía está unido a la placenta. Luego la tas honnonas no descienden hasta bastante después de que el tra· placenta se desprende de la pared uterina y se expulsa poco tiem· po después (Fig. 26-20d). Las contracciones uterinas pinzan y bajo de parto se ha estableddo. Otro factor que podría desencadenar el trabajo de parto es la comprimen los vasos sanguíneos matemos y ayudan a evitar una oxitodna, Una honnona peptldica que causa contracciones del hemorragia excesiva, aunque hay un sangrado materno que nor~ músculo uterino. Cuando el embarazo está cerca del término, la malmente es de unos 240 mL. cantidad de-receptores uterinos para oxitodna aumenta. No obs· tante, estudios demostraron que la secreción de oxitodpa no au· Las glándulas mamarias secretan leche durante · menta hasta después del inicio del trabajo de parto. A menudo se la ladanda emplea oxitocina sintética para inducir el trabajo de parto en mu· Un recién nacido pierde su fuente materna de nutrientes projeres embarazadas, pero no siempre eS tifectiva. Ap_arentemente el veniente de la placenta y comienza a depender de una fuente ex· comienzo del trabafo de parto requiere algo más que una cantiw tema de alimentos. Los primates, que normalmente sólo tienen dad adecuada de oxitodna. uno o dos descendientes por vez, tienen dos. glándulas mamarias Otra posibilidad para la inducción del trabajo de parto es que funcionales. Cada glándula mamaria está Compuesta por alredeel feto indique de alguna maneta -que su desarrollo está comple· dor de 20 lobulillos que secretan leche, cada uno fonnado por to. Una teoría respaldada· por evidencia clínica afirma que la se· conductos huecos ramificados de epitelio secretor rodeados de céñal que inicia el trabajo de parto seria una hormona liberadora de lulas míoepíteli41es contráctiles (Flg. 26-221lB). Es interesante sefta· corticotropina (CRH) secretada por la placenta. (La CRH también lar que el epitelio de la glándula mamarla está estrechamente rees un factor liberador del hipotálamo que controla la secreción de lacionado con el epitelio secretor de las glándulas sudoríparas, ACfH en el lóbulo anterior de la hipófisis.) Durante las semanas por lo que la secreción de leche y de sudor comparten algunas ca· previas al parto, las concentraciones de CRH en la sangre mater~ racteristicas. na aumentan rápidamente. Además, mujeres que a las 15 serna· Durante la pubertad, las mamas se empiezan a desarrollar ba· nas de edad gestadóftal muestran un .aumento de la concentra· jo-la influencia de los estróg~os. Los conductos galactóforos creción de CRH tienen más probabilidades .de presentar partos precen y se ramifican, y se deposita grasa detrás del tejido glandular. maturos. Durante el embarazo, las glándulas crecen más por estimuladón Aunque no se sabe con certeza el factor que inicia el parto, sí de los estrógenos, la honnona de crecimiento y el cortisol. El pa· se conoce la seruenda de eventos que lo constituyen. Cuando co.

1

Embarazo y parto

{a) Feto completamente desarrollado

853

El FIGURA 26--20 Parto: proceso del nadmiento (a) Cuando comienza el trabajo de parto, el feto suele estar ubi· cado dentro del útero con la cabeza hada abajo. (b) las con· tracciones uterinas rftmicas empujan la cabeza contra el cuello uterino y de esta manera lo estiran y Jo dilatan. {e) Cuando el cuello uterino alcanza dilatación y estiramiento completos, las contracciones uterinas impulsan el feto hacia el exterior a través de la vagina. (d) Poco después del nacimiento del feto, la pla· centa se desprende de Ja pared uterina y se expulsa.

so final en el desarrollo también requiere progesterona, que convierte el epitelio del conducto en una estructw:a secr~tora. Este proceso es similar al efecto de la progesterona en el útero, en el cual el endometrio se transforma en un tejido secretor durante la fase lútea (luteíni:ca). Si bien los estrógenos y la progesterona estimulan el desarrollo de las mamas, inhiben la secreción de leche. La prolactina del lóbulo anterior de la hipófisis estimula la pioducdón de leche ( ~ p. 230). Esta hormona hipofisaria difiere de las otras en que su secreción está controlada principalmente por la hormona in· hibidora de la prolactina (PIH) "del hipotálamo. Hay_ evidencia que sugiere que la Plli es de hecho dopamina, una neurohormo-na con un grupo amino relactonada con la adrenalina y la nora. drenalina(i!l p.274).

{e) Parto

Durante los últimos estadios del embarazo, la secreción de PIH desdende y las concentraciones de prolactina alcanzan valores más de 10 veces superiores a los hallados en mujeres no embara~ zadas. Antes del parto, cuando las concentraciones de estrógenos y progesterona también están elevadas, las glándulas mamarias sólo producen pequefias cantidades de una secreción poco espesa y con escasa concentración de grasa llamada calostro. Después del parto, cuando las concentraciones de estrógenos y progesterona desdenden, las glándulas producen grandes cantidades de una leche que contiene 4% de grasa y"una concentración importante

(d} Expulsión de la .

placenta (alumbramiento)

mFIGURA 26--21 Retroalimentaá6n positiva durante el parto El inicio de este ddo de retroalimentación requiere que el utero esté listo para responder a los estímulos. El ddo se detiene cuando nace el feto y el cuello uterino deja de estar estirado.

854

Crecimiento y envejecimiento

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

La pubertad señala el comienzo de la edad fértil

1•1 pectoral mayor

a,,._., ___ --!a trompa uterina d~ iinñediato ·a_ se p_Uede_:~errriitii slúf~r_r9!1o h~a· convertirse en _el'!l~ri~ri a~t_es ~e :c~fe<ar!_o en ~~--ú_t~ro._._. Otra técn_icá utHizada p_arúesolver.la_ infe_rtili~a_d ~_la ins?f!l¡~,..­ nadón intrauterin~. ~n este .procedin¡ie~_to;_ I()S~Perm~tozól~des se lavan pal
Pni~u~tai.· ~ _ _-·:-._,_,·-:··.:--·::-.: ---.-~:-,:~::-··-: i::-_::·__-_-; -.:_ -/__-::. _..__·.

De awerdo con los resultados dé la evaluadón de su Infertilidad,_ ¿qUé iríte_(Ven_dón~ _ó:i~ein1~ad~~ in~títerin;; t~, debe recomendar a Pe!iYY y__l.;iiiy? ¿Por: qu~? · · .

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!a tnhibk:ión

p0~t:'1t,j,l ~~;,}:[~~[~¡11!1~~¿~;

de las células productoras de pro!actina. la pared del conducto

de caldo. Las. proteínas presentes en el calostro y la leche incluyen inmunoglobulinas maternas secretadas en los conductos y absorbidas completamente por el epitelio intestinal del bebé ( ~ p. 695). Este proceso transfiere parte de la inmunidad materna al lactante durante las primeras semanas de vida. La sucdán, que es la estimuladón mecánica de la mama generada por el lactante durante el-amamantamiento, refuerza la inhibición de la PHI iniciada durante las últimas semanas del embarazo (Fig. 26-231lij. En ausencia de Plll, la secreción de prolac~ tina aument_a y se produce ledle. El embru:azo no es un requisito para lograr la lactancia y algurias mujeres que adoptan niños logran amamantarlos. La eyecdón de la leclte de las glándulas, denominada reflejo de bajada de la'-leche, requiere la seCreción de oxitodna por el lóbulo posterior de la hipófisis. Le En las mamas lactantes, la oxitodna estimula la contracción de las células mioepitelliÍles que rodean las glándulas mamarias. Esta contracción genera una presión elevada que envía leche a la boca del lactante. Aunque la secreción de prolactina reqUiere el estímulo mecánico de la succión, vatios estímulos cerebrales, incluso' pensar en el niño, pueden promover la liberación de oxito·dna.. Muchas madres que amamantan segregan leche cuando escuchan llorar a otro niño.

1

La prolactin~ ejerce otras fundones fisiológicas Aunque la prolactina se describió en el contexto de la lactan· da, todas las· mujeres que no amamantan y los hombres tienen

855

secretoras de leche mioepitafrales

L_:::cl:==:::!~----- Lobulillo de lci

glándula mamarla

mFIGURA 26-~ Glándulas mamarias las células epiteliales de las glándulas mamarias secretan leche

hada la luz de la glándula.

una secreción tónica de prolactina con un ciclo diurno y una concentración máxima durante el sueño. La prolactina está relacionada con la hormona de credmiento y cumple funciones en otros procesos asociados y no asociados con la reproducd.ón. Por ejemplo, la prolactina se sintetiza en el endome_trio uterino durante los ciclos menstruales nonnales. Los ratones de sexo mascu· lino con genes inactivados que carecen de prolactina b de un receptor para prolactina muestran una reducción de la fertilidad. Ciertas investigaciones interesantes establecieron una función de la prolactina en laneuroinmunomodulactón ( 1i1!l p. 800). Tan· to la prolactina como la hormona de crecimiento parecen necesarias para la düerenciación normal de los linfocitos T en el timo, lo que se confirma en las alteraciones de la función inmunitaria de animales con hipoprolactinemia. En cambio, varias enfermeda·

mFIGURA 26~23 Control hormonal de la seaeáón-y _la expul~ sión de la leche

des autoinmunitarias, como la esclerosis múltiple, el lupus eritematoso sistémico y la tiroiditis autoinmunitaña, se asocian con concentraciones elevadas de prolactina.

CRECIMIENTO Y ENVEJECIMIENTO La edad fértil comienza con los eventos prepuberales y finaliza cuando dísminuye la producción de hormonas en las gónadas. ,

En las niñas, el comienzo de la pubertad está marcado por el crecimiento de las mamas y el primer período menstrual, llama. do menarca, un momento de importancia ritual en muchas Culturas. En los Estados Unidos, la edad promedio en la que se pro· duce la menarca son los 12 años (el rango normal oscila entre los 8 y los 13 años). En los nifios, los signos de la pubertad son más sutiles y consisten en el crecimiento y la maduración de lós genitales externos, el desarrollo de las características séxuales secundarias como el vello púbico y el facial y el agravamiento de la voz, el cambio de la forma del citexpo y el aumento de la estatura. La pubertad masculina se produce entre los 9 y los 14 años. La pubertad requiere la maduración de la vía de control hipotálamo-hipofisaria. Antes de la pubertad, el nifio presenta con· centraciones bajas de honnonas esteroideas y gonadotropinas. Como en condiciones nonnales las concentraciones bajas de hormonas sexuales estimulan la secreción de gonadotropinas, la combinación de los niveles bajos de hormonas esteroideas y gonadótropinas indica que la hipófisis todavía no es sensible a las concentraciones sanguíneas de esteroides. Durante la pubertad se observa un aumento de la secreción pulsátil de GnRH en las neuronas hipotalámicas secretoras de esta hormona, que a su vez estimula un aumento de l;l secreción de gonadotropinas. La señal responsable del comienzo de la pubertad todavía no se conoce. Una teoría afirma que esta señal es la maduración de las neuronas hipotalámicas g_enéticamefite programada. Se sabe que la pubertad tiene una base genética porque se suelen observar patrones hereditarios de maduración. Por ejemplo, si en una mujer los períodos menstruales no comienzan hasta los 16 años, es probable que su hennana también experi· mente una menarca tardía. La hormona leptina ( ~ p. 717) también podría contribuir al comienzo de la pubertad. En las mujeres desnutridas con escaso tejido adiposo y concentraciones bajas de leptína, se suele producir una suspensión de los periodos menstruales (amenorrea) y los ratones con genes inactivados sin leptina son infértiles. Es probable que los avances en la nutrición durante el último siglo hayan aumentado los depósitos prepuberales de grasa y la secreción de leptina, lo que podría interactuar con otros factores para iniciar la pubertad.

La menopausia y la andropausia son el resultado del envejedmiento Hace varios siglos, en América muchas personas morían debido a enfermedades agudas durante su edad fértil. En la actualidad, la medicina moderna puede curar muchas de las erúermedades agudas y los seres humanos viven bastante más tiempo después del período en el que es probable que tengan hijos. El ciclo reproductor femenino se detiene completamente en una etapa denominada menopausia. La fisiología de la menopausia se ha estudiado extensamente. Después de alrededor de 40 años de ciclos menstruales, los períodos de una mujer se vuelven irregulares y luego desaparecen. La detención de los ciclos reproductores no se debe a la hipófisis sino a los ovarios, que ya no pueden responder a las gonadotropinas. En ausencia de retroali-

1 .

'

856

Resumen del capítulo

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

mentación negativa, las concentraciones de gonadotropinas aumentan signifiOitivamente en un esfuerzo por est!mular a los ovarios para que se produzca la maduración de más·folículos. La ausencia de estrógenos en las mujeres posmenopáusicas produce síntomas de gravedad variable, como sofocos { i! p. 743), atrofia de los genitales y las mamas y osteoporosis debido a la pérdida del calcio óseo ( ~ p. 770). La terapia de reposición hormonal (TRH) tradicional para las mujeres menopáUSicas consiste en estrógenos o una combinación de estrógenos y pro8:esterona. No obstante, el tratamiento es controvertido porque algunos estudios sugieren que los riesgos superan a los beneficios. Un tratamiento fannacológico más nuevo para la menopausia utiliza moduladores selectivos de los receptores de estr6genos (SERM). Estos fármacos se unen con varias afinidades a los dos subtipos de receptores d'e estrógeno y esto permite que simulen los efectos be-

neficiosos de los estrógenos sobre el hueso y simultáneamente se eviten las acciones adversas sobre las mamas y el ú,tero. En los hombres, la producción de testosterona disminuye con el paso de los años y alrededor de la mitad de los mayores de 50 años experimenta síntomas de andropausia. La existencia de una amiropausia fisiológica en los hombres todavia genera algunas controversias porque los síntomas físicos y psicológicos del envejecimiento masculino no se vinculan tan da.tamente con el descenso de la concentración de testosterona. Muchos hombres conservan su capaddad reproductiva cuando envejecen, y no es infrecuente observar hombres de 50 o 60 años que tienen hijos con mujeres más jóvenes. Las mujeres posmenopáusicas también conservan su capacidad pa· ra mantener relaciones sexuales, atmque sin posibilidad de reproducirse, y algunas informan que su vida sexual es IDAs satisfactoria al perder la poslbilidad de generar embarazos no deseados.

857

S. Espe<:ule sobre cómo se podrfa tra· tar la infertilidad secundaria a anti· cuerpos contra los espermatozoides presentes en el moco céJ'vkal.

los anticuerpos en el moco cervical reaccionan con el mat~rial antigénico del semen o de los espermatt;~zoides y provocan su inmovilidad.

Si se pudiera eliminar el material antigénico del semen, se podrla solucionar el problema de la inmovilización de los e~ permatozoides.· Una muestra de_ semen se puede lavar para e!iffiínar los Componentes que no son espeimatozOides. Si loS ·an· t!genos forilllin parte de los e"Speimcito-. zoides, este m~odo -no _sirve.

6. ¿Se debe recomendar TRA o inse-

La TRA se emplea cuando la ovulación es anormal. la i(lSeminadón intrauterina se utniza cuando la ovulación es normal.

La inseininación irítraut~ri~~--puedeser

minación intrauterina a Peggyy larry? ¿Por qué?

útil para i'esolver-l.os factOres c_tiivicáieS' ·~ dadO qUe_saltea el ruello Uterino. como·-.Peggy puede ovular, se podría ~omen- ·, dar !a_ irisen'Íinad~n iritiatiti!liná .-para ·_resol~er i!l p_roblemcl de su paÍ"eja; · ·

INFEIITILIDAD En este tema relacionado aprendió la forma·en que se diagnostica la causa de la infertilidad en una pareja t!pica. Para conOCer más detalles sobre infertilidad, pu~e leer la literatura de la ·· American Society for. Reproductive Medicine (Sociedad Estadouni·

dense de Medicina ReprOductiva) en www.asrm.org o Medline Plus (www.nlm~nih.gov/medfineplus) en temas de salud. Acontinuación evalúe su comprensión del·tema comparando Sus respuestas con la información provista en este resumen.

RESUMEN DEL CAPiTULO INTEGRACIÓN Y ANÁUSIS

.PREGUNTA

HECH9S

1. Mencione {en orden} las estructuras

las estructuras del a'parato reproductor

~-

del aparato reproductor que transportan los espermatozoides desde los testfcu!os hada el medio externo.

mascUlino son los testículos, las glándulas acc~Orias, una serie de conductos y !os genitales externos.

2. ¿Qué causas de infertilidad masculina pOdrían requerir la recuper.adón de espen:natozoides del epidfdimo?

El epid!dimo eS el primer éonducto al que ingresan los espe'rmatozoides cuando salen. de los.testfculos.

•1 1 ·{

3. ¿Qué caUsas de infertilidad fl):meriina La temper_atura corporal basal aumenta un se pué~e!n determi~ar, a ·través dei re:. poco luego de la OV~:~Iadón. Qistro de temperat(Jra1 ¿Qué causas nO se puedeil deteffilin·ilf.cori eSte re- .. gistro?

4. ¿Qué· anomalfas en el cúello uterino, las trqmp,as.uterinas y el útero podrfan causar infertilidad?

El cuello uterino;·Jas'trompas uterinas y el (rterq son las ,estructuras huecas por las que deben pasar. los 'espermatozoides.

los espermatozoides salen de los testículos ingresan en el epid!dinlo y luego en el conducto deferente, para salir del orga· nismo por fa uretra.

e

Si el piob!ema de infertilidad se debe a un bloqueo o un defecto congénito en e1 conducto deferente o la· urE!trá, la recupe:_ ración de espermatozOideS del epidfdimo podrfa ser útil. Si el problema es secundario a un recuento bajo de espermatozoides o a que su morfolog!a es anormal, es probable que esta téalica no sea útil. El registro de temperaturá es una forma útil de determinar si una mujer ovu!á, pero no puede confirmar la presenCia de problemas estructurales en el aparato ·reproductor femenino. ·Todo bloqueo de estos .órganos prOducido por una enfermectad o un defecto Cóngénito evitarla el desplazamiento de los esper· matozoides por su i'ecorrido normal y producirla infertilidad. los problemas hormonales podr!aii determinar un desarrOllo in-: completo del eridometrio, lo que a su vez impedirla la implantadón del embrión.

En este capítulo se ana.lizó la forma en que la raza humana se perpetúa a sí misma a través de la reproducdón. El aparnto reproductor tiene algu. nos de tos sistemas de control más complejos del organismo, en los que

muchas hormonas interactúan en una forma que se modifica Constantemente. La homerut!ISis del aparato reproductor del adulto es muy activa, en particular en el ciclo menstrual femenino, cuando Jos efeá¡Js de retroalimentad6n de Jos estrógénos se modifican de negativos a positivos para volver a ser negativos. Un ejemplo de retroalimentad6n positiva se observa en la secreción de oxltodna durante el trabajo de parto y el parto. Los testículos proporcionan un ejemplo adecuado de compattimentalizad6n, dado que la luz de los túbulos seminíferos, donde se desarrollan los esper· matozoldes, está aislada del resto del compartimento extracclu!ar.

Determinación del sexo 1. Los órganos sexuales son las gónadas, los genitales internos y los genitales externos. (p. 822) 2. Los testículos (en el hombre) produa!n espermatozoides. Lós ovarios (en la mujer) producen óvulos. Las céltúas embrionarias a partir de las cuales se desarrollan los gametos {óvulos y espermatozoides) se denominan células germinales. (p. 822) 3. Los seres humanos tienen 46 cromosomas. (p. 822; Fig. 26-1) 4. El sexo gen~tico de un individuo depende de los cromosomas sexua· les: los femeninos son XX y los masculinos son XY. En ausencia de un cromosoma Yel embrión se desarrolla como femenino. (p. 823; Fig. 26-2) 5. El gen SRY presente en el cromosoma Yproduce la proteína SRY, el (actar determinante del testículo que convierte la gónada bipotendal en testículo. En ausenda de proteína SRY, la gónada se transforma en ovario. (p. 825) 6. Las células de Sertoli testiculares secretan hormona antimilllerlana, que estimula la involudón de los conductos de Milller. Las células

de Leydig secretan testosterona, que convierte los conductos de Wolff en estructuras accesorias masculinas. La dihidrotestosterona estimula el desarrollo de la próstata y los genitales externos. (p. 825; Figs. 26-3, 26-4) 7. La ausencia de testosterona y AMH produce la conversión de los conductos de Müller en trompas uterinas (de Falopio), útero y vagina. En las mujeres, los conductos de Wolff involucionan. (p. 826; Flgs.. 26-3, 26-4)

Patrones básicos de la reproducdón 8. La gametogénesis comienza con las divisiones mitótlcas de las esper· matogonias y las ovogonias. El primer paso de la meiosis produa! espennatocitos primarios y ovodtos primarios, La primera división meiótica produce dos espennatodtos secundarios idénticos en los hombres o un gran ovodto secundario (óvulo) y un pequeño primer cuerpo polar en la mujer. (p. 827; Fíg. 26-5) 9. En los hombres, la segunda división melótica produce espennátides que maduran y se transforman en espermatozoides. En las mujeres, la segunda división meiótica no se produce sino después de la fecundación del óvulo. (p. 827; Flg. 26-5) 10. En ambos sexos, la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) controlá la secredón de la hormona foliculoestimulante (FSH) y la hormona Iuteinizante (LH) en el lóbulo anterior de la hipófisis. La FSH y las hormonas sexuales esteroldeas regulan la gametogénesis en las células gonadales productoras de gametos. La LH estiniula la sin· tesis de hormonas sexuales esteroideas. (p. 829; Fig. 26-7) 11. Las hormonas sexuales esteroideas son los andrógenos, los estrógenos y la progesterona. La aromatasa convierte los andrógenos en estrógenos. La inhibina bloquea la secreción de FSH y la activina estimula ·la secredón de FSH. (p. 829; Fig. 26-6) 12. En general, los esteroides gonadales Inhiben la secredón de GnRH,

858

Preguntas

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

FSH y LH. Sin embargo, si la concentración de estrógeno aumenta rá· pidamente por endina de un valor umbral durante por lo menos 36 horas, su retroalimeotactón pasa a ser positiva y estimula !a secreción de gonadotrop!na. (p. 829) •· 13. Después de la pubertad, una región del hipotálamo llamada generadora de pulsos secreta GnRH en fonna tónica en pequeños pulsos cada 1 a 3 horas. (p. 830)

Reproducdón masculina 14. El cuerpo esponjoso y los cuapos cavernosos constituyen el tejido eréctil del pene. El glande está cubierto por el prepucio. La uretra transcurre a lo largo del pene. (p. 833; Flg. 26-8) 15. tos testículos migran hada el escroto durante el desarrollo fetal La incapacidad de uno o ambos testículos para descender se denomina crlptorquidia. (p. 833) 16. Los testículos están compuestos por los túbulos semlniferos y tejido lnterstidal que contiene vasos sanguíneos y células de Leydig. Lós tú· bulos seminíferos se unen con el epidfdimo, que se transforma en el conducto deferente. El conducto deferente desemboca en la uretra. (p. 833; Flg. 26-9) 17. Un túbulo seminífero contiene espermatogonias, espermatodtos y células de Sertoll. Las uniones estrechas entre las células de Sertoli constituyen la barrera hematotesticular. (p. 833; Flg. 26-9) 18. !.as espermatogonias en el túbulo comienzan la melosls y se trnnsfor· man en espermatodtos primados, espermátides y por último espermatozoides luego de alrededor de 64 días. (p. 834; F!g. 26-9) 19. !.as células de Sertoli regulan el desarrollo de los espermatozoides y además producen inhlbina, activina, factores de·c:redmiento, enzimas y proteína llgadora de andrógenos. (p. 835; Flg. 26-11) 20. Las células de I.eydig producen el9S% de la testosterona en el hom· bre. El S% restante proviene de la corteza supxarrenal. {p. 835) 21. La FSH estimula a lás células de Sertoli para que produzcan proteína fljadera de andrógenos, inhlbina y moléculas paracrlnas. Las células de I.eydig sintetizan testosterona hajo !a influenCia de !a LH. (p. 83S; Flg. 26-11) 22. La próstata, "las vesículas ·seminales y las glándulas bulbouretrales secretan el componente líquido del semen. (p. 836) 23. Los caracteres sexuales primarios son los órganos sexuales internos y los genitales externos. Los caracteres sexuales secundarios son otras cualídades del cuerpo, conio su forma. (p. 836)

Reproducción femenina 24. Los genitales externos femeninos, llamados vulva o partes puden· das, están compuestos por los labios mayores, !os labios menores y el clftoris. El m~to uretral se encuentra entre el clítoriS y !a vagina. (p. 837; Flg. 26.12) 25. Las capas tisulares del útero son el tejido conectivo externo, el miometrio y el endometrio. {p. 837¡ Fíg. 26-12) 26. Las trompas uterinas están tapil3.das por epitelio ciliado. La mayor parte del ovario está compuesto por folículos. (p." 837; F¡g. 26-12) 27. Los óvuloS se producen durante 1os ciclos menstruales mensuales. {p. 837; Flg. 26-12) 28. En el ciclo ovárico, la fase foUcu1ar es el periodo durante el cual crecen los folículos. La oVUlación [a liberación de un óvulo de su folículo. Durante la fase lútea o lutclnica, el folículo róto se conVierte en un cuerpo.lúteo. (p. 837; Flg. 26-13) 29. La menstruación comienza el ciclo uterino. Luego se produce la fa. se prolife:rativa éon engrosamiento del endometrto. Después de la ovuladón, el endOmettio ingresa en la fase secretora. (p. 837; Fig. 26-

es

13)

30. Las células de la-~ulosa folicular s&retan estrógenos. cuando la fase folicular finaliza, se necesita tm pico de LH para que. maduren los ovocttos. (p. 841; Fig. 26-13) 31. El cuerpo tUteo secreta progesterona y algunos estrógenos, que ejer· cen un efecto de retroalimentación negativa sobre el eje 'del hlpotá· lamo y el lóbulo anterior de la hipófisis. (p. 843; Flg. 26-14)

~-

32. Los estrógenos y el andrógeno controlan los caracteres sexuales femeninos primarios y secundarlos. (p. 843)

PREGUNTAS

Procreadón

(Véanse las respuestas en el apéndice A)

33. El acto sexual humano se divide en cuatro fases: 1) exdtadón, 2) meseta, 3) orgasmo y 4) resoluCión. (p. 844) 34. El reflejo de erección es tm reflejo espinal que puede reCibir lnfiuen. ctas de centros encefálicos superiores. Los estímulos parasimpáticos mediados por el óxido nftrtco producen una vasodilatactón activa de. las arteriolas del pene. (p. 844; Fig. 26-1S) 3S. La emisión es el movimiento de los espermatozoides fuera del con· dueto deferente hada la uretra. La eyaculación es la expulsión del semen hacta el exterior. (p. 845) 36. Los métodos anticonceptivos son la abstinencia, los métodos de barrera, la prevención de la implantación y los tratamientos hormonales. {p. 846) 37. r..a-lnfertilidadse puede deber a un problema en el hombre, en la mujer o en ambos. La f&undación o fertllizadón in litro permite que al· gunas parejas lnfértlles tengan hijos. (p. 847)

Embarazo y parto 38. Los esperinatozoldes deben pasar por la capacitadón antes de poder fertilizar un óvulo. (p. 848) 39. En condiciones normales la fecundadón se produce en la trompa ute_tlna. Los espermatozoides capacitados liberan enzimas acrosómlcas Oa reacción acrosómica) para disolver los enlaces celulares y la zona pelúcida del óvulo. El primer espermatozoide que llega al óvulo lo fert:iliza (p. 848¡ Flgs. 26-16, 26-17) 40. La fusión de las membtanas del óvulo y el espermatozoide Inicia una reacción cortical que Impide la polispennia. (p. 848) 41.lU embrión en vías de desarrollo es un blastoclsto hueco cuando llega al útero. Una vez implantado, éste constituye las membranas coriónica, amniótica y alantoidea. (p. 849; Hgs. 26-18, 26-19a) 42. Las vellosidades coriónicas de la placenta están rodeadas por lagos de sangre materna donde se produce el intercambio de nutrientes, ga· ses y desechos entre la madre y el embrión. {p. 849; Flg. 26-19a} 43. El cuerpo lúteo pen:nanece actiw durante el estadio Inicial del embarazo gradas a !a gonadotropina coriónlca humana (hCG) produd· da por el embrión en vías de desarrollo. (p. 850) 44. La placenta secreta hCG, estrógenos, progesterona y lactógeito pla· centario humano. Esta últlnla hormona cumple una ftmdón en el metabolismo materno. (p. 850) 45. Durante el embarazo, los estrógenos contrilruyen al desarrollo de con· duetos secretores de leche en las mamas. La progesterona es esencial parn el mantenimiento del endometrlo y, junto con la relaxina, ayu· da a inhibir las contracciones uterinaS. (pp. SSO.SSl) 46. El parto normalmente se produce entre las 38 y las 40 semanas de !a gestaCión. Este proceso comienza con el trabajo de parto y finaliza con el parto del feto y el alumbtamiento o expulsión de la placenta. La retroalimentadón positiva de la secreción de oxitodna desencadena la contracción del músculo uterino. (p. 851; Figs. 26-20, 26-21) 47. Luego del parto, las glándulas mamarias producen leche bajo la in· fluenda de la pro!actina. La oxitodna estimula la expulsión de leche durante la lactancia a través de la contracdón de las células mioepl· teliales de la glándula mamarla. (p. 852; Flgs. 26-22, 26-23) 48. La prolactina cumple tm papel en la ftmdón inmunitarta en ambos sexos. {p. 8S3)

Crecimiento y envejecimiento 49. En las niñaS, la pubertad comienza con la menarca, que es el primer período menstrual, entre los &y Jos 13 años. En los niños la pubertad comienza entre los 9 y los 14 aftos. (p. 8S4) SO. La finalización de los ddos reproductores femeninos se denomina menopausia Algunos hombres experimentan síntomas de andropausia (p. 855)

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MIVEL 1: REVIS/Óflf DE HECHOS YJÉRMIMOS 1. RelaCione cada uno de los siguientes elementos con todos Jos térmi· nos que correspondan; a)XoY l. cromosomas diferentes b) cromosoma X inactivado de los sexuales <)XX 2. óvuló fs:undado · d)XY 3. espermatozoides u óvulos e)XXoXY 4. aomosomás sexuales f)autosomas S, células germinales 6, cromosomas masculinos 7. cromosomas femeninos 8. cuerpo o corpúsculo de Ban: 2. El cromosoma Y contiene una región para la determinación del sexo maso.ilino que se denomina gen _ _ _. 3. Enumere las fundones de las gónadas. ¿CUáles son las diferencias entre las ftmdones de los productos de las gónadas de Jos hombres y las mujeres? 4. Describa las vías anatómicas que recorre un espermatozoide recién fonnado y un ovodto ovulado hada el medio externo. Designe los nombtes de todas las estructuras que atraviesan los gametos en su· recorrido. S. Defina cada uno de los siguientes términos y describa su Importancia para la fisiología de la reproducdón: a) aromatasa d) primer cuerpo polar b) barrera he.matotesticular e) acrosoma e) protelna Ugadma de andrógenos 6. Decida si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y expli· que su respuesta: a) Toda la testosterona se produce en los testículos. b) Cada hormona sexual se produce en un solo sexo. e) La administración de esteroides anabólicos parece ser adlctiva y los sintomas de abstinencia Incluyen trastornos psicológicos. d) Las concentraciones elevadas de estrógenos que se detectan duran· te la fase folicular tardía ayudan a preparu _el útero para la m,enstruactón. e) La progesterona es la hormona predominante durante la fase lútea del ciclo ovárico. 7. ¿Qué es el semen? ¿CUáles son sus componentes principales y dónde se producen? 8. Enumere y dé ejemplos específicos de los diversos métodos anticon· ceptivos. ¿Cuál es el más efectivo? ¿Cuál es el menos efectivo?

MWEL 2: REVISIÓM DE CONCEPTOS 9. Mapas conceptuales: Mapee los siguientes grupos de términos. Puede agregar otros relacionados. Lista 1 Lista 2 hormona antimillleñana DHT cuerpo lúteo células de Leydig endometrto conductos de Milller folículo células de Sertoli células de la granulosa espermatozoide mioinetrto espermátides ówlo espermatocttos células de la teca espermatogonía SRY testosterona conductos de Wolff 10. Diagrnme el control hormonal de la gametogénesis en los hombres. 11. Dia,grame el ddo menstrual, con una distinción entre el cido ovárl·

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co y el ddo uterino. Induya en su esqu_ema todas las hormonas im· portantes. 12.. ¿Por qué los rasgos ligados al X se detectan con mayor frecuenda en los hombres que en las mujeres? 13. Defina y reladone los siguientes términos en cada grupo: a) gameto, dgoto, célula germinal, embrión, feto b) coito, erección, eyaculación, orgasmo, emisión, zonas erógenas e) capacitación, zona pclúctda, reacción acrosórnica, reacción corti· cal, gránulos corticales d) pubertad, menarca, menopausia, andropausia 14. Compare las acciones de cada una de las siguientes hormonas en los hombres y las mujeres: a) FSH d) GnRH g) estrógenos b) lnhibina e) LH h) testosterona e) activina f) DHT 1) progesterona 15. Compare y diferencie los eventos que suceden durante las cuatro fa. ses de la reladón sexual en los hombres y las mujeres. 16. Explique las funciones de las siguientes hormonas dutante el emhara· zo, el trahajo de parto y el parto y en el desap-ollo de las glándulas ma· marias y la lactancia: a) gonadotropina coriónica humana e) progesterona b) hormona lutelnizante f) relaxina e) lactógeno placentario humano g) prolactiha d) estrógeno

flf/VEL 3: RESOLUC/Óflf DE PROBLEMAS 17. El síndrome de Down es tm defecto cromosómlco que se caracteriza por una utrlsomía~ (tres copias en lugar de dos) del cromosoma 21. El cromosoma ad!donal suele provenir de la madre. Especule sobre cuál puede ser la causa de la l:ii!¡omía con los conodmlentos aprendidos sobre los eventos reladonados con la fecundadón. 18. Aveces el folículo no se rompe durante la ovuladón, induso aunque en apariencia haya atravesado todos los estadios del desarrollo. Esta alteradón conduce a la formaCión de quistes ováricos benignos y los folículos no rotos se pueden palpar como protuberancias sobre la superficie del ovario. Si los quistes persisten, Jos síntomas de la enfermedad se pueden asemejar a !os del embarazo, con atrasos menstruales e hipersensibilidad mamarla. Explique cómo aparecen estos síntomaS, usando diagramas si es necesario. 19. Un Individuo XY hereda una mutadón que produce receptores de an· drógeno completamente carentes de actividad. a) ¿El sexo genético de esta petso:na es femenino o masculino? b) ¿Tendrá este individuo 'ovarios functonantes, testículos funCionan· tes o gónadas desarrolladas en forma Incompleta o no funcionantes? e) ¿Tendrá este Individuo conduétos de Wolff o sus derivados, o con· duetos de Müller o sus derivados? d) ¿Será el aspecto externo de esta persona masculino o femenino? 20. Los bebés de madres con diabetes mellitus gestadonal tienden a presentar un peso elevado al nacer. Además presentan un riesgo más elevado de hlpogiucemia Inmediatamente después del parto. Utilice los conocimientos aprendidos sobre diabetes e Insulina para explicar estas_ dos observaCiones. Sugerencia: estos bebés tienen respuestas nor· males a la insulina.

flf/VEL 4: PROBLEMAS AMALIT/COS 21. El siguiente gráfico muestra _los resultados de un experimento en el que se administró testosterona a hombres normales durante varios meses (Indicado por la barra de color beige desde Ahasta E). Se midieron los valores de control de las hormonas antes de comenzar el experimento. Entre la instancia By la C, los hombres tiunblén recibieron FSH. Entre la instancia D y la E, también recibieron LH. En fun.

860

Capítulo 26 Reproducción y desarrollo

dón de la informactón proporcionada, responda !as siguientes preguntas. a) ¿Por qué la concentradón de testosterona aum~tó a partir del punto A? b) ¿Por qué las concentractones de LH y FSH disminuyeron a partir del punto A? e) Establezca lo que pasaría con la producctón de espermatozoides en el intervalo A-B, B-C y D-E.

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RESPUESTAS

e/ Respuestas a las preguntas de _revisión Página823 1. Gónada femenina: ovario; gameto femenino: óvulo. Gónada masculina: testículo; peto masculino: espemlatoroide. Página826 z. Los receptores principales de los andrógenos se encuentran en el d· toplasma o el núcleo de las células (liana La A.\ili tiene receptores en las membranas. Página826 3. ·El padre dona el cromosoma que determina el sexo del cigoto; en consecuencta, las esposas no tenían la culpa. 4. Un feto XO es femenino porqUe carece de cromosoma Y. S. La falta de A..\lli procedente de los testículos permite que los conductos de Müller se conviertan en útero y trompas uterinas. Los genitales externos son femeninos porque no hay DHT para el desarrollo de genitales masoilinos.

Página829 6. Los gametos de un recién nactdo de sexo masculino son espermatogonias; los game~os de un recién naddo de sexo femenino son ovoct· tos primados:. · 7. El primer cuerpo polar tiene el d
10, FSH "' hormona foliculoestimulante, DHT =dlhidrotestosterona, SRY =región determinante del sexo en el cromosoma Y, LH =hormona luteinizante, GnRH = hormona liberadota de gonadotropina, AMH "" hormona antimúlleriana. . . 11. La GnRH hipotalámica y la FSH y la Lfl del lóbulo anterior de la hipófisis controlan la reproducción. Página836 12. Las células de Sertoli secretan inhibina, activtna, proteina ligadora de andrógenos, enzimas y factores de crecimiento. Las células de Leydig secretan testosterona. 13. La ventaja es que los agoniStaS de la GnRH disminuyen las concentta· dones de FSH y I.H, por lo que los testírulos dejan de producir espermatozoides. La desventaja es que los testírulos también dejan de prodUcir testosterona, lo que ocasiona una reducción de la h'bldo: Página836 14. Los fsteroides anabólicos (andrógenos) exógenos inhiben la secreción de FSH y LH, lo que a su vez determina la reducctón del tamai'io de los testírulos y la suspensión de la producdón de espermatozoides. Páglna844 15. Cido ovárico: fase folicular, ovulación y fase lútea. La menstruación y la fase proliferativa del ciclo uterino corresponden a la fase folicular y la de ovulación; la fase uterina secretora corresponde a la fase lú-

t".

16. Las mujeres que reciben estero!des anabólicos pueden experimentar credmlento del vello lada! y corporal, agravamiento de la voz, auMento de la libido e irregularidades menstl'tlales. 17. Una mujer que recibe un inhibidor de la aromatasa experimentaría una dlsminudón de laprodl!Cdón de estrógenos.

l. La fisiología es el estudio del funcionamiento norinal de un organismo vivo y de sus partes. La anatomfa es el estudio de la estructura. 2. Véase la figuta 1·1. -

3. Véaseelcuadrol-1. 4. La fisiología integr\1 las funciones del cuerpo en todos los niveles de mganización, desde las células a los órganos, y enfatiza la función coordinada de los sistemas y aparatos. S. La homeostasiS es el mantenimiento de la estabilidad interna la temperatura corporal y el balance hfdrico son dos funciones que tienen un control homeostático. 6. cuatro temas principales de la fisiología son la homeostasis y los sistemas de control, las relaciones entre estructura y functón, la energía biológica y la comunicación.

NIVEL DOS: REVISIÓN DE CONCEPTOS 7. Creación de un mapa ronceptual: los mapas son muy individuales. La mejor maneta de evaluar su mapa es compararlO con uno realizado _por su compañero de clase, o pedirle a un profesor que lo anallce. 8. a} Los tejidos son grupos de células qu.e llevan a cabo funciones relacionadas. Los órganos.son grupos de tejidos que-forman unida· des estructuiales y funcionales. b) El eje x es la variable independiente y el eje y la dependleilte. e) La variable dependiente cambia ruando se maneja o altera la varlable independiente durante el experimento. d) El enfoque teleológico es un enfoque funcional, que apunta al "por qué~ de un sistema fisiológico. El enfoque mecanldsta trata los mecanísm.os fisiológicos (el aromo~ de un sistema Bs!o!óglco). e) El medio Interno del cuerpo humano es el líquido extracelular. _El medio externo es el mundo exterior. f) En un estudio ciego, los sujetos no saben qué ttatamiento están recibiendo. En un estudio doble dego, ni el su¡eto ni el Investiga· · dor saben cuálllatamiento es el control y cuálllatamientci es el agente activo. En un estudio con grupos cruzados, cada partid·_ pante actúa como rontrol y como sujeto de experimentación. 9. Las cavidades y luces que están en rontacto con el medio externo son la nasal y la oral, el oído externo, los _conductos lagrimales, los con· ductos del sistema tegumentaño o piel (glándulas sudoríparas, sebáceas y mamarlas), la uretra, el ano y la vagina. Las luces de órganos que no están en contacto con el entorno exterior son las del tubo digestivo (esófago, estómago, Intestinos delgado y grueso), los órganos digestivos accesorios (los conductos de las gl~ndulas salivales, del páncreas, del hígado y de la vesícula billar y la propia vesícula), los ór· ganos Uiinarios (túbulos renales y pelvis renal, uréteres), los órganos reproductivos {túbulos seminíferos, ep!dídimo, ronductos deferentes, conductos eyaculado$, la próstata, Jos conductos de las glándulas bulbourettales y de las vesículas seminal~), los órganos cardlovasculares (aurirulas y ventrículos del corazón, vasos sangufneos), los vasos linfáticos, los órganos respiratorios profundos (laringe, tráquea, bronquios, bronqtúolos, alvéolos), los conductos y ventrírulos del sistema nervioso central, las caVidades de los huesos y los orgánulos huecos. 10. Los sistemas endocrino y nervioso coordinan las fuodones de todos los sistemas y aparatos. La protección del organismo depende de la piel, los aparatos digestivo y catdiovascular y el slstema Inmunitario. El aparato respiratorio intercambia oxígeno y dióxido de aubono con

el medio externo. El digestivo absorbe lr,¡s nutrientes, y junto con el aparato urinario elimina los productos de desecho digestivos y metabólicos y el agua. El sistema tegumentario permite la salida de agua y solutos al entorno.

NIVEL TRES: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 11. a) qPor la gravedad~ es una respuesta mecanidsta incorrecta. b) qPitra llevar oxígeno y nutrientes a las células" es una respuesta te. leológica correcta. · e) ~Porque si no fluyese, mortriamosn es una respuesta teleológica conaeta. d) "Por la acctón propulsora del corazónn es una respuesta mecanidsta correcta. 12. Otros problemas que deben superar los animales terrestres son la necesidad de un medio acuoso pata la fecundadón (fecundación interna en los mamíferos; muchos otros animales terrestres vuelven al agua para prociear), la necesidad de un entorno acuoso para el desarrollo embrionario (los huevos en las aves, algunos reptiles y los Insectos), el desarrollo interno en los mamíferos, aJ~os reptiles e in· sectas, el soporte fislro (exoesqueleto en los Insectos, esqueleto Interno en los vertebrados).

NIVEL CUATRO: PROBLEMAS ANAL/riCOS 13. a) La variable independiente fue el tiempo (eje x), La dependiente fue la longitud del cuerpo (eje y). b) No hubo un grupo controL Un control habrla sido un grupo de peces similares tratados de Igual maneta pero alimentados ron una dieta con cantidades normales de vitamina D. e) El gráfico deberla tener el tiempo (en días) en el ejex, y la longitud del cuerpo en e1 eje y. Un gráfico de líneas seria el más apropiado para estos datos. d) El credmlento fue más lento entre los días Oy 3 (1 mm/3 días) y más rápido para los días 6 a 9 y 18 a 21 (en cada caso, 3: mm/3 dfas). 14. a) La variable independiente fue la concentración de la solución. La . variable dependiente, el cambio de volumen de las rodajas de

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b) El volumen antes de sumergir las rodajas es una linea de base, pero no hay un grupo control en el expertmento. e) Con estos datos podrían usarse un gráfico de barras o un gráfico de dlspérsión con una linea de ajuste. Un gráfico con una linea de ajuste le permitiría estimar el cambio de volumen a concenttadones intermedias de sal, romo pO! ejemplo a! S%. 15. a) Se ttata de un gráfico de dispersión. b) Los Investigadores se preguntaban si existe una relación entre la ctrcunferenda muscular del brazo y la capacidad aeróbica. e) Aparentemente no hay una relación entre la Ciocunferenda muscular del brazo y la capacidad aeróbica. 16. a) No hay una respuesta "conecta" para esta pregunta. Para ver los comentarios de los ctentíficos que evaluaron e1 estudio, léase comentarlos editoriales publicados en New England joumal o( Medicine 347(2):132-33 y 137-39, 2002, Julio 11. b) El grupo tratado ron el placebo pudo haber informado una reduc· dón del dolor porque los artidpantes creyeron que la cirugía los había ayudado (efecto placebo) o debido a las otras acciones (la . anestesia y la incisión, los analgésicos, la terapia física). e) El estudio es aplicable sólo a una población limitada: vetetanos de

Apéndice A

A-2

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión ~el final de los capítulos

A·3

Respuestas a las preguntas de revisión del fina! de los capítulos

sexo masculino, menores de 76 años, predominantemente blancos, con artrosiS o enfermedad degeneratiVa de las articulaciones. d) Se trató de un estudio ciego o con enmascaram.!en.to. e) Los investigadores trataron de detenninar si la mejoría posoperatoria podía atribuirSe a un efecto placebo.

CAPÍTULO 2 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. 'fies de los principales elementos esenciales del cuerpo humano son el carbono, el hidrógeno y el oxigeno. 2. Los átomos se unen para formar moléculas. 3. a) protón, b) neutrón, e) electrón. 4. El número de protones determina el número atómico. s. Caldo, carbono, oxígeno, sodio, nitróg'eno, potasio, hidrógeno y fósforo. · 6. Los isótopos tienen el mismo número de protones y electrones pero dl· fieren en el número de neummes. 7. Los Isótopos inestables emiten radiad6n. La medidna nuclear utiliza la radiación para el diagnóstico y natamiento_ de enfermedades. _ 8. Los electrones pareados son estables. Los átomos con electrones no pareados tienen mayor probabilidad de! ganar o perder electrones. 9. Cuando un átomo de un elemento gana o pierde uno o más electrones se lo denomina ión. 10. a) 2, b) 4, e) 1, d) 3 11. Los compuestos no polares tienen una distribución uniforme de sus electron~, mientras que los compuestos polrues tienen los electrones distrtbuidos de manera no uniforme. Los compuestos polares .se di· suelven más fácilmente en agua y se los denomina hidróffios. 12. El pH indica la con~tradón de W. Las soluciones ácidas tienen un pH Inferior a 7, las. soludones básicas o alcalinas tienen un pH superiora 7. 13. Los ammtiguadores de pH contribuyen a evitar cambios de pH. 14. Los cuatro tipos de biomol&ulas son las proteínas (oolágeno, quera· tina, hemoglobina), los hidratos de carbono (glucosa, sacarosa, fruc· tosa), los lipldos (colesterol, fosfolípidos) y los ácidos nudeicos (ATP, DNA. RNA). 15. a) 4, b) 5, e) 6, d) 1, e) 3 16. Las lipoprotdnas son proteínas más componentes grasos. Lls gluaJproteínas son proteínas más hidratos de carbono. 17.a)l, b)S, c)4, d)2, e)3 18.a)3, b)l, c)S, d)2, e)4,6 19. Un nudeótido está oompuesto por uno o más grupos fosfatos, un azú. carde cinco carbonos y un anillo de carbono-nitrógeno llamado base. 20. Toda. molécula que_ se une a otra molécula se. denomina ligando. 21. a)4, b)3, c)"2 · 22. Un cq{adliT es un ión o un grupo funcion3l orgánico pequeño que debe estar presente para el functonamiento de una enzima. 23. CUando una proteína pierde su configuración, se-dice que está desna· · turalizada,

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 24. Los mapas conceptuales son diferentes. La figura Z.l es un buen pun· to de partida para realizar el esquema de la Lista l. Compare su esquema con el de sus compafieros de clase, o coteje con su inStrUctor que no existan errores u omisiones. 25. a) El Na tiene 11 electrones. b) La caiga eléctrlca neta de un átomo de sodio es cero. e) El Na tiene 12 n~trones. (d) Si el átomo pierde un electrón, se lo denomina Ión, más específi· camente catión. e) Ellón 4e Na tiene una carga de +1. t) Na+ • g) Si el Na pierde un protón se convierte en un átomo de neón. h) Ne

33. Los nucleótldos contierten todos los elementos enumerados. Los hi· dratos de carbono puros tendrían una relación C:H:O de 1:2:1. Las grasas tendrían fundamentalmente carbono e hidrógeno pero poco oxígeno. Las proteínas no tendrían fósforo y tendrían menOs nitrógeno en relación con el carbono. Las bases nitrogenadas tienen mayor proporción de N que los aminoácidos, los grupos fosfato de los nudeótidos son fundamentalmente oxígalo y fósforo, 34. De acuerdo con la ecuación, el dióxido de catbcno se combina con el agua para producir H• yHCO:;" (ión bicarbonato). Un aumento en los H+ implica una disminución del pH y la sangre se vuelve más ácida. Todo ión cargado negativamente (anión) que atrae al H•y se une a él tiene el potencial de actuar como amortiguador de pH. 35. La masa atómica será la miSma, mientras que el número atómico au· mentará a 54. El á.tomo resultante es el xenón.

bio de material entre la célula y su medio, 3) actuar coíno punto de tiansferenctit de Información entre la célula·y otras células y 4) propoicionar sostén estructural. 2. El mtJdelo del mosaicQ fluido tiene una bicapa de {osfolípidos con proteí· nas incrustadas e hidratos de catbono en la superficie extracelular. 3. La membrana celular está conformada huidamentalmente por fosfolípidos y proteínas. 4. Las inclusiones son partículas de mateñal. inSoluble en el citosol, comolos gránulos de glucógeno, los mamen tos proteicos y Jos rilmomas. Los orgánulos membranosos, como las mitocondrias y el complejo de Golgl, están separados del citosol por una o rilás membranas fosfolipídicas. S. El citoesqueleto es un andamiaje de actina trtdimeitsional mpdificable y flexfule, mlaofilamentos, mamentos intermedios y miaotúbu· Jos. El cttoesqueleto 1) proporctop.a reslstenda mecánica, 2) estabiliza. la posición de los orgánulos y de las proteínas de membrana, 3) transporta material al interior de la álula y a través del dtoplasma, 4) une las células entre sí y sostiene el material fuera de la célula y'5) es responsable de varios tipos de moVimiento. 6. a)2 b)3 c)l d)4 7. a)3 b)S c)4 d)l e)2 8. Las enzimas lisosomales se activan en condiciones sumamente ácidas. 9. Las gtándulas exocrinas producen secreáOileS serosas a!UOsas y seuedanes mucosas más pegajosas. 10. Las glándulas endocrinas secretan hormonas. 11. Los cuatro tejidos principales son el tejido conectivo (como los tendones que unen Jos músculos a los huesos), los tejidos epiteliales {como el epitello protector de la piel), el tejido nervioso (como el cerebro) y el tejido muscular (como el corazón y los músculoS esi}ueléticos). 12. El órgano más grande del cuerpo es la piel. 13. a)l b)l c)4 d)3 e)4 t)4 g)4 h)1 i) 1 14. Las gl&ndulas exocrinas de la piellnduyen las glándulas sudoríparas que secretan sudor acuoso, las glándulas apoainas que liberan secreciones lechosas o serosas y las glá.ndulas sebáceas que secretan una mezcla de Iípldos. lS. La matriz de la mitocondria es el compartimento interno del orgánu!o. La matriz de los tejidos es material no celular presente fuera de las células.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAÚTICOS

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS

36. a) C6H120 6(glucosa), PM·, 180. b)CO¡.PM=44 e) H20, PM = 18 d) C1H70 2N (alanina), PM =89 e) C5H100 5 (una_ pentosa), PM = lSO 37. Solución 0,9%"' 0,9 gf100 mL. Se pesan 9 g de NaCI y se colocan en 1 frasco de un litro, se disuelve en cantidad de agua suficiente para producir 1 L de solución. · 38. a) 1M= 6,02 x 10U molérulas de NaCI. b) Una solución 1M contiene 1 000 milimoles. e) 1M contiene un equivalente de Na+. d) 58,S giL:: S,85 gflOO mL =solución 5, 8S%. 39. S% glucosa"' 5 g/100 mL o 10 gen 200 mL de solución. Molatidad: S gflOO mL =SO g/1 x 1 mol/180 g = 0,278 moles/L (278 mM). Qulnlen~ mililitros de glucosa al5% tendrá 25 g glucosa x 1 mol/180 g = 139 mllimoles "de glucosa en SOO mL. 40. La mloglobina tiene mayor afinida.d por el oxígeno que la hemoglobina porque a menores concentraciones de-oxígeno, más mioglobina tiene oxigen.o unido a ella.

16. Mapa conceptual: compare su mapa conceptual con las figuras 3-11, 3-12,3-13 y 3-14. 17. Los tres tipos de uniones celulares son las uniones adherentes, las uniones estrechas y las uniones en hendidura o comunicantes..Son todas similares en tanto unen las células entre sí y tienen proteínas conectadas a la membrana celular. Las uniones adherentes están diseñadas para permitir la torsión y el estitamlento de los tejidos en los que están presentes. Las uniones estrechas están diseñadas para eVitar el paso de materiales entre las células quoa unen. Las uniones comuni· cantes están diseñadas para permitir el.paso dcl material desde el ci· toplasma de una célula al citoplasma de otra célula con la cual está conectada. · 18. Las células pancreáticas que producen insulina contienen más retícu· lo endoplasmático rugoso (RER); las proteínas son producidas por los ribosomas unidos a las membranas del RER. Las hormonas estero!· deas, como el cortisol, son líp!dos y son producidas por el retículo en,· doplasmático liso (REL), que carece de Ilbosomas. 19. Las ves!culas son burbujas o esferas formadas a partir de membranas fosfollpidlcas similares a la membrana celular. Muchas vesículas se forman cuando se estrangulan los extremoS del complejo de Golgl. Los llsosomas y los peroxtsomas con enzimas permanecen en el citoplasma, mientras los contenidos del las vesírulas seaetoras son liberados fuera de la célula. 20. Fl epitelio estratificado tiene varias capas celulares que ofrecen mayor protección que la única capa celular del epitelio simple. 21. Véase la figura 3·25. Las uniones estrechas evitan el paso de material

26: [H+]"" lQ-3-M ""pH 3; ádda. [H+J·=- 10·19 M"' pH JO; básica. 27. El ATP tiene energía utilizable en un enlace de alta energía. El DNA almacena información genHica en las cilulas. El RNA traduce la información genética del DNA a p~teínas~ El cAMP asiste en la transferencia de señales desde el exterior al interior de la célula. 28. La estructura primaria es la secuencia -de aminoácidos en una cadena peplídica. La estructura secundarla pliega dicha cadena en una a hé· lice o en una hoja plegada. ~- La estructura terciaria es la forma trldi· menslonal final de la proteína (globular o fibrosa). La est~ctura cuaternaria es la combinación de dos o más subunldades proteicas para formar una molécula de mayor tamaño. 29. El DNA contiene las bases adenlna, guanina, citos!na y timina, El fu'iA reempfaza la timina por el uracilo. El DNA tiene el azúcar desoxirribosa y el RNA tiene el azúcar rlbosa. El DNA es una molécula de doble hélice con dos cadenas de bases unidas en una o:. hélice. El RNA es una moléoJla monoca.tenarla. 30. Las purinaS (adenlna y guanina) son más grandes y están formadas por dos anillos de carbono, mientras que las pirimidlnas son más pe· queñas y sólo tienen un anillo de carbono. 31. Las isOformas son proteínas relacionadas estructuralmente"cuyas funciones son similares pero cuyas afinidades por los llgandos son diferentes. 32.a)4,5 b)3 c)2,1

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

CAPITULO 3 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Las cuatro funciones de las membranas celulares son:

1) actuar como barrera entre la célula y el medio extracelular, 2) regular el intercam·

entre las células; las uniones permeables permiten el paso de material entre las cilulas. 22. La glucosa Ingresa al liquido intracelultlf de la célula intestinal, luego desde la célula pasa al liquido intersticial primero y luego al plasmd. 23. Eí colesterol disminuye la permeabilidad de la membrana al agua_ al llenar el espacio entre las colas interiorés de los fosfolipldos. 24. El hueso es tejido conectivo rígido debido a la caldficación; el cartílago es un tejido firme pero elástico. Los huesos constituyen la estructura primarla de sostén del cuerpo; el cartílago forma las orejas, la nariz, la laringe y la oolumna y contrtbuye a mantener unidos los huesos en las articulaciones. 25. a) La luz es el hueco interior de un órgano o tubo. La pared es la ca· pa de células que forman el órgano o el tubú. b) El citoplasma es todo lo que se encuentra en el interior de la mem· brana celular excepto el núcleo; el dtosot es el líquido intracelular semigelatinoso que contiene nutrientes disueltos, iones y-material de

'""""·

e) La miosina es un ffiamento proteico motor presente en el citoplasma. La queratina es un filamento proteico estructural producido en el tejido conectivo por los queratinocttos.. 26. Éste es un ejemplo de apoptosis ya que es una parte natural del desarrollo. 27. a) uniones celulares: 1 (flujo a través de uniones comunicantes), 2 (fu· slón de proteínas de uniones estrechas), ·4 (resistencia de desmoso-

""'i

b} membrana celular: 1 (receptores de membrana), 2 (enzimas de membrana), 3 (la blcapa fosfolipídlca forma una barrera), 4 {flui· dez), S (transportadores de proteínas de membrana dependientes de ATP) e) cttoesqueleto: 2 (los microtúbulos dirigen el movimiento de los cromosomas), 4 {resistencia), S (ATP requerido para la interacción actina-mlosina)

d) Orgánulos: 2 (el mRNA se une a los rlbosomas), 3 (orgánulos uni· dos a la membrana), S (procesos dependientes de ATP como la síntesis proteica) e) cilios:: 2 (miaotúbu!os y dineina), 4 (resistencia y flexibilidad), S {movimiento dependiente de ATP) 28. Si bien la matriz extracelular puede ser rígida, es una estructura diná· mica. Las proteínas que componen la matriz pueden desensamblarse y reeosamblarse según sea necesario para permitir que los tejidos modifiquen su forma y tamaño. ·

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 29. Los cilios de las vías respiratorias remueven constantemente el mo· co y las partículas atrapadas fuera de los pulmones bada la farin· ge, donde pueden ser tragadas sin provocar daño. Cuando los cilios no se mueven, las partículas inhaladas y los patógenos tienen ma· yor probabilidad de llegar a los delicados pulmones. Las posibles consecuencias incluyen Infecctones, lnflamadón por presencia de material ltritante, cáncer y mayor esfuerzo para resplrnr por la acumulación de moco. La tos del fumador es necesaria para remover el moco que hublera sido barrido por los cillos si pudieran moverse. 30. Las células epiteliales tienen una de las mayores tasa de mitosis del todas las célúlas del cuerpo, ya que muchas se encuentran en sitios vulnerables y deben ser reemplazadas con frecuencia. Por ejemplo, la capa epitelial que recubre el estómago está expuesta frecuente· mente a ácidos y a enzimas que matan las células luego de varios días. Los tejidos cuyas células experimentan mitosis con más frecuencia tienen mayor probabilidad de padecer una división celular anómala. · 31. La metaloproteinasas de la matriz son enzimas secretadas por cé!u· las cancerosas que disuelven la matriz extracelular y permiten asf que las células cancerosas abandonen el tumor original y se disper· sen hada otros tejidos. El bloqueo de estas enzimas puede evitar la metástasis de las células cancerosas del órgano originarlo y evitar que interfieran con la fisiología normal de otros órganos.

A-4

Apéndice A

CAPÍTULO 4 NIVEL 1 REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINQS 1. Las tres formas básicas de trabajo son el trabajo de transporte (movi· miento de sustancias a través de las membranas celulares); el trabajo

2.

3. 4. S. 6.

7. 8.

Apéndice A

Respuestas a !as preguntas de revisión del final de los capftu!os

qtúmico (producción de proteínas parn las estructuras celulares) y el trabajo mecl.nico (contracción muscular). La energía potencial -es energía almacenada, como la energía que se mantiene en los enlaces qtúmicos o en los gradientes de concentra· ción. La energía cinética es la energía del movimiento, como-la de la contracción muscular. La primera ley dice que existe una cantidad de energía fija en el uni· vetSO. La segunda ley establece que, sin el aporte de energía, un sistemase tornará progresivamente menos organizado u ordenado. El metabolismo es la suma de todos Jos procesos químicos en la célula. El agua y el COz son los. reactantess o sustratos. La velocidad a la cual se forman los productos se denomina veloddad de rea«Wn. Las enzimas son proteínas que aceleran las reacciones químicas me· diante la disminud6n de su energia de activación. l.d) 2.a) 3.f) 4.c) El sufijo que se agrega a la mayoría de los nombres de las enzimas es

.....

9. Las moléculas orgánicas que deben estar presentes para que una enzl· ma funcione se denominan roenzlmas. Muchas coenzimas requieren vitmninas de la dieta para su síntesis. 10. Se dice que las moléculas que ganan electrones se reducen; las molécu· las que pierden electrones se oxidan. 11. La remoción de agua se llama deshidratad6n; la utlllzación de agua para degradar polímeros se nama hidrólisis. 12. La eliminación de un grupo amino es una desaminad6n; la transferen· da de un grupo amino a otra molécula es una transaminad6n. Los aminoácidos que se eliminan se degradan en urea y ácido úrico. 13. Las reacciones catab61icas liberan energía; las reacciones anab6licos sintetizan blomoléculas grandes. La energía metabólica se mide en ki· !ocalorías. 14. La acumuladón de los productos finales del metabolismo puede producir inhibid6n por retroalimentad6n. 15. FJ transporte de W hacia la membrana mitocondr)al interna crea un gradiente de concentrad6n que almacena energí3c- Cuando los iones se desplazan a través de la membrana, la energía liberada es retenida en el enlace de alta energía del ATP. 16. Las dos moléculas transportadoras que entregan electrones al sistema transportador de electrones son NADH y FADHz. 17. Lá degrad:¡.ción de lípldos se denomina líp6/isis. Los ácidos grasos se degradan a través de la betaoxidadón. Luego, la acetil CoA"formada a partir de \os llpidos puede Jngresar en el ciclo del ácido átrico. 18. Los hidratos AEi carbono y las proteínas tienen 4 kllocalorias por gra· m_o, la grasa ti!me 9. 19. El retíaxlo endoplasmático rugoso es el principal orgánulo involucra· do en la síntesis de lípidos.

NIVEL 2 REVISIÓN DE CONCEPTOS 20. Parn el milpa conceptuaÚ, utilícese la figura 4-13 como punto de partida. Empléense las figuras 4-25 y 4-26 para facilitar la construcción del mapa conceptual 2. 21. La energía potencial almacena_da en los enlaces químicos puede utili· zarse pata realizar trabajo, puede transferirse a otra molécula _o puede ser liberada como calor al medloambiente. 22. 1. b) 2. a) 3. b) 4. a) S. e) 6. e) 23. Resulta mejor almacenar enzimas bajo su forma inactiva, de manera tal que no puedan. &ñar a la célula si se liberan accidentalmente. 24. La degradación aerobia de una molkula de glucosa tiene un rendi· miento de 30-32 ATP, mientras que la degradación anaerobia rinde sólo 2 AÍP._La degradación anaerobia es mucho más tápida y no requiere oxígeno, pero su rendimiento de energía es mucho menor. 25. La convwión de glucógeno en glucosa y, luego, de ésta en glucosa &

fosfato requiere la energía de un ATP, mientras que la conv§!rsión de glucógeno directamente en glucosa 6-fusfato no gasta ATP. 26. La transcripción, que oame en el núcleo, es la sintesiS de mRNA a partir de !a hebra codificante de DNA. La traducciótl es la conversión de la información codificada en el mRNA en una cadena de aminoá· ddos; se lleva a cabo en el citoplasma, en asociación con los riboso. masdelRER. 27. Los antlcodones son parte de una molkula de tfu'IA. Los aminoáci· dos se unen al tRNA en el extremo opuesto del anticodón en la nro!écula. 28. la energía del ATP se encuentra principalmente en el enlace de altaenergía que une al terru grupo fosfato al resto de la molécula, y los enlaces qtúmicos contienen energía pótencial. 29. Si la reacción no puede proceder sin el aporte de energía del ATP, la energía de activación debe ser grande comparada con la de una reac· ción que no requiere ATP.

NIVEL 3 RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 30. Las células que no utillian glucosa como fuente primaria de energía emplean ciertos aminoácidos o ácidos grasos en su lugar. Por ejemplo, los epitelios de _transporte del intestino utilizan el aminoáddo gluta· mato. 31. La secuencia del mRNA sería GCGMIQU!.!QAG~UGGgllt!GC. Los anticodonesserían UAC (tiroslna),AGU (serlna), AGG {a:rginlna), GUA (valina).

NIVEL 4 PROBLEMAS ANALITICOS 32.. Exergónica. 33. El polipéptido tendrá 149 am.inoáddos. ·

11. La osmolarldad es la concentración de partículasosmóticamente activas en solUción y se indica generalmente en osmoles o mlliosmoles porlttro. 12. Una solución hipotónica causará una pérdida .neta de agua por parte de la célula. La tonicidad está detenninada por las concentraciones relativas de solutos no penetrantes en la célula y en la solución. 13. Los cuatro principios de la electricidad son: 1) las cargas iguales se re. pelen, mientras que las cargas opuestas .se atraen, 2) cada ión poslti· vo tiene un Ión negativo que lo contrarresta, 3) se debe utiliza{ ener· gfa para separar iones o electrones ·y protones, y 4) los conductores permiten que los Iones se muevan a través de ellos, mientras que los atsladores mantienen a los iones separados. 14.a)7 b)l,4 c)6 d)S e)S f)3 g)2 15. El p_otendal de equilibrio es el gradiente el&trico que resulta igual y opuestO a un gradiente de concentración dado. 16. Los conductores permiten el movlmlento libre de las cargas eléctricas, los aisladores evitan el movimiento de cargas.

NNEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 17. Utilia! las figuras 54, S.7, S.24 y S.26 para obtener ayuda al crear el mapa conceptuaL 18. Célula (67% del volumen}

Líquido

Plasma(%)

intastidal {25%)

An , proteínas K•> Na+ HCOi">Cl·

Na•>K• CI* > HC03*> > > * Proteinas

-

l

Membrana celular

CAPITULO 5 NNEL 1 REVISIÓN DE HECHOS Y TtRMINOS Las proteínas de membrana actúan como ptoteinas estructurales {v!n· culan al dtoesqueleto con las fibras de la matriz); transportadores (ca· nales que permiten que el agua atraViese la membrana), receptores (receptores parn hormonas), y enzimas (enzimas digestivas del intestino). 2. El transporte activo requiere el us_o directo o indirecto de energía. El transporte pasivo sólo usa la energía almacenada en un gradiente de concentración. 3. La difusión simple, la difusión facilitada y la ósmosis son e¡emplos de transporte pasiVo. La fagocitosis, la exodtosis y la endocitosis son ejemplos de transporte actiVo. · 4. Cuatro factores que aceleran la velocidad de difusión son: mayor di· ferencia de concentración, menor distancia, mayor temperatura y menor tamaño molecular. S. a)4 b)1,6 c)3 d)S 6. Las sustancias ingresan a las células por difusión simple a través de la blcapa fosfolipídica, po¡- transporte mediado por proteínas, o en vesí· culas (endocitosls/fagocitosis). 7. Los cotransportadores de moléculas en la misma dlrecdón rea1len el nombre de simportadores, en la direcdón opuesta se denominan ron· tratransportmlores. Una proteína transportadora que mnvillz.a sólo una molécula es un ~mipoltadcr. 8. Los dos tipos de transporte activo son el directo y el indirecto. 9. Una molécula que se mueve libremente entre los compartlnlentos del organismo se conoce como soluto penetrante. Una molécula incapaz de Ingresar a las células se denomina soluto IW penetrante. 10. El niño tiene el pon:entaje n;tásalto de agua corporal (d), seguido por el hombre de 25 años {a), la mujer de 25 años (b) y la mujer de 65 años (e). El peso corporal no tiene efecto diiecto sobre el porcentaje de agua del organismo, a pesar de que las per:sonas con más grasa ten· drán menos agua.

1.

Na•::. K• ct::.HCO¡

t

Endotelio

19. Los tres factores que afectan la difusión a través de una membrana son la liposolubilldad, el espesor de la membrana y la superfl.de de la membrana. La dlfuslón a través de una membrana requiere que la molécula pase a través del centro llpídico de la membrana, de ma· nera tal que cuanto más lip6ffia sea una sustancia, más rápidamente difundirá. La d!Iusión es más lenta a traVés-de membranas más gruesas y más rápida cuando existe más superficie. 20. La espectfiddad es la capacidad de una enzima o transportador de tia· bajar sobre una única molécula o clase de molt!culas. La competencia se refiere al hecho de que los diferentes sustratos competirán por el sitio de unión de la enzima o de la proteína de transporte. La saturación Indica que la proteína trabajará a velocidad máxima cuando to. · dos los sitios de unión estén completos. La difusión facilitada emplea transportadores proteicos, de manm tal que cada transportador pue, de describirse por su especlfiddad (transportador de glucosa, transportador de aminoácidos, etc.). Si dos o más sustratos diferenteS están presentes, los sustrntos compefum por el transporte. Si existe sufi. dente sustrato, la veloddad de transporte alcanzará un mWmo que no podrá sex excedido. 21. a) hipotónica b) dentro de las células 22. E! sistema empezó en el equilibrio, de manera tal que para alterar el equilibrio se necesita un aporte de energía. Por conslgu!ente, algún ti· po de transporte activo ha ocunldo. 23. a) Falso. Una solución de NaCI2 M= 4 OsM, pero una solución de glucosa 2 M= 2 OsM. b) Verdadero. Véase el razonamiento parn 23a. e) Falso. El agua se desplaza parn diluir. el soluto más concentrado, por consiguiente, el agua se movilizará desde la glucosa 2 OsM hada el NaCl4 OsM. d) Falso. A medida que el agua se desplaza fuera de la solución de glucosa, su volumen dlsmlnuye. 24. a) Una solución de NaC11 M sería 2 OsM e isosmótlca. e) La soiu· ción de glucosa debeña tener una molarldad mayor de 4 M pata

Respuestas a las preguntas de revisióf'! del final de los capítulos

A-5

que este enunciado fuera cierto. d) Cuando e) es verdadera, d) se vuel· veverdadm. 25. Un gradiente eléctrico impltca la sepatación de la carga eléctrica y no está relacionado con qué tipo de moléculas transporta dichas cargas. Un gradiente electroquúnico tiene en axenta tanto el gradient~ de concentración de una molécula comO su gradiente eléctrico.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 26. Los canales permeables al sodio sobre el lado aplcal permitirán que el Na+ Ingrese a la célula a favor de su gradiente electroquímico. No deben existir poros de agua sobre el lado aplcal, ya que de lo contrario el agua seguirá al Na•. La remoción de Na• pero no de agua desde la luz. hace que el líquido remanente sea hipotónico. El Na+ que Ingresa a la célula por el lado aplcal se bombea hada afuera al liquido extra· celular sobre el lado basolateral por acción de la Na•-K+~ATPasa. 27. La glucosa se moviliza hacia el interior de las células por difusión fa· cUitada utilizando una proteína transportadora. La Insulina podrla aumentar la captación de glucosa en una variedad de formas. 1) PQo dría aumentar el número de proteínas tramportadoras dlsporilbles para el transporte. 2) Podrla aumentar la afinidad del transportador por la glucosa. 3) Puesto que la d!Iusión depende del mantenimiento de un gradiente de concentración para la glucosa, la Insulina podría ac· tuar sobre el metabolismo ceJular para mantener la concentradón de glucosa intracelular baja. En realidad.- la inSulina emplea los métodos 1 y 3. 28. Los tres términos se aplican tanto a enzimas como a transportadores. En un e¡em¡ilo, los sustratos se alteran por acción de la proteína, y en el otro, los sustratos simplemente se desplazan sin modlficazse a través de una membrana. En ambos ejemplos, los sustrato(s) se unen a la proteína en un sitio de unión espedflco. 29. En todos los casos, nótese que las concentraciones se Indican en 1 mM en lugar de en mOsM. Urea 1 mM = urea 1 mOsM, pero (suponiendo la disociación completa) NaO 1 mM NaQ 2 mOsM. a) Hiperosmolar (450 mOsM total) pero isotónica {300 mOsM NaCl) b) Hlposmolar {250 mOsM total) e hipotónica (200 mOsM NaCI) e) Isosmolar (300 mOsM total) e hipotónica (200 mOsM NaCI) d) Hiperosmola:r (400 mOsM total) e isotónica (300 mOsM NaCI) e) H!perosmolar (350 mOsM total) e hipotónica (200 mOsM NaCI) 30. Cuando se agregan azúcares a las proteinas de membrana en el RE y Golg!, se agregan a las proteínas qué miran hada la luz de estos orgá· nulos, que será luego la luz de las ves.!culas secretoras que brotan del Golgt. En la figura 5-.24 de la página 149 puede observarse que todo lo que mlte hacia el Interior de una vesícula mirará hada el lado ex· temo de la célula luego de inSertarse en la membrana. Pot consiguien· te, las colas de azúcar de las proteinas de membrana mirarán hacia el lado extracelular una vez que las proteínas hayan sido insertadas en la membrana.

=

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALfnCOS 31. Osmolaridad del plasma= 296 mOsM 32. a) Volumén del líquido intracelular= 29,5 L; volumen del líquido in· ter:stidal=9,8 b) Soluto total =12,432 osmoles; soluto del líquido extraceluiar = 3,7 osmoles; soluto. del líquido intracelular= 8,732 osmoles; soluto del plasma= 0,799 osmoles. 33. La solución salina al medio de su concentración normal es aproxima· damente 1S4 mOsM. 34. a) aumenta b) disminuye e) aumenta d) disminuye 35. El gráfico muestra la difusión simple a). Se sabe que no se trata de un transporte activo porque la concentración dentro de la célula no au. menta luego del equilibrio (concentración de entrada =concentración de salida). El gráfico tiene la misma forma que el gráfico de satu-ract6n de la figura S.22, pezo los ejes no son Iguales. Existe sólo un so. luto que está siendo ~rtado, de manera tal que no existe evi· dencia de competencia.

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Apéndice A

Apiindice A

Respuestas a !as preguntas de revisión del final de los capítulos

CAPÍTULO 6 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMIN9S 1. Las dos rutas para el envío de señales a larga distancia son la de las seiiales eléctricas nansportadas por las neuronas y la de las señales quí· micas distribuidas por la sangre. 2. Los sistemas nervioso y endocrino mantienen la homeostasiS.

3. Las señales químicas y eléctrtcas se envían por todo el cuerpo. Las señales químicas llegan a todas las células, porque se distribuyen mediante la corriente sanguínea. 4. La homeostas!S es el proceso de mantenimiento de un medio interno relativamente estable. 5. Parámetros que se mantienen por homeostasis son, entre ottas, la presión arterial, la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca y la giu· cemla•. 6. Un receptor sensorial recibe información sobre (ambios en el entor· no y envía esa información a un centro Integrador. Un receptor de membrana permite que un ligando quimico se una a una céluia e inl· de una reacdón. Cualquier cilula con el receptor para la sustancia química será diana para ella, pero sin los recepk!res adecuados la célula no puede responder. 7. El ligando o prlmer mensajero se une a un receptor, que se activa y modifica a !os efectores lntracclulares. . 8. Las tres enzimas amplificadoras son a) adenllil ddasa, b) guanlill d· clasa y e) fosfolipasa C. 9. La protelnclnasa agrega fosfatos al sustrato a partir de ATP. 10. Estímulo, re:eptor, vía aferente, centro integrador, vía eferente, efe<:·

tor, respuesta. 11. Los re:eptores centrales están ubicados en el siStema nervioso centtal; los periféÍicos se asocian con neuronas sensitivas eit el sistema nerviosopeti.fértco.· IZ.a)3 b)l c)4 .d)S e)2 13. Pueden encontrarse receptores para las vías de sefiales en el núcleo, en el dtosol o en la membrana plasmática de la célula 14. Las fluctuaciones diarias de los parámetros se llaman ritmos d.Kadianos. Fstos ddos tienen orígen en cHulas especiales en el cerebro. 15. La regulaCión por disminución da como resultado una dismlnudón en la sensibilidad frente a una señal sostenida. 16. Se produce reguladón por
NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 18. a) Las uniones en h!!ttdidura o comunicantes se fonnan cuando canales proteicos llam~dos conexones comunican los citoplasmas de dos células. Las conexln.as sori ~ proteínas que forman tos canales. Cuando las uniones en hendidura se abren, los citoplasmas de las células adyacentes se hacen contiJ:!uos, formando un sindtio ñmcional, o una unidad que se comporta como una soiÚélilia con múltiples núcleos. Se pueden encontrar uniones en hendidura en ef corazón. b) Sustancias químicas sécretadas por las células al espado extracelular. Las sustancias 'parncrinas actúan sobre células cercanas a aquellas que las secretaron; las autocrinas actúan sobre la misma célula que las produjo. La histamlna es un ejemplo de sustanda paracrina. Las dtodnas son péptidos que pueden actuar como sustancias aut~ o como paracrinas o que pueden distribuirse por.la sangre como las ho:rmonas. Muchos factores de aed· miento son ctt~. Las sustanCias neurocrlnas son químicos liberados por !aS-neuronas, o células nerviosas. Los neurotransmi· sores, las neurohonnonas y los neuromoduladores son sustancias ne~.

e) Los agonistas son mol&ulas que tienen la misma acción que otra

molécula. Los estrógenos de las píldoras anticonceptivas son un

ejemplo de agonistas. Los_ antagonistas son moléculas cuya acción se opone a la de otra molécula. Los antagonistaS de Jos estrógenos y los andrógenos se emplean pata tratar !~ casos de cáncer dependiente de hormonas. d) La trnnsducdón es el proceso por el cual una molécula de señal transfiere su información desde el líquido extracclular hada el d· toplasma. La transducción a menudo involucra una cascada, o serie de pasos, en cada uno de los cuales ocurre una amplifica. dón, de manera tal que una sola molécula puede generar una lm· portante señaL 19. Las cuatro clases de receptores de membrana son 1) canales tónicos regulados por Iigandos como el canal de K+ dependiente de ATP, 2) in· tegrinas receptoras, como. los receptores de las plaquetas, 3) enzimasreceptores, como las tiros!ndnasas y 4) los receptores asociados a la proteína G, como los que activan a la adenilil cldasa y en consecuendaal cAMP. 20. Walter Cannon es el padre de la fisiología en los Estados Unldos. Sus rua1r0 postulados son: a) El sistema nervioso central mantiene las funciones corporales, como la presión arterial y la temperatwa, en valores nonnales. b) Algunas funciones del organismo están reguladas en forma tal que aumentan o disminuyen (control tónico) en lugar de encenderse y apagan:e. e) Algunas funciones es$ controladas por dos señales que actúan en oposición: una sefial aumenta la ñmción mientras que otra la inhibe. d) La respuesta de una célula a una señal química determinada depende del receptor que tiene la célula.para la seiial. Células diferentes pueden tener distintos re:eptores y por lo tanto gei¡erar di· ferentes respuestas. 21. Estimulo: un cambio que lnida una respuesta (p. ej., tocar una estufa caliente). R\!(eptor. una célula o estructun que detecta el cambio en el estimu· Jo (p. ej., receptor de temperatwa). Vía aferente: los medios por los cuales la lnfonnadón sobre el estimn· lo se transmite a un centro integrador; la señal de entrada (p. ej., un nervio sensitivo). Centro integrador. una célula o grupo de células que recibe la infor· mactón que llega dedde si se delre actuar y cómo, y envía una señal que lnida la respu~-(p. ej., el cerebro). Vía eferente: la sefial que va desde el centro integ¡ador a la célula o tejido que efectuará la respuesta (p. ej., un nervio o una honnona). Efector. la célula o tejido que reacctona al cambio dado por el esPJnulo (p. eJ., un músculo). Respuesta: aquello que la célula o el tejido hacen en reacción al C?ID· bio producido por el estimulo (p. ej., quitar la mano de la estufa). 22. En la retroalimentación negativa, la señal dice a la respuesta que ter· mine. En la retzoalimentadóo positiva, se refuerza el estimulo y se mantiene a la respuesta activa. Tanto la retroalimentación positiva como la negativa ocurren después de que se ha efectuado la respuesta; la respuesta por prealimeotadón inicia el bude de respuesta antes de que aparezca el estimulo. La retroalimentadón negativa ayuda a mantener un parámetro dentro de valores horii.oostáticos. La preali· mentadón evita que ocurnm grandes cambios en una ñmctón bajo control de regulación. La retzoalimentadón positiva hace que un cambio sea mayor y lo mantiene después de que el estimulo lo ha lni· dado. 23. La principal ventaja del control nervioso sobre el endocrino es la velocidad La principal ventaja del control endocrino es la capacidad de actuar sobre tejidos ampliamente separados· con una sola- señal. El

control nervioso es mejor para respuestas a corto plazo, mientras que el endocrino lo es para respuestas a largo plazo. 24. a) retroalimentación negativa b) retroalimentación positiva e) retroalimentación negativa d) retroalimentación negativa 25. a) Los tejtdos responden al glucagón incrementando la glucemia. b) Los te¡ldos de la mama secretan leche.

e) La vejiga d) Las glándulas sudoríparas

26. a) Células endocrinas que secretan glucagón (páncreas endocrino) b) La información de la pregunta es insuficiente. La hormona oxitoclna controla la liberación de leche y la hormona prolactina, su producción. e) El sistema nervioso d) :El sistema nervioso

Respuestas a las preguntas de revisión_ del final de los capítulos

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12. Los esteroides no son muy hidrosolubles, o los transportadores prote· gen a las hormonas de ser degradada, extendiendo su semivida.

13. En el núcleo, las hormonas esteroldeasactúan como factores de tmnscripci6n, activando genes que controlan la síntesis de nuevas proteínas. 14. Algunas hormonas esteroideas tienen también receptores en la membrana plasmática. . 15. La melatonlna se sintetiZa a partir de triptófano, y las demás aminas,

a partir de tirosina. 16. Las hormonas tróficas controlan la secreción de otras hormonas.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 27. a) Fstímulo =el viento frío que hace que baje la tempera~; w:eptor = receptores de temperatu_ra; vía aferente=- neuronas sensoriales; centro integrador =sistema nervios central; vía eferente "' neuronas eferentes; efector =- músculos que se usan para ponerse el abrigO; respuesta =el abrígo conserva el calor y hace que aumeote la temperatura corporaL b) Estímulo= aroma de las tortas; receptor= receptores olfativos de la naiiz; vía aferente =neuronas sensoriales; centro integrador = sistema nervioso central; vía eferente =músculos esqueléticos; respuesta= caminar hada la panadería, compnr y comer la torta.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALinCOS 28. a) Este párrafo descrilre una amplificación y una cascada. b) Una molécula de rodopsina crea (1 000 x 4 000) o 4 000 000 de GMP,

CAPÍTULO 7 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. El estudio de las hormonas se llama endocrinología. 2. Las hormonas modifican la velocidad de las reacctones enzlmáticas, controlan el transporte de las moléculas hada adentro y hada afuera de las células, o alteran la expresión de los genes y la sfntesis de proteínas de sus células diana. 3. Véase la figura 7~2 para controlar las respuestas. 4. a)4 b)S c)l.d)2 e)3 S, d-b-c-a 6. Las hormonas son secretadas a la sangre para ser transportadas a obJetivos distantes y tienen efecto a concentraciones muy bajas. 7. La semivlda de una honnona es el tiempo necesario parn que la mitad de una dOSis de la misma desaparezca de la sangre. · 8. Las honnonas son degradadas en el riiWn y en el hfgadiJ, y los metabolitas se excretan en la orina y la bilis, respectivamente. 9. Las sustancias candidatas a ser hormonas se denominan a menudo

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10. Las honnonas peptídicas están formada:s por tres o más aminoáddos. La mayoría de las hormonas son peptídicas (véase la figura 7-2). Las hormonas esteroideas derivan del colesterol; por ejemplo las sintetizadas por las gónadas, la corteza suprarrenal y la placenta; Las hormonas amínlcas están fonnadas a partir de un solo aminoácido; ejemplos de ello son las honnonas tiroideas, la adrenalina, la noradrenalina y la dopamina. 11. a) hormonas peptidicas (algunas de las aminas son lipofóbicas pero algunas son lipofillcas) b)péptidos y algunas aminas e) esteroides d)péptidos y algunas aminas e)péptidos f) esteroides g)péptidos h)todas 1) esterotdes y algunas aminas j) esteroides

17. En las vías endocrinas complejas, las hormonas pueden actuar como señales de retroalfmentadán. 18. Las honnonas neurosecretoras (o neurohormonas) se sintetizan y secretan en las células nerviosas o neuronas. 19. La neurohipófisis secreta oxitodna y vasopresina, ambas neurohormonas peptídicas. 20. El sistema porta hipotálamo-hipofisarlo está fonnado por capilares que recogen a las hormonas secretadas en el hipotálamo y las conducen directamente a capilares en la adenohfpófisis. La conexión directa permite que cantidades muy pequeiias de hormonas hipotalámicas controlen a las células endocrinas de la adenohipófisls. 21. La prolactina controla la producción de leche en la mama y no es trófica. Las demás hormonas son todas tróffcas, La hormona de cred· miento, o somatotroplna, modifica el metabolismo de los tejidos y controla la seaectón de somatomedinas. La corticotropina, o ACIH, controla la secreción de cortisoL La tirotropina, o TSH, regula la secreción de honnonas tiroideas. La hormona foliculoestimulante (FSH) y la lutelnizante (IJI) modifican la secreción de honnonas en las gónadas así como la producción de gametos. 22. La retroalimentación negativa de bucle largo vuelve desde la glándula endocrina periférica hada la hipófisis o el hipotálamo parn inhibir la secreción de hormonas tróflcas. En la retroalimentación negativa de bucle corto, la honnona trófica de la adenohipófisis ejerre su efecto sobre el hipotálamo. 23. La sinergia se produce cuando el efecto de dos honnonas combinadas es mayor que la suma de sus efectos indiYiduales. Cuando dos hormonas deben estar presentes a la vez para que sus efectos se observen, la relación se llama pennisMdad. Si una honnona se opone a los efectos de otra, se trata de un antagonista.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 24. Utilice la figura 7-3 como ayuda para confeccionar el mapa de la Lista l, y las figuras 7-12 y 7-13 para el de la Lista 2. 25. a) Todas estas sustancias químicas son secretadas por células para ejercer una acción sobre otras células. Las paracrinas actúan sobre células adyacentes; las cltodnas, sobre células adyacentes o distantes; las honnonas, sobre células distantes. Las dtodnas son siempre péptidos; las hormonas pueden ser péptidos, esteroides o amlnas. Las citoclnas se sintetizan según la demanda; las honnonas peptídicas se producen por adelantado y se almacenan en la glándula endocrina. b) Una enfennedad endocrina primaria afecta a la última glándula de un reflejo endocrino complejo. Las enfermedades secundarias aparecen en las glándulas que secretan hormonas tfóficas. Cual· quiera de estas·alteradones puede originar disminudón o aumento de la secreción de hormona. e) La hipersecredón es el exceso en la produCCión de hormona; la hiposecredón es la producción de cantidades menores a las norm&~.

d) Ambas son parte de la glándula hipófisis y secretan honnonas peptídicas. La adenohlpófisis es una glándula endociina verdadera, pero la neurohlpófisis está foimada por tejido nervioso. La seftal para la liberación de neurohonnonas de la neurohip(}. flsls es un potencial de acción. Las honnonas de la adenohipó· fisis se liberan en respuesta a las hormonas tróficas del hipotálamo. 26. Véase el cuadro 7-1.

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Apéndice A

ApéndiCe A

Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os ·capítulos

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 27. Fl Significado de estas palabras no cambia. Los reeeptores endocrinos son proteínas intracelulares o de membrana. Las células diana endocrinas pueden regular por aumento o disminución sus respuestas. La. espectfiddad se refiere a la Interacción selectiva entre una proteína y su ligando. Las enzimas, !os re«ptores hormonales y las protclnas de transporte son todas proteínas con sitios de unión en su estructura. 28. En el pactente A, la hipersecredón de cortiSOl es resultado de la hlpersecrectón de AcrH (una enfermedad secundaria). Cuando la dexametasona inhibe la secredón de ACfH, la glándula adrenal no. recibe más estímulos y la secreción de cortlsol se reduce. El paciente Btiene un hipercortisollsmo primario, el problema está en su glándula suprarrenal. Sus vías de retroalimentadón negativa normales no funcionan, y la glándula suprarrenal continúa secretando cortisol en exceso a pesar de que la liberación de AcrH se ha suprimido con la dexarne-

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29. a) Véase la figura 26-11. b) Tanto la Ui como la testosterona son necesarias para la formación de los gametos. La administraCión de testosterona no suprime directamente esta función para un control de la natalidad. Sin embargo, la testosterona tiene un efecto de retroalimentación negativa sobre la adenohipóflsiS e inhibiría 1~ secreción de Ul. ~mo esta hormona es también necesaria para la formación de gametos, su ausencia suprimlria esta función. Asi, la administración de testosterona seria un método anticonceptivo eficaz.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAÚTICOS 30. La semivida es de 30 horas.

31. (a) Grupo A (b) Grupo B {e) Grupo A 32. El eje x representa la glucemia. El efe y, la secrectón de insulina. Amedida que aumenta x.. aumenta Y.

CAPÍTULO 8 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Las neuronas aferentes transmiten mensajes desde los receptores sensitivos hasta el SNC. Sus cuerpos' celulares se localizan cerca del SNC y largas prolongaCiones se extienden desde los cuerpos celulares hasta los receptores. Las lntemeuronas están totalmente contenidas dl!Il· tro del SNC y a menudo se ramifican much(). Las neuronas eferentes transmiten señales desde el SNC hasta los efectores. Suelen tener dendritas cortas y ramificadas y axones extensos. 2. Las neuronas motoras somáticas controlan los músculos esquelttiaJs. Las neuionas autQnomas controlan los múscu.los liso y cardfaco, las glándulas y algo-de tejido adiposo. 3. Las neuronas autónomas se clasifican en simpáticas o parasimpáticas. 4. a)3 b)l c)2 d)S e)4 S. Las neuronas y las c§ulas de la glía son los dos tipos prindpales de c§ulas del s.lstema nerviOso. 6. Véanse las figuras 8-2 y 8-4. 7, e) La respuesta b) no es correcta porque no todo el transporte axónico utillzamlcrotúbulos y rto todas las sustanCias movilizadas serán secretadas. ' 8. a)l,4 b)2,3,5,6 9. d 10. Los cuatro canales iónicos prinCipales son 1) Los canales de Na•, regu-

lados por voltaje a lo l.ugo del axón y los canales de Na• regulados por ligando o con comPuerta mecánica sobre las dendritas, 2) Los canales de K• con compuerta de voltaje a lo lárgo del axón, 3) Los canales de Ca2• regulados por vo_ítije en la terminaCión axónica y 4) Los canales de o- con regulados por compuerta quúnica, 11. e-b-d-a-c 12. Las respuestas b y d con correctas.

13. La c~lula en reposo es más pertileable a K• que a Na+. Aunque el Na+ contribuye poco al potencial en reposo, es clave para el potenCial de acción. 14. El Na+ está más concentrado fuen -de la célula que en el interior. 15; El K• está más concentrado en el interior de la dlula. 16. El potenCial de acción se produce cuando el Na" entra en la célula. 17. El potenCial de membrana en reposo se debe a la alta permeabilidad de la célula al K•. 18. La vaina de mielina se forma a partir de las células que crean múltiples envolturas de membrana aiSlante alrededor de las neuronas para impedir que la corriente escape fuera del axón. 19. Los factores que aumentan la veloCidad de conducción son el diámetro del axón y la presencia o ausenda de mlelina aislante. 20. Los neurotransmisores son retirados por degradaCión enzlm&tica, reabsorción y difusión. 21. vrense las figuras 8-16 y8-18.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 22. Véanse las figuras 8-1 y 8-5. 23. La respuesta des correcta. 24. El SNP tiene dos tipos de células de la g1ía: células de Schwann y células satélite, y el SNC tiene cuatro tipos: ollgodendrodtos, microglla, astrodtos y células dcl epéndlmo. Los oligodendrodtos y las células de Schwann forman miellna. Las células satélite forman cápsulas de sostén alrededor de las cél.ulas nerviosas localizadas en los ganglios. Los astrodtos transfieren nutrientes entre la sangre y las neuronas. La microglla son células irununltadas. Las células del epéndlmo separan Jos compartimentos líquidos del SNC. 25. f<-g-e-b-k-c-a-h-1-d. 26. a) despolartzar b) hiperpolar!zat e) repolarizar d) despolariz.at. Véase la figura 5-37 en la p. 166. 27. a) La entrada de Níi• despolariza; b) la salida de K+ hiperpo!ariza; e) la entrada de a· hiperpolarlza; d) la entrada de Ca2+ despolari?,a 28. a) Las señales de nivel umbral. disparan potenciales de acción. El supraumbral también dispara potenciales de acción pero el subum· bral no lo hará a menos que se sumen mediante sumadón espada! o temporaL Los pqtenciales de acción son acontecimlentos todo-o-nada que no pueden ser sumados. El avershaot es ~por· ción de potencial de acción por encima de OmV. El undershoat es la porción de poshiperpolarizadón del potencial de acdón (~e flg. 8-12). b) Los potenciales escalonados pueden ser despolarlzantes o hiperpolarizantes. Si el potencial escalonado ocurre en una célula post· slnáptica, el potencial escalonado despolañzante es un potencial postsináptico exdtatorlo {PPSE) y un potencial escalonado hiperpolar!zante es inhibitorio, o un PPSL Los periodos refractarios son los períodos de tiempo que Siguen a un potencial de acción durante los cuales no se puede disparar un pótimcial de acción adicional. Ningún estímulo puede disparar otro poteticial de acción durante el periodo refractario absoluto pero un estímulo SU· praumbral puede disparar un potencial de aCCión durante el periodo refractario relativo. e) Véase la respuesta_de la pregunta 1. d) Las neuronas sensitivas son neuronas aferentes; todas las otras son neuronas eferentes. Pata la clas!ficadón y comparaéión, véase la respuesta de la pregunta 1. e) Los potendales sin§ptioos rápidos son el resultado de la apmura de tos canales tónicos por neurotransmisores; ocurren rápldamen· te y son de corta duración. Los potenciales sinápti.cos lentos están mediados a través de seguridos mensajeros y duran más. Pueden lnciulr cambios en los estados de apertura de los canales iónicos pero también puedey¡ alterar las proteínas celulares.

f) La suma temporal ocurre cuando múltiples estímulos.Jiegan a la zona gatillo muy ¡untos en el tiempo; Ia suma _espacial ocurre

cuando múltiples estímulos de neuronas de diferentes Jocalizactones llegan simultáneamente a la zona gatillo. g) La divergencia es el patrón en donde, una única neurona se ramifica y sus colaterales hacen sinapSis sobre múltiples neuronas diana. La convergenCia es el patrón donde muchas neuropas preslnápticas proporcionan aferendas a una pequeña cantidad de neuronas postsinápticas. 29. La infol!Uadón acerca de la Intensidad es codificada por la freqlencia de los potenciales de acción; la duración está codificada por la duración de un tren de potenciales de acción repetidos.

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NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 31. Aunque las neuronas están completamente desarrolladas, no se han formado aún todas las sinapsiS necesarias entre las neurOnas y los

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32. El cierre de los canales de Na• regulados por voltaje también se inida por despolarización, pero las puertas de lnactlvación se cierran más lento de lo que se abren las puertas de activación, lo que permite que los iones fluyan por un corto periodo de tiempo. 33. Las respuestas (Orrectas son b, d y h. 34. a) ténnico b) químico e) químico d) químico e) químico 1) químl· co g) mecánico

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAÚTICOS 35. a) un aumento en la permeabilidad del sodio hará que alfa sea más grande. eso a su vez aumentará el numerador y hará que el poten· dal de membrana sea más positivo. b) El potencial de·membrana es-78,5 mV. 36. a) (12 x 2mV"' +24) + (3 x-3mV= -9) = fuezza de la señal de +15. Potencial-70 + 15 =-SS. El umbral es-50, de modo que no hay potencial de acdón. (El potencial debe ser Jgual o más positivo que el umbral.) b) (11 X 2 =+22) + (3 X -3 "'-9)::: +13. Potencial-70 + 13:::-57. El umbral es de -60, de modo que el potencial de acción se dispara e) (14 x 2 = +28) x {-9) =+19. Potendal-70 + 19 =-Sl. El umbral es de -50, de modo que no hay potencial de acción.

CAPÍTUL09 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y DE TÉRMINOS · 1. Plastiddad es la capacidad de modificar las conexiones en respuesta alas aferenclas sensitivas y la experiencia. 2. Las funCiones cognitivas se relacionan con el pensamiento y !aS funciones afectivas con las emociones. 3. El cerebro otoxga al ser humano el razonamiento y la cognidón. 4. El cerebro está dentro del aánro, y la médula espinal está en elinrerior"de la columna mtebral. S. Desde los huesos hada adentro, las meninges son la duramadre, la aracnoides y la plamadre. 6. El LCR protege físicamente al encéfalo: su flotabilidad reduce el peso del cerebro y la médula y ellfqu!do proporcioria un acojinado entre el encéfalo y los huesos. El LCR también proporciona protección qui· mica al crear un medloambiente externo cuidadosamente regulado para las células del Sistema nervioso. 7. a) HC03• es más bajo en el LCR b) cat+ es más bajo en el LCR e) la glucosa es más baja en el LCR d) H+ es más alto en el LCR e) Na• es igual en LCR y plasma 1) K+ es más bajo en el LCR

Respuestas a las preguntas de revisión. de! final de los capítulos

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8. Las neuronas normalmente metabolizan glurosa. La concentración baja de glucosa en la sangre es la hipoglucemia. Las neuronas tienen alto consumo de oxigeno y reciben alrededor dellS% de la sangre lwmbeada por el corazón. 9. a)S b)7 c)9 (d)3 e)l 1)2 &).6 h)8 1)4 10. La barrera hematoencefálica consiSte en capilares que son mucho menos permeables y mucho más selectivos que los capilares de otros sitios del cuerpo debido a uniones estrechas entre las células endotelia· !es. La función de esta barrera es regular cuidadosamente a qué sus· tandas se permite salir de la sangre y entrar en el tejido encefálico. 11. La sustancia gris tiene los cuerpos de la célula nerviosa, dendritas ·y terminaciones axónicas. Forma grupos (núcleos) o capas en el encéfalo y la médula espinaL La sustancia gris es el lugar donde la lnfórma. ción pasa de neurona a neurona. La sustancia blanca está compuesta principalmente por axones mielinicos; los tractos de sustanda blanca transportan lnfonnación hacia arriba y hada abajo por la médula espinal hasta el encéfalo. 12. a) Los campos sensitivos dirigen la percepción. b) La corteza motora dirige el movimiento. e) Las áreas de asociación integran la información y dirigen la conducta voluntaria. 13. La Jateralizadón cerebral es la distribuCión asimétrica de funCiones entre los dos lóbulos del cerebro. El cerebro izquierdo es el centro para el lenguaje y las funciones verbales, mientras que el cerebro derecho es el centro para las habilidades espaciales. 14. El áddo gamma-amlnobutirico (GABA) en el encéfalo y la gliCina en la médula espinal son neurotransmisores aminoácidos lnhibitortos que abren los canales de doro e hiperpolartzan sus células diana. 15. El sueño REM, o sueño de movimientos oculares rápidos, es el período de suefto donde ocurre la mayor parte de la actividad onírica. Se caracteriza por ondas electioencefalográflcas rápidas de baja amplitud, parálisiS flácCida y disminución de la fundón homeostática. El sueno de ondas lentas, o sueño profundo, se caracteriZa por ondas de baja frecuencia y alta amplitud en el electroencefalograma y por movimientos corporales Inconscientes. 16. El hipotálamo contiene centros para la.homeostasiS. Los reflejos y las conductas controlados por el hipotálamo incluyen temperatura corporal, sed, funciones reproductivas, hambre y saciedad, e influyen sobre la función c:ardiovascular. Las aferendas emoctonales hada el hipotálamo provienen del sistema límbico. 17. La amfgdalo. parece ser el centro de los inStintos básicos. 18. El aprendizaje puede ser categorizado en asodil.tivo y no asociativo. En la habituación, una persona responde cada vez menos a un estí· mulo repetido; en la sensíbllizadón, una p"ersona experimenta una respuesta mayor a un estimulo peligroso o dlsplacentero. 19. La integradón del lenguaje hablado tiene lugar en el área de Broca y el área de Wemlcke de la corteza.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 20. El mapa debe inciuir la infonnación contenida en el "cuadro 9-1 y las figuras 9-15 y 9-16. 21. El LCR es secretado en los ventrículos y fluye por el espado subaracnoideo alrededor del en_céfalo y la médula espinal antes de ser reabsorbido por regiones especiales de la aracnoides cerebral. 22. El sistema ~tivo, el siStema conductual y el Sistema cognitivo regulan las eferendas motoras del SNC. 23. El r&eptor para la molécula determina si ésta actúa como neurotransmisor {abre los canales tónicos) o como neuromodulador {actúa a tra· vés de un segundo mensajero). 24. a) El sistema modulador difuso en el tronco encefálico influye en la atención, la motivación, la vigllla, la memoria, el control motor, el estado de ánimo y el metabolismo: La formación reticular del tronco encefálico influye en el estado de alerta, el sueño, el tono muscular, la respiración, la presión arterial y el dolor. El sistema límbico es la región Interior del cerebro y relaciona las fundones cognitivas superiores cori las emociones más primitivas como el temor;

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b) La memoria se diVide en la memoria a corto plazo que desaparece a menos que sea consolidada, y !a memoria a largo plazo que es almacenada para su recuerdo. La memoria a largo plazo indu· ye la memoria reflexiVa o inconsciente y la memoria declarativa consciente .::) Los núcleos son agrupamientos de ruerpos de células nerviosas en el SNC; los ganglios (en los vertebrados) son agrupamientos de ruerpos de d!ulas nerviosas por fuera del SNC. d) Los tractos son haces de axones dentro del SNC. Los nervios son ha· ces de axones por fuera del SNC. Las astas son extensiones de !a sus. tanela griS de la médula espinal que se conectan con los nervios periféricos. Las fibrns nerviosas son haces de axones. las raíces son las dos mnas de un nervio perifético que entran en !a médula espinal. Las neuronas sensitivas se dirigen a la raíz dorsal y las neuronas efe. rentes salen de !a médula espinal a través de la raíz venttaL 25. La corteza somatosensitiva primaria está en el lóbulo parietal. La cot· teza Visual procesa la información proveniente de los ojos. La corteza auáltlva procesa la información de los oídos. La corteza olfativa procesa la información de la nariz. Las cortezas motoras en los lóbulos frontales controlan el movimiento de los músculos eSquelHicos. Las áreas de asodactón integran la información sensitiva en percepción. 26. a) Las ondas de menor frecuencia tendrian .los picos más separ~dos. b) Las ondas de mayor amplitud tendrl.an picos más altos. e) Las ondas de frecuenCia más alta tendrían picos más próximos en·

"'"·

27. Los estados motivacionates
NIVEL 3: RESOLUQÓN DE PROBLEMAS 29. Con la a1asla de expresión, el sefior Andersen pod!a comprender a las personas pero era incapaz de comunicarse en alguna forma que tuviera sentido. Él podía seleccionar las palabras pero no unirlas en forma apropiada. SI tuviera una afasia de comprensión, no habría podido comprender lo que !e dedan otras personas. Los centros del lenguaje están en el cerebro izquierdo. Si tos centros de !a· música están en el cerebro derecho, entonces tal vez la información proveniente del área de Wemicke puede ser Integrada por el cerebro derecho de mo. do que el señor Andersen uniría musicalmente las palabras para que tuvieran seittido. 30. El aprendizaje probablemente ocurrió, pero no es necesario que el aprendizaje se traduzca en respuestas conductuales. Los partictpantes que no abrocharon.sus cinturones de seguridad aprendieron que usar cinturones de s"eguridid era Importante pero no consideraron que es· te conocimiento era lo suficientem~te ¡mportante como pan poner· lo en práctica. · 31. Una conclusión podría ser que los perros con prtv:actón de sueño estén produciendo-una sustancia que induce sueño. LoS controles pos!· bies sefun coloru LCR de penos norina!es en perros con privación d~ su~o, LCR de perros normales en perros normales y LCR de penos con privación de sueño. _eh otros perros con prlvactón de sueño. 3Z. 1) No, otra l.nfonnadón (¡ue se debe tener· en consideractón incluye genética, edad j salud _general. 2) ta aplicación de este estudio estaría limi· tada a las mujeres de edad,. antecedentes y salud similares. Otros factores en que usted debería Interesarse son el grupo étnico de las: participan· tes, los fa~res riJ.ey¡.ctonados en (1) y la localiz.ación geográfica.

CAPiTULO 1it NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. La diVisión aferente transporta información desde los receptores sen· sitivos hasta el SNC.

2. La prop!ocepción es la capacidad de decir dónde se enruentra nuestro cuerpo en el espado y que sirve para detectar las ubicaciones rela· tivas de las diferentes partes del ruerpo. 3. Todas las vías sensitivas incluyen uri estímulo que actúa sobre un receptor sensitivo y una neurona sensitiva que comienza en el receptor y termina en el SNC. 4. Los mecanorreceptores responden cuando son deformados fisicamen· te por presión, sonido, estiramiento, etc. Los qulm!orreceptores res. ponden a la presenda o a los<:ambios en la concentración de sustan· das químicas especificas, como glucosa u oxígeno. Los fotorreceptores responden a fotones de luz. Los termorreceptores responden a grados variados de caloL 5. La informactón es detectada dentro del campo sensitivo de la neurona. 6. a)3 b)2 c)1,2 d)2,3 e)4 7. Tmnsducd6n es el proceso por el cual la energia del estímulo es con· vertida en un cambio de su potencial de membrana. La forma de energía a la cual responde mejor el receptor se denomina estímulo adewado. El estimulo mínimo necesario para activar un receptor se conoce como umbral. 8. CUando la membrana de un receptor sensitivo se despolariza (o se hl· perpolarlza en algunos casos), el cambio en el potencial de membrana se denomina potmdal del receptor. ~os son poten~es escalonados. 9. El estímulo _adecuado para un receptor es la forma de energía a !a cual el receptor es más sensible. 10. La organizactón de las regiones sensitivas en la corteza conserva la Or· gantzactón topográfica de los receptores sensitivos de modo que las percepctones se localizan en el área donde ocurrió el estímulo. Las dos excepciones a esta regla son el olfato y la audldón, donde el cerebro mide el tiempo de la recepción del estímulo para analim una ubica· ción. 11. La inhibición lateral ocurre cuando las neuronas sensitivas que rodean un campo sensitivo están inhibidas, lo que aumenta el contraste entre el estímulo y las áreas no estimuladas circundantes. lZ. Los receptores tónicos se adaptan lentamente a los estímulos y respon· den a los estímulos que necesitan ser controlados constantemente, como los estímulos nocivos. Los receptores fáslcos se adaptanrápidamen· te a los estímulos y dejan de responder a menos que el estímulo <:am· b!e. Un ejemplo es el olfato. Los recepto~ fásicos permiten detectar nuevos estímulos mientras ignoran los Viejos estímulos que presuml· blemente no son importantes o no constituyen una amenaza. 13. El dolor en el brazo por isquemia cardíaca es un ejemplo de dolor refe· rido.

14. Dulce.. salado, amargo, áctdo y umami son las cinco sensaciones básl· cas del gusto. Los alimentos nutritivos tienen gusto dulce (p. ej., fru· ta) o umaml (p. ej., carne) o salado (p. ej., palomitas de mafzsaladas); los alimentos ácidos pueden ser nutritivos (p. ej., jugo) o insegurOS debido contaminación; los alimentos amargos pueden contener toxi· nas o pueden ser nutritivos (chOO)late no endulzado). 15. La frecuencia de las ondas sonoras por segundo se mide en herlz (Hz). El volumen o intensidad del sonido es una función de la amplitud de !a onda y se mide en dedbcles (tfB). El intervalo de audiclón para el oí· do humano promedio está por encima del rango de 20 a 20 000 Hz, y la audición más fina se encuentran en el rango de 1 000 a3 000 Ht. 16. La membrana basilar codifica el tono. La codificación espacial se refiere a la traducctón de diferentes frecuencias de onda en la estimula· ción de diferentes áreas de la membrana, 17. La respuesta correcta es a. (Los potenciales de acctón tienen amplitud y peñodo refractario constantes.) 18. Una vez que las ondas sonoras han sido qansfonnadas en sei1ales eléctricas en la c6dea, las neuronas sensitivas transfieren la informadón hasta el /Juib<1 mquúieo, y las colaterales llevan luego la Informa· ción hasta la (orrruzdán retículary el cerebelo. La vía auditiva prindpal hace sinapsiS en el mesend(alo y el tálamo antes de proyectarse final· mente hada la rorteza auditÍVa en el cerebro. 19. Los condudos semidmiJares detectan la rotactón y los 6rganos otolíticos responden a las fuerzas lineales. El movimiento es el componente di· númiro y la posición de la cabeza cuando estamos de pie es el componente estático.

20.b,a,d,c,e 21. Los tres
NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 23. a) Los sentidos especiales (audidón, visión, -olfato, gusto y equilibrio) tienen receptores localizados en la cabeza. Los sentidos somáticos son sentidos más generales (tacto, presión, vibractón, temperatura) con receptores localizados en todo el cuerpo. b) Véase cuadro 104. e) El dolor agudo es transmitido por pequeñas fibras A8 mielínicas. El dolor sordo y difuso es transmitido a través de pequeñas fibras e amielínicas.

d) En la hipoacusla de conducción, el sonido no puede ser transmi· tido a través del oído externo o el o!do medio. En la hipoacusia neurosensorial, el oído interno ha sido dailado. En la hipoacusla central, las vías auditivas provenientes del oído interno o de la corteza auditiva han sufrido dail.o. 24. El cerebro puede distinguir hasta siete áreas sensitivas distantes: 1, 2, ~1+~1+~2+3yl+Z+1

25. Las vías ascendentes para el dolor se di:dgen hada el sistema limbico

y el hipotálamo, lo que explica la relación entre dolor, malestar emocional y síntomas como náuseas y vómitos. 26. El olfato comienza con los receptores olfatorios nasales cuyos axones se proyectan a través de la lámina Crlbosa del hueso etmoides hasta los bulbos olfarortos del encéfalo, donde hacen sinapsis con neuronas sensitivas sepmdarias. Las neuronas sensitivas y de orden superior se proyectan hasta la corteza olfatoria. Vías paralelas se dlrtgen a la amígdala y el hipocampo. Golf es una proteína especial en lgs receptores olfatorios que, cuando es activada por una sustancia odorífera, aumenta el cAMP intracelular. El cAMP abre los canales iónicos, lo que conduce a la despolarizadón de la célula e inicia la señal olfatotia en el cerebro. 27. Las sustancias químicas para los sabores amargo, dulce y umami·se unen a receptores de membrana sobre las papilas gustativas, y aCtivan sistemas de segundos mensajeros. Diferentes re<:eptores asociados a la . proteína G están involucrados para los tres ligandos, y activan.varias vías de traducción de señales diferentes. Algunos disparan !a libera· ción del caldo inttacelular mientras que otros abren los canales de caldo. Los gustos salado y áddo son en realidad sólo los Iones Na+ y H+; estos iones de sabor entran en el receptor a traVés de canaleS lóni· cos. La entrada de estos iones en !a célula despolariza el potencial de membrana, lo cual a su vez abre los canales de caldo regulados por voltaje. El
32. La intensidad puede ser codificada por la frecuencia de potenciales de acción y la duración por la duractón de un tren de potenciales de ac· ctón. 33. Comience con la figura 10.28 y los componentes básicos de la vísión. Trabaje en los detalles y los términos relacionados a partir del texto. 34. Véase el cuadro 10.1 y la sección para cada sentido especial.

11/IVEL 3: RESOWCIÓIII DE PROBLEMAS 35. Usted está evaluando el sentido somático del tacto-presión, mediado a través de terminaciones nerviosas libres y los re<eptores de Merkel. Cuando ella sólo siente una sonda, se debe a que ambas agujas están dentro de un mismo campo perteptivo. 36. Algunas pruebas bien conocidas incluyen hacer que las personas in· tenten caminar en línea recta o pararse en un solo pie con los ojos ce. rzados. Otras pruebas Incluyen funciones cerebrales superiores, como recitar el alfabeto hada atrás. 37. El primer sentido por evaluar en un nií'io con dificultad para hablar es la audición. Si el nlilo no puede escuchar bien, no puede oír Jos soni· dos para aprender un lenguaje. 38. Normalmente, cuando se hace brillar una luz en algún ojo, esto debe inducir la constricción pupilar en los dos o¡os (reflejo consensual). Dado el reflejo normal al hacer brUJar la luz en el ojo derecho, parece ser que los componentes motores del reflejo de ambos ojos están intactos. La ausencia del reflejo al estimular el ojo Izquierdo sugiere dafio de !a retina izquierda o del nervio óptico izquierdo.

CAPITULO 11 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Las dos diVisiones eferentes del sistema nervioso autónomo son la di· visión motora somática, que controla los músctúoS esqueléticos, y !a diVisión autónoma, que controla el músculo liso, el músculo cardía· co, las glándulas y Parte del tejido adiposo. 2. El sistema nervioso autónomo también puede llamarse sistema nervioso visam1 porque regula el funcionamiento de los órganos internos o vísceras. Algunas de las fundones que controla el Sistema nervioso autónomo son fu frecuencia cardiaca, la presión arterial y la digestión. 3. Las dos diVisiones del sistema nervioso autónomo son fas diVisiones simpática y parasimpática. Desde el punto de vista anatómico, las neuronas simpáticas salen de !a médula espinal en las reglones torá· cica y lumbar y tienen sus ganglios cerca de la propia médula. Las neuronas parasimpáticas se originan en el tronco encefálico o en la región sacra de la médula espinal y tienen sus ganglios sobre sus efec. tores o reca de ellos. En el caso de la división Simpática, el neurotransmisor liberado sobre el tejido diana es la noradrenalina, y la acetilcol!na es el neurotransmisor que libera la división paras.impática. Desde el punto de vista fls.lológico, la inervactón simpática
'""'1-,-

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Apéndice A

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Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

10. Los receptores colinérgtcos nicotínicos se encuentran en la célula postsinliptlca de la unión neuromuscular.

I'JIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 11. Use la infonnadóp. de las figuiaS 11-10 y 11·11 para crear este esquema. 12. La divergencia de las vias nerviosas del sistema nervioso autónomo permite que una única señal tenga efectos sobre varios efectores. 13. a) Las uniones oeuroefectoras OCUIIen en un axón cada vez que ha. ya una varicOSidad. Las uniones neuromusculares del sistema nervioso somático se encuentran en las terminales axónicas de la neurona motora somática. La Uberilctón y la actividad del neutOo transmisor es similar en ambos tipos de uniones. b) Los receptores alfa y beta son adtenérgicos. Los nicotínicos y los muscarínicos son colln>cos. La división motora somática sólo tiene receptores nicotínlcos pero las divisiones autónomas tienen receptores nicotínicos en las neuronas posganglionares y receptores adrenérgicos o muscarlntcos en los efectores. 14. a) Los ganglios autónomos contienen los 01erpos de las neuronas autónomas po;gangUonares. Los núcleos del SNC son conjuntos de 01erpos de neuronas localizados en el cerebro y en la médula espinal. b) Las glándulas suprarrenal e hipófisis son g!lindulas complejas compuestas tanto por tejido endoalno verdadero (la corteza suprarrenal y el lóbulo anterior de la hipófisis) como po; tejido neu. roendocrlno (la m&!ula supranenal y la hipófisis posterior). e) Los botones terminales se en01enttan en los extremos de los axones. Las varlcosidades son áreas de Uberadón -de neurotransmiSores como 01entas en toda la longitud de los extremos de las neuronas autónomas. · 15. a) 1,2 b)3 c)4 d)3 16. d), e) ·

1'1/VEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 17. El gradiente electroquímico pata el Na+ es mayor que para el K+. 18. a) Es probable que el marcador sea captado por el terminal axónico mediante endodtosis. b) Los ganglios autónomos pataslmpliticos se localizan cerca de los órganos. diana. e) Las neuronas simpáticas posganglionares secretan acetilcolina sobre sus efectores. 19. Cualquier animal envenenado con curare experimentará una pérdida de las funciones del músculo esqUelético. El animal quedaiá paraliza. do y sen incapaz de movet sus miembros, por lo tanto no podni huir. Los músculos respiratorios también se verán afectados y, si la dosiS de curare es sufidE:Il;fe, el ~al morir<í po~ asfixia.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS ZO. a) Entre los estudiantes s«:undarlOS el Milito de fumar aumentó entre 1991 y 1997 y luego comenz{l a disminuir. . b) Los estudiantes de sexo masculino tienen mayor probabilidad de fumar que las mujerey i los blancos fuman mlis que los latinos, que 10 hacen mlis q!ie los ·negros. Por lo tanto, es más probable que los
3. El músculo esquelético está controlado estrictamente por neuronas motoras somliticas. a) Falso, los músculos comprenden alrededor del40% del peso cor-

porn!. b) Verdadero. e) Verdadero.

d) Verdadero. S. Los componentes del músculo esquelético son vaina del tejido conectivo, s:ucolema, mioflbr!llas y miofllamentos. 6. El retículo endoplasmático modificado del músculo esquelético se denomina retiwlo sarcophísmico. En él se almacenan y ámcentran los iones CaZ+. 7. Los túbulos T permiten que los potendales de acción discurran hasta el interior de la fibra musodar. 8. Las mlofibrillas están formadas por actlna, mioslna, troponina, tropomiosina, titina y nebulina. La mioslna produce el golpe de fuerza al unirse a la actlna y tirar de ella. 9. Los discos Z forman los límites de un sarcómero. La banda en I tiene un disco Zen el centro; la banda Acons!SI:e en los filamentos gruesos¡ la zona H es la región más tiara de la banda A; la línea M, que diVide la banda Apor la mitad, es donde los filamentos gruesos se unen unos con otros. 10. La litina y la nebulina mantienen a los miofilameritos en alineadón. Además, la titina es elástica y ayuda a que los músculos estirados retomen a su longitud de reposo. 11. Durante la contracdón muscular, la banda A (mioslna) mantiene una lQng!tud constante. La wna H y la banda I se acortan durante la <:OU· tracción, y los discos Z se aproximan entre si, 12. La teoría de los filamentos (ieslizantes establece que una célula .muscular se contrae aumentando la supeq¡osldón de filamentos delgados y gruesos en cada sarcó.mero de cada mlofibrilla. Las cabezas dti miosina sobre el filamento grueso se unen a la actina. Cuando la cabeza de miosina se indina, tiran de los filamentos de actina hada el centro del sattómero. 13. Fíbras giucolíticas de contracctón rápida: a, b, e; fibras Oxidativas de amtracdón rápida: g, f, d, e; fibras oxidativas de contracdóo lenta: e, ~t~

.

14. Un aumento en eaz.. Ubre intracelular activa la troponina, la cual reposldona la tropomloslna, descubriendo los sitios de unión a la míosiDa de la actina. 15. Las neuronas motoras somáticas liberan acetilcollna. 16. La plaCa terminal motora es la región de una fibra muscular donde ocurre la slnapsis. Contiene receptores de ACh. Fl influjo de Na+ en la placa terminal motora hace que las dlulas se despolaricen y disparen un potencial de acctón. 17. Un único ctdo de contracctbn/relajactón en una fibra de músculo esquelético se conoce como rontmcci6n. 18. La unión del ATP a la mlosina hace que la miosina se disocie de la actl.na. La hidrólisis de ATP hace que la cabeza de mlosina oscile y se una a Una nueva molécula de actina. La liberactón del fosfato inorgánico inlda el golpe de fuerza. 19. La unidad básica de contracdón en una molécula esquelética Intacta es la unidad motara. La fuerza de contracdón dentro de un músculo esquelético se incrementa con. el reclutamiento de unidades motoras adidonales. 20. Los dos tipos son el músculo liso de unidad única (viSCml) y de unl· dades múltiples.

NIVEL Z: REVISIÓN DE CONCEPTOS.

CAPITULO 12 NIVEL 1: REVISIÓI'JDE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Los tres tipos de múscul.o son lisO, cardíaco y esquelético. Los músculos esquelétitoS están unidos a los huesos. 2. Los dos múscúlos estriados son el músculo cardíaco y el músculo esquelético.

21. Utilice las figuras 12-3 a 12-6 para ayudarse a construir este mapa. 22. Utilice las figuras 12-9 a 12-11 para ayudarse: a construir este mapa. 23. El potenctal de acctón activa los re<:eptores DHP que abren los canales de caz.. en la membrana del retículo sarcopllismlco. El caldo difunde entonces fuera del retícilo sarcoplásmlco. 24. Las células musculares pueden formar algo de ATP por transferencia de energía desde la fosfocreatlnlna. Las fibras oxidativas que requieren oxígeno pueden utilizar glucosa y liddos grasos parn formar ATP;

las fibras glucolíticas obtienen su ATP fun~talmente de la glucólisiS anaerobia. 25. El cansando muscular es un estado en el cual un músculo ya no puede generar ni soStener la fuerza esperada. La causa física del can· sancto es poco clara y puede involucrar <:ambios en las concentra· clones iónlcas, agotamiento de nutrientes o efectos de éstos sobre el acopiamiento exdtadón-contracdón. El cansando central es una sensactón subjetiva de fatiga y puede ser un mecanismo protector. Las células musculares pue(len volverse más resistet)tes a la fatiga al aumentare! tamail.o y la cantidad de mítocondrias, así como la irrl· gadón del múSculo. 26. Para vartar la fuern, el 01erpo utiliza diferentes tipo:¡ de unidades motoras y recluta diferentes cantidades de unidades motoras. Los movimientos pequeños utilizan las unidades m(!toras ron menos fibras musCIJlares; los movimientos gruesos utilizan unidades motoras con más fibras. 27. Vé.ase"cuadtol2-3. 28. El retículosarcoplásmioo almacena caz.. ylo liberaanteunaorden. El eaz.. para la contracción del músculo liso entra en la dlula desde el líquido extracelular. 29. a) Las fibras g!ucolítito.oxidativas de oontracdón .rliplda son más pequeñas, contienen algo de miog!obina, utilizan tanto metabolismo ox!dativo como glucolítico para !a produCCión de ATP y son rnás resistentes al cansando. Las fibras glucolíticas de contracción .rlipida tienen un difunetro más grande, dependen fundamentalmente de la glucólisls anaerobia pata la s!ntesls de ATP y son menos resistentes al cansando. Las fibras de oontracdón lenta desarrollan tenSión más lentamente y mantienen dunmte más tiempo la tensión, son las más resistentes al cansando, dependen fundamentalmente de !a fosforiladón oxidatlva para la produroón de ATil tienen más mitocondrías, mayorvascularldad, cantidades más grandes de miogloblna y tienen un diámetro más pequeño. b) Un único ctclo de contracctón-relajadón es una contracctón. El tétanos es una <:ontracdón con poca a ninguna relajación, que ocurre con frecuenctas del estímulo elevadas. e) Los potendales de acctón tanto en las neuronas motoras como en las células del músculo esquelético son el resultado de la corriente: de sodio hada adentro y de la corriente de potasio hada afuera a través de los canales iónlcos regulados por voltaje. En una neurona motora el potenctal de acctón dispara la llberadón de . ACh, la cual finalmente conduce a la contracdón muscular. El potendal de acción muscular desencadena la llbetactón de Cal+ desde el retículo sarooplásmlco; el eau a su vez dispara la contraCción. d) En una neurona motora, la suma temporal determina si la neurona ptodudrli o no un potencial de acción. La suma en una éélula muscular ocurre 01ando la fuerza pico aumenta a .medida que aumenta la frecuencia de la esti.muladón. Esta suma tiene lugar · cuando la concentración de caldo libre en el Interior de la célula aumenta y, por lo tanto, se pueden fonnar más puentes ouzados y produCir más fuerza. e} La contracdón isotónica mueve la carga. La contracdón isomMri· ca crea tensión sin mover la carga. En la mayoría de. los movimientos existe una fase isotónica y una fase isométrica. La acción concéntrica es aquella en la que el músculo se acorta en el movi· miento controlado de una carga. La acdón excéntrica es la que ocurre 01ando el músculo se alarga en el movimiento cOntrolado de una carga. Realizar un curl de bíceps Implicaría acdones concéntricas y ex<:éntrlcas altemant~ f) Los potenciales de onda lenta son ddos de despolarizactón y repolarización del potencial de membrana que ocurren en las células de músculo liso. Los potenciales de marcapaso son despolarizactones lentas repetitivas hasta el umbral que ocurren en algunos tipos de células de músculo liso y en el músculo <:ardíaco. g) En el músculo esquelético, el eaz.. proveniente de depósitos intet· nos regula la contracción. En el músculo liso, el ea u para la contracctón tiene como fuentes Jos depósitos internos y el líquido ex-

·""".,m

Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

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30. La liberación de ca2• desde el retículo sarooplásmlco del músculo liso comprende un canal activado por 1P3• La entrada de eaz.. desde el lí·

quido extracelular ocurre a través de canales que se abren en respuesta a !a despolarización, el estiramiento o las señales químicas. La despo!arizactón es el resultado de los potenciales de onda lenta o de po· tenctales de .maocapasos. El. estiramlenl!) es el resultado del aumento del volumen del contenido del órgano hueco roya pared contiene músculo liso, por ejemplo, la vejiga. Los neurotransmisores autóno· mos, las neuronas y las sustancias paracrinas son importantes facto· res químicos.

I'JIVEL 3: RESOLUQÓI'J DE PROBLEMAS 31. a) El agregado de ATP pennite que los puentes cruzados se despren· dan y que la mioslna pueda separarse de la actina. Si no hay Ca2+ sufictente, el músculo se relaja. b) Si existe tanto ATP como Cal+, el músculo continuará en ctclo de contracdón hasta que está completamente contraído. El músculo se mantiene contraído mientras haya CaZ+ Ubre en concentraciones sufictentes. 32. Dado que el curare no interfiere con la secredón de acetllooUna y aun así Impide la contracdón del músculo esquelético, debe interferir con los procesos que siguen a la liberación de ACh. Éstos incluyen la difusión del ACh a través de la hendidura sinliptica, la fijactón del ACh a los receptores de la fibra muscular, !a apertura de los canales Jónicos ligados al receptor y !a producción de un flujo !ónico que lleve al potendal de acdón musrular. Para interferir con el flujo lónico, el curare tendría que unirse a una cantidad importante de Iones o bloquear los canales Jónicos. Se ha demostrado que el curare se une al receptor de acetilcolina,. impidiendo así la activación por la ACb de los canales asociados. 33. La característica del músculo que más depende de la altura del indivi· duo es la longitud del músculo, porque está relacionada con la long!· tud del hueso. Aceptando que estos atletas son delgados, las diferencias en peso y por lo tanto en masa muscular están correlactonadas con la fuerza muscular, de modo que los atletas más pesados deben tener músculos mlis fuertes. Los factores más importantes son la resistencia relativa y la fuert4 necesarias para un deporte dado. Cualquier músculo dado tendrá una <:ombinadón de tres tipos de fibras, y las reladones exactas dependen de la genética y del tipo específico de entrenamiento atlético. a) Correr hada uno y otro lado de la cancha de basquetbol requiere tanto resistencia, debido a la duradón del juego, como ruma, porque los jugadores deben correr rápido, Hacer un pase preciso o lanzar la pelota requiere una fuerza variable que depende de la diStancia que debe moverse la pelota, ya que la pelota representa una <:arga mínima. Elevarse para· encestar mientras se realiza el lanzamiento requiere fuerza, ya que la carga es la totalidad de la masa del atletas, pero la actividad no es sostenida, por lo que la resistencia no es importante aqui.Los músculos de la pierna ten· ddan una mayor proporción de fibra glucoliticas de contracción rápida, que generan la mayor parte de la fuerza para el salto, y oxidativas de contracdón rápida, que tienen más resiStencia para la carrera. Los músculos del brnro y del hombro tendrán una proporción mayor de fibras glucolítlcas de contracción rápida, por· que el lanzamiento reqUiere una contracción rápida y precisa,. y gran fuerza cuando se realiza a distancia. b) Un lazador de novillos requieremudla fuerza, tanto en los mlem· bros superiores como en !os Inferiores y en el tronco, pero la duradón de la actividad es relativamente <:arta. Los músculos tendrán mayor propotdón de fibras glu!=Qlitica'i de contra<:dón rápida. e) Las patinadoras artisticas requieren tanto fuerza como resistenda. Las piernas hacen la mayor parte del trabajo: producen gran fuerza durante los saltos y mantienen la actividad cuando atraviesan el hielo. Los músculos del tronco deben sostener a la patinadora en posiciones precisas. Los músculos del tronco tendrán una proporción mayor de fibras oxidativas de rontracdón lenta pata· resistenCia. Los músculos de las piernas tendrán una propordón

·~·

A-14

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión

d~l final

de los capítulos

mayor de fibras oxidatlvas de contracción rápida, para moverst! a través del hielo, y fibras g!ucolíticas de contracción rápida para dar potencia a los saltos. d) Una rutina g!Illnástica requiere mucha fuerza en )os brazos y las piernas, y gran resiStenCia en los músculos del tronco y las extremidades. Los músculos del brazo y de las piernas tendrán mayores proporciones de fibras glucolíticas de contraCCión rápida, como para generar fuerza en la barra de equilibrio, las barras paralelas aslmétticasy los ejercidos de suelo. Las fibras oxidativas de contracdón lenta de los músculos de los miembros y el tronco mantienen la posición precisa del cuerpo durante todas las ruti-

"" NIVEL 4: PROBLEMAS ANAIJTICOS 34. Los datos sugieren que la fatiga muscular puede ser el resultado de la acumulación de lactato o de la pérdida de PCr. Para leer el articulo original, vaya a http:/jap.physiology.org y utilice la función BÚSQUEDA para encontrar el artículo. 3S. a) El bíceps necesltaóa ejercer una fuerza de 7,S kg pan mantener el brazo estacionario, un 125% mayor que la del bíceps Insertado a San,

b) Con un peso de 7 kg a 20 cm, el bíceps neeesita ejercer otros 28 kg adicionales de fuerza. Esta fuerza es menor que si el peso secolocara en la mano.

CAPiTULO 13 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Todos los reflejos neural.es comienzan con un estimulo.

2. Los reflejos somáticOs inciuyen a los músculos esqueléticos; los reflejos autónomos, o vtscerales, están controlados por neuronas autónomas. 3. El patrón de las vlas que lleva la información de muchas neuronas a un número más pequeño es la convergencia. 4. Si una neurona moduladota presináptica disminuye la cantidad de neuronansm.tsor liberado por su neurona diana, la modulación se denomina inhibici6n presináptica. S. Los reflejos autónomos también se denominan reflejos viscerales porque muchos de ellos Involucran a los órganos Internos conocidos en conjunto como vísceras. 6. Los reflejos viscerales Incluyen m.tcd6n y defe<.actón. Los reflejos craneales Incluyen control de frecuenda cardíaca, presión arterial y tem. peratura corporal · 7. El sistema Iímbico está involucrado en la conversión de la emoción en reflejos viscetales. Algunos reflejos que pueden estar Influidos por la emoción soi): ñecuencta cardiaca, función gastrointestinal y fre. cuenda .respiratoria, 8. El reflejo autónomo más simple tiene dos slnapsis neurona.neurooa y una S1napsis neurona.dlana. Las sinapsis neutona·neurona están en la médula espinal entre la neurona sensitiva y la neurona eferente pregangllonar, y en los ganglios autón.omos, entre las neuronas preganglionar y posganglion?t 9. Los tres_ tipos de receptores sensitivos pata los reflejos musculares son el órgano tendinoso de' Golgl, el huso muscular y los propioceptores denominados mecanorreceptores de la cápsula articular. 10. Aun en reposo, .los músculos m¡mtienen el tono. 11. Aumenten. Este reflejo es útil porque impide el daiio por sobreestlla· miento. 12.a)2,3,5;6 b)1,2,6 c)1,2,4 13. El ótgano tendinoso de Golgl responde tanto al estiramiento como a la amtracdún pero más "firmemente a la contraCCión.· La activación dis· minuye la contracción muscular a través de la inhibldón de la neurona motora a. 14. Los reflejoS" más simples son los reflejos de músculo esquelético, con una sinaps!S entre dos neuronas (monoslnáptico). Un ejemplo es el reflejo rotuliano (tendón patelar).

15. Los tres tipos de movimiento son movimientos reflejos, como el reflejo rotuliano, movimientos voluntarios, como tocar el piano y moVimientos ntmicos, romo caminar. Los mOVimientos reflejos son Integrados en la médula espinal; los otros dos tipos involucran al cerebro en algún punto. Los movimientos reflejos son Involuntarios; Jos movimientos ríttrucos son iniciados y terminados por sei\a!es de la corteza cerebral pero en el intermedio son involuntarios.

NI~L 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS .

16. La coactivadón ~permite que los husos musculares continúen fun. donando cuando el músculo se contrae y de otro modo relajarían la tensión sobre el huso. Cuando el músculo se contrae {bajo control de las neuronas motoras u), los extremos de Jos husos también se contraen (bajo control de las neuronas motoras 'V para mantener el esti· ramiento sobre la porción central del huso. 17. SI M es una neurona inhibidora, la liberación del neurotransmiSor por P disminuirá cuando el neurotransmisor Mhiperpolarice el potendal de membrana postsináptco de P. 18. a) El reflejo rotuliano se utiliza pan evaluar la función del arco reflejo local y los componentes del sistema nervioso central que re· gu!an el mOVimiento de las extremidades. Un reflejo reduddo o ausente indicaría el daño del músculo cuádriceps, los nervios que lo controlan o el área de la médula espinal donde se orlginan los nervios. Un reflejo hlperactivo indicaóa daño de la médula espinal en un nivel por encima del arco reflejo o daño de las áreas motoras del encéfalo. b) Fste reflejo es bastante fácil de inhibir por la !ntendón ronsclen· te o si se está nervioso, de modo que el reflejo probablemente sea menos evidente. El origen de esta inhibición es la corteza motora primaria. Las dlulas !nhibitorias produdrán PPSI en la neurona motora espinal e) El cerebro se distrae ron alguna otra tarea, las señales inhlbitorias · presumiblemente se detienen y el médico puede evaluar más fá. dlmente el reflejo.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 19. a) Se impide la liberación de transmisor acttvado por Ca2+. b) La célula se hiperpolarizará debido a la entrada de cr y Ios canales de Ca2~ regulados por voltaje en la ten:nlnación no se abrirán. e) MISma respuesta que en b, pero debido al K+ que abandona la re. lula. 20. Véanse figuras 13·12 y 13-13. Las partes del encéfalo involucradas son tronco encefálico, cerebelo, ganglios basales, tálamo, corteza cerebral (corteza visual, áreas de asociación, área motora). 21. a) El miedo acttva el sistema nervioso simpático, que regula múltiples funciones fisiológicas, que incluyen frecuencia cardiaca, músculos piloerectores de la piel y otros reflejos de sobresalto. b) El sistema !imbiro participa en las emociones, que incluyen el miedo. Las funciones del siStema Iímbico incluyen la regulación de otros impulsos primitivos como sexo, ira, agresión y hambre, y los reflejos que incluyen la micción, la defecación, el ruborizar· se, empalidew y la piloerecd:ón. El sistema Iímblro influye principalmente en la eferencta motora autónoma. Corazón, vasos sanguíneos, músculos respiratorios, músculo liso y glfuldula son al· gunos de los órganos diana Involucrados. e) La pllooección ocurre porque existen músculo~ lisos denomina· dos músculos piloerectores que se insertan en la base de cada cabello. Los músculos lisos están controlados por división autónoma. 22. Ambas toxinas son producidas por bacterias del género C/omidium. Clastridium tetani está en el suelo y puede entrar en el. cuerpo a través de un corte. Clostridiwn botulini puede presentarse en los alimentos envasados Incorrectamente y puede entrar en el cuerpo a través .de la ingestión. Ambas toxinas producen parálisiS (falta de control) de los músculos esqueléticos. La toxina tetánica inhibe la secreción de glicina desde las lnterneuronas que nOrmalmente inhiben a las neuronas

Apéndice A motoras somáticas. Esto libera las neuronas. de !a inhibición, de modo que disparan contracciones prolongadas en los mÚ$CUlos esqueléticos; esto se !!ama parálists espástica. La toxina botulínica bloquea la secreción de acetilcollna de las neuronas motoras somáticas. Los músculos esqueléticos no se contraen a menos que se presente acetilrolina, de modo que esta toxina produce parálisis fláccida.

CAI'iTULO 14 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y DE TÉRM/fiiOS l. a) William Harvey fue el primer europeo en describir un aparato c.ir· culatorio cerrado. · b) Frank y Starllng descrtbieron la relación entre el estiiamiento del músculo ventricular y la fuerza de su contracción. e) Malplghi describió los capilares. 2. Las tres funciones del aparato cardiovasculat son transporte de materiales que entran y que salen del cuerpo, defensa y comunicación célula a célula. 3. a,e,d,b,f,c 4. La razón primaria por la cual la sangre fluye es el gradiente de presión. En los seres hwnanos, este valor es máximo en el ventrku1q izquierdo y en la aorta, y es mínimo en la aw{rula derecha. En un sistema en el cual la sangre fluye, la presión disminuye con la distancia debido a la fricd6n.

5. Si ocurre vasodilatadón en un vaso sanguíneo, la presión disminuye. 6. Las antones celulares entre las dlulas miocárdicas son los discos info. calares, que contienen uniunes en hendidura. 7. Nodo sinoatrial a vías lntemodales de! sistema de conducción auricular, a nodo AV, a haz de !fu (ram.as izquierda y derecha}, a fibras de Pwklnje, a miocardio ventricular. 8. a) El volumen de fin de sístole es el volumen de sang[e que queda en el ventriculo después de la"contracción cardiaca; el volumen de fin de diástole es el volumen en el ventrículo cuando el cora· zón comienza a contraerse. b) El control simpático (adrenalina o noradrenalina sobre los receptores adtenérgicos 1\) awnenta la frecuencia cardíaca El control paraslmpático (ACh sobre los receptores muscarinlcos) disminuye la frecuenda cardíaca. e) La diástole es la fase de relajación del corazón. La sístole es la fa· se de contracción. · d) La circulación pulmonar se dirige bada los pulmones; la circula. ción sistémica se dirige bada el resto del cuerpo. e) Los potendales de acción pasan desde el nodo sinoatrial, UlJ gru· · po de dlulas autonitmicas en la "parte superior" de la aurícula deredla, bada el nodo AV, que son células autonítmicas en el pi·. so de la aurlcula derecha. 9. a) 11 b)IZ c)3 d)14 e)8 f)l g)10 h)2 i) 6

Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os capftulos

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res en células autonitmicas para la rápida conducción y la acción como marcapasos. 1S. Las rontÍacdones en el músculo cardíaco no muestran suma ni tétanos debido al largo periodo refractario que impide un nuevo po.. tencial de acdón hasta que el músculo rnrdiaco se haya relajado. 16. Véase figura 14·21. La relajadón auricular y la contracción ventricular se superponen durante el complejo QRS. Los eventos mecánicos que Siguen a las ondas son contracCión o relajación del músculo car· díaco. 17.a)3;5enlaúltimaparte b)5 c)3 d)S e)2 f)2 g)S h) 6

18. El ECG proporciona información sobre frecuencia cardiaca, ritmo cardíaco {regular o inegular), velocidad de conducción y la ronducdón eléctrica del tejido cardíaco. Sugiere indirectamente qué eventos mecánicos están ocurriendo. El ECG no da ninguna información directa sobre la fuerza de contracción. 19. Un efecto lnotrópico es un efecto sobre la fuerza de contracción cardíaca. La noradrenalina y los glucósidos cardfacos como el digital tienen un efecto inotrópico positivo.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 20. Los bloqueantes de los canales de caldo disminuyen el volumen minuto al hacer más lenta la frecuenda cardíaca y disminuyen la fuerza de contracdón al bloquear la entrada de ca2<- y reducir la liberación de Ga2+ inducida por calcio. Los betabloqueantes disminU·

yen el volumen minuto al bloquear el aumento de la frecuencia cardiaca y la fuerza de contracción por la noradtenalina y la adre-

"'""•

21. a) El músculo cardíaco del capitánJeffw: está dañado por la falta de oxígeno y las dlulas son incapaces de contraerse con tanta fuer· z.a.. Por lo tanto, bombea menos sangre desde el ventrículo cada vez que se contrae. b) Las derivaciones son dos electrodos de registro colocados sobre la superfide del cuerpo para medir la aCtiVidad eléctrica. e) Las derivaciones son efectivas porque la electricidad es conductda a través de los líquidos corporales hasta la superficie cutánea. 22. Un intervalo P-R más largo de lo normal en un ECG podría ser el re· sultado de un problema de conducción en el nodo AV o en el sistema de conducción ventricular. 23. Una frecuenda de despolarización auricular lápida es peligrosa porque puede producir una frecuencia ventricular lápida. También, si la frecuenda es demasiado lápida, no todos los potenciales de acciÓn pueden ser conducidos a los ventriculos debido al período refractario del músculo cardíaco. Esto puede conducir a una arritmia. El nóduio AV se destruye pan evitar que las señales auriculares rápidas pasen a los ventticulos, y el marcapasos ventricular se .implanta para que los ventrlculos tengan una señal eléctrica que les diga que se contraigan a una frecuencia apropiada.

j)4.

Véase el capítulo para definidones y términos no utilizados. 10. Las vibtadones por el derreAV producen el ruido "lub" y el cierre de las válvulas semilunares produce el ruido "dup~. 11. a) frecuenda cardíaca b) volumen de fin de diástole e) volumen sistólico d) votwnen minuto e) volumen sanguíneo

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALfnCOS 24. VSNFD = 0,25. Si VS =40 mL, VFD = 160 mL. VS =VED- VFS, en· tonces 40 mL"" 160 mL- VFS, por lo tanto VFS =120 mL. VM "' FC x V5 =100 lpm x 40 roL/latido= 4000 rnUmin o 4 L/min. 25. a) 162,2 cm 140 b) 108,1 cm H20 26. S 200 rnUmin o S,2 L/min 27. 85 mL 28. a) 1 min b) lZ.s

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 12. a) Renútasealafigural4-1. b) Utilice las figuras 14-31 y 14-27 como punto de inicio para su

"""'·

13. Véanse figuras 14·24 y 14-26. 14. Véase cuadro 12-3. Las p¡:op!edades del músculo cardíaco esendales son las fuertes wúones Intercelulares, las uniones en hendidura para la conducción eléctrica y la mod!ficadón de algunas células muscula.

CAPÍTULO 15 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. La prtoridad de la homeostasis de la presión arterial es mantener la perfusión adecuada en el cerebro y el corazón. 2. a)6,9 b)l,2 c)4,7 d)3,5,6,8 e)3,4

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Apéndice A

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

f) Los peridtos·son células que rodean el endotelio de los -capilares 3. Las paredes de los vasos sanguíneos tienen endotelio, que se encarga y regulan su permeabilidad. del intercambio de gases en los capilares y secreta sustanCiaS paracrl· 20. Las dos lipoprotelnas principales que transportan colesterol son HDL nas importantes; tejido elástico, que permite la retracctón elástica de y WL.l.a LDL es mala si su concentración es muy elevada; el aumen· las paredes de los vasos después de su estiramiento; mlÍSCtl!o liso, que to de la concentradón de HDL es bueno. proporctona resistellda al estlramiento y también puede confraerse; y tejido conectivo fibroso, que también ofrece resistencia al estira· NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS miento. 4. Las arteriolas regulan el flujO sanguíneo hada los tejidos. 21. Mapa conceptual: utilice la figura 15-10 como punto de partida y s. La presión aórtica se aproxima a 120 mm Hg durante la sístole. Duran· agregue otros detalles Siempre que sea posible. te la diástcle la presión aórtica disminuye hasta un valor de 80 mm Hg. 22. a) Tanto los capilares linfáticos como los sistémicos tienen paredes Este registrO de la presiDnarterial se expresa como 120/8(). delgadas pero Jos poros de los capilares linfáticos son más gran6. El aumento rápido de la presión se puede percibir como un pulsa. La des. Los capilares linfáticos tienen extremos ciegos y fibras conecuación para determinar la presión diferencial es presión sistólica tráctiles que contn'buyen al flujo del liquido, mientras que los camenos presión diastólica. pilares sistémicos dependen de la presión arterial sistémica para 7. El retomo venoso depende en gran medida de las válvulas unidirec· su dn:ulación. ctonales en las venas, la bomba muscular esquelética y la presión bab) En general, la división simpática aumenta la presión arterial a tia· ja en el tórax que se producedtllante la respiración. vés del incremento del volumen minuto (frecuencia cardiaca y 8. La hl~lón, o sea el aumento de la presión arterial. compromete volumen sistólico) y la producción de vasoconstricdón. La diVi· la salud porque la presión elevada en los vasos sanguíneos puede oca· s!ón paraslmpática puede reducir la presión arterial a través de la sionar la ruptma de un vaso san guineo debilitado y$aJW3do. disminución de la frecuenda cardíaca, pero no ejerce efectos so9. Los ruidos de Korotkoff se producen cuando la presión del manguito bre la vasodllatadón o la vasoconstricclón. es menor que la sistólica pero mayor que la diastólita. e) Ellfquido linfático es similar al plasma sin la mayoría de las proIO. En el cuadro 15-2 se enumeran las sustancias paracrlnas que produteínas plasmáticas. Además, casi todo el volumen sanguíneo está cen vasodilatadón. Otias dos formas de controlar las arttt!olas son la ocupado por células. contracción desencadenada por las neuronas simpáticas (receptores d) Los capilares continuos tienen pequeños poros y regulan el mov!· a) y la vasodilataciÓn prodUCida por la adrenalina (receptores ~2 premiento de las sustancias en fonna más efectiva que los capilares sentes en algunos órganos). fenestrados, que tienen poros más grandes. En estos últimos tam· 11. La hiperemia es el aumento del flujo sanguíneo en una región dr· bién se pueden encontrar espaciOS grandes que permiten elltlgrecunsoitl. En la hiperemia activa, el flujO sanguíneo aumenta en res. so de las proteínas y las dlulas de la sangre en el torrente drcula· puesta a un incremento del metabolismo. La hiperemia reactiVa es el torio. aumento del flujo luego de un período de reducción del torrente dr· e) La presión hidráulica (bldrostática.) Impulsa el líquido fuera de Jos culatorio. capilares; la presión osmótica coloidal de las proteínas plasmátl· 12. La mayoría de las arteriolas sistémicas recibe inervación simpátita. cas conduce el líquido hada el interior de los capllareS. En los caComo excepciones se mendonan las arteriolas cerebrales {no reciben pilares Sfstémlcos, la presión hidráulica que se desarrolla en toda reguladón nerviosa) y las arteñolas del pene y el clítoriS, controladas la longitud de los capilares supera la presión osmótica coloidal y por la división parasl.mpática. genera la filtración neta del líquido fuera de los capilares. 13. a) 1, S b) 2, 6 e) 1, 2, 4 d) 3, 8 e) ninguna de las anteriores 23. Cuando re inhibe el ingreso de eau en los músculos cardiaco y Uso, 14. El tubo digestivo, el hígado, los riñones y los músculos esqueléticos disminuye la ca.paddad de estos m11sculos para contraerse. la reduc· redben más de dos terceras partes del votumen minut_o en reposo. Los dón del ingreso de eau en las células autorrltmlcas reduce la frecuen· tiftones reciben el máximo flujo sanguíneo por unl$-d de peso. da cardíaca y el volumen minuto. Estos fármacos no alteran las neu· 15. La densidad de capilares en un tejido es directamente proporcional a ronas ni otras células porque poseen tipos diferentes de canales de su tasa metabólica. El cartílago tiene una de las densidades capilares caldo, que no interactúan con estos fármacos. . más bajas. mientras que los músculos y las glándulas poseen las den· 24. La autorteguladón mlogénica es la capacidad del músculo Uso vascu· sidades más elevadas. lar para regular su propia contracción. Este proceso se puede deber al 16. a) difusión Ingreso de Cal+ cuando el músculo está estirado, lo que desencadena b) dlfuslón o tzanseltosls una contracción refleja, o puede ser seamdario a la secreción de suse) dlfuslón facilitada tandaS paracrinas procedentes del endotelio. d) ósmosis .. 25. La lfl5Uficienda cardfaca izquierda produce la aounuladón de sangre 17. Los vasos linfátiCos participan en las íundones del sistema inmunlta· en los pulmones, lo que incrementa la presión hldrostátlca en los cano, el aparato ~torio y el aparato digestivo. · pilares pulmonares. Esto puede ocastonar edema pulmonar, que se 18. Edema es el exceso de líquido qu.e ~e acumula en el espado futers-aseda con disnea cuando el o:dgeno no puede difundir con facilidad tidal y se produce cuando la filtración en los capilares supera la ca· hada el resto del organismo. Sl aumenta la presión en forma retrógrapaddad del sistema linfático p
enfermedad cardiovascular en las dos ramas de la familia Su único factor de riesgo controlable es el aumento de la presión arterial (hi· pertensión), b) Roberto tiene hipertensión porque su presión arterial sistÓlica es mayor de 140 o su presión arterial diastólica es mayor de 90 en vañas ocas.iones. Sería útil confumar que estos valores no se p_ro.. dujeron debido a ansiedad en la consulta m&lica y con este fin se le puede indicar al paciente que eón trole su presión arterial durante una semana en Varias situaciones diferentes del consUltorio, como por ejemplo en una farmacia. e) Los betabloqueantes pueden ayudar a reducir la presión arterial inhibiendo la combinactón de la noradrenalina y la·adrenalina con los receptores ~~ en el cotaZ6n, lo que a su vez disininuye el volumen minuto cardfaco yJa presión.arterial media 29. a) La presión arterial media {PAM) aumenta (PAM"' R), el flujo que dicula por los vasos 1 y 2 disminuye {F"' 1/R) y el flujo que dr· cula por los Vasos 3 y 4 aumenta (F "' PAM). b) Estímulo: aumento de la presión, receptor= barorreceptor en la arteria, centro de control"" centro vasomotor, respuesta =vasodilatadón siStémica para disminuir la presión, e) La presión de filtración distal a la constricción disminuye porque el flujo se reduce y esto afecta a la presión. 30. La atropina aumenta la frecuencia cardiaca dado que actúa como in· hib!dor competitivo y re une con el receptor mu;ca.tín.ico, Jo que lm· pide la fijación de la acetilcolina, 31. a) aumento de la poscarga b) aumento de la resistencia y la presión 32, a) Rn la figura 14-1 puede dibujar la conexión entre la arteria pulmonar y la aorta. En la figura 14-7d puede ver los restos del conducto arterioso cerrado que conecta la aorta con la arteria pulmo-

""'

b) Los pulmones no son funcionales. e) Elsistémlco

d) La porción izquierda debe genezar más presión. e) La sangre Circula desde la aorta hada la arteria pulmonar.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAÚTICOS 33. S1 el diámetro aumenta de 2 a 4, el flujo se incrementa 16 veces. 34. Las respuestas son variables. Para un individuo de .SO kg con un pulso en reposo de 70 latidos por minuto, el peso de su sangre será bombeado en alrededor de 10 minutos. 35. Presión arterial media (PAM) =l/3 (11S - 73) + 73 = 87 mm Hg. Presión diferencial =liS - 73 "' 42 mm Hg. 36. 250 mL oxígeno/minuto= volumen minuto x (200- 160 mL oxíge- · no{L sangre). SU volumen minuto es 6 250 mL/minuto o 6,25· L/ml· nuto.

CAPiTULO 16 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. la porción liquida de la sangre, o sea el plasma, está compuesta sobre 2.

3.

4.

5.

todo por agua. Los tres tipos de proteínas plasmáticas son las albúminas, las globulinasyelflbrlnógeno. En el cuadro 16-1 sedesémen susfundones. Las aibún1Inas son las más abundantes. Los elementos celulares de la sangre son los eritrodtos o glóbulos rojos (transportan O¡ y CO:J, los leucOcitos o glóbulos blancos (defen. sa) y las plaquetas o trombodtos {coagul:ictón)~ La producdón ~células de la sangre se denomina ht11/4t1Jpuyesis. Este proceso comienza en el embrión en el saco Vitelina, el hígado, el bazo y la médula ósea. Para el momento del nacimiento, la hematopoyesis sólo se produce en la médula ósea y en la adultez sóló se produce en el esqueleto axial y los extremos proximales de los huesos largos. Los factores estimulantes de colonias promueven la hematopoyesls. Ciertas células liberan dtodnas parn que actúen sobre otras cé-

'

Respuestas a las preguntas de revisión del final de Jos capítulos

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lulas. Las !nterleucinas son cttoclnas secretadas por los !eucodtos

parn que actúen sobre otros leucocitos. Estos tres tipos de señales quimicas influyen sobre el crecimiento y la dlferenctadón de las cé:lu!as de la sangre. En el cuadro 16-Zse presentan ejemplos de. estas moléculas, 6. La producción de glóbulos ro¡os se denomina eritropoyesis, la pro. ducclón de glóbulos blancos se denomina !eucopoyesis y la producción de plaquetas se denomina trombopoyesis. 7. La honnona que dirige la síntesis de glóbulos rojos es la eritropoyetina. Esta hormona se produce sobre todo en los riñones en presencia de hipoXla, o sea de concentradones bajas de oxígeno en los tejidos. 8. El hematocrito es el porcentaje de volumen san:guineo total ocupado por el concentrado de eritrOCitos (erttrodtos centrifugados). En los hombres, el hematocrito normal osdla entre 40 y 54% y en las muje· res, este osctla entre 37 y 47%. 9. Un eritroblasto es un precursor grande inmaduro y nucleado de un eritrocito maduro, que es m~ pequeño ycarece de núcleo. nes características distintivas de Jos eritrocitos son su forma de disco bicónca· vo, su falta de núcleo y su color rojo por presencia de hemoglobina. 10. El hierro procedente de la dieta es importante para la síntesiS de hemoglobina. 11. a) La Ictericia es el color amanllento de la plel y la esclerótica de los ojos debido a un aumento de la concentración sanguínea de bili· rrubina, que es un metabolJto de· la hemoglobina. b) La anemia es la dtsminución de la concentración de hemoglobi· na y en general se asocia con una dismlnudón del hematocrito. e) La transferrina es una proteina plasmática que actúa como transportadora de hierro. d) La hemofilia constituye un grupo de enfermedades hereditarias que se caracterizan por anomalías en ciertos puntos de la cascada de la coaguladón, lo que desencadena una reducción de la capa· ddad de coagulación de la sangre. 12. Los compuestos químicos que Inhiben la coaguladón se denominan anticoagulantes.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 13. Lista 1: véase figura 16-11. Lista 2: véase figura 16-13. Lista 3: véasefi· gura 16-7. 14. La vía intrínseca se inida cuando el colágeno u otros factores desencadenantes quedan expuestos (como las paredes de un tubo de ensayo de vidrio) y activan la proteína plasmática factor XU. La vía -ex· trínseca comtenta cuando el tejido lesionado expone el factor tisular {l1l) que acttva al factor VII. Los factores my VIl actúan en forma directa sobre la VÍ3. común y también Interactúan con la vía inlrinseca. Las dos vías se unen para inidar la síntesis de trombina. Véase figu· ra 16-12. 15. Las plaquetas activadas no se pueden adherlr a las regiones endotelia· !es no lesionadas que liberan prostacidlna y óxtdo tútñco (NO).

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 16. Raquel está pálida y cansada cuando se realiza la primera prueba por· que tiene un ¡ecuento de glóbulos rojos bajo y un contenido bajo de hemoglobina en su sangre. Juana busca hematomas como signo de disminución del recuento plaquetario, Además le recomienda ingerir proteínas y Vitaminas para mejorar la síntesis de hemoglobina y la produCCión de los componentes de los glóbulos rojos nuevos. El hteno también es necesario para la síntesis de hemoglobina. Juana le aconseja a Raquel evitar las multitudes para no exponerse a infecciones como las producidas por virus, dado que su recuento de glóbulos blancos es bajo y su capacidad de combatir las infecdones se redujo, Hada el vigésimo día posterior a la quimioterapia los recuentos sanguíneos de Raquel se recuperaron hasta quedar dentrO de los rangos normales. 17. a) La proteína plasmática transferrina aumenta en esta enfennedad. b) Fl hígado, que almacena hierro, se puede dañar en la hemocroma-

tom.

A-18

Apéndice A Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os ¡;apftu!os

e) Una forma simple de disnúnuir la sobrecarga corpotal de hierro en !os pacientes con hernoaomatosis es extraer sangre. Esto representa tul ejemplo del principio del equilibrio de níasa: si el in· greso supera el egreso, la restitución del depósito corporal se debe llevar a cabo mediante un aumento de los egresos.. 18. Es probable que falte algún otro factor esencial para la sin tesis de los glóbulos rojos, como por ejemplo hierro para la producción de hemoglobina, áctdo fólico y vitamina Bu-

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 19. El volumen sanguíneo total de un hombre de"90kg se aproxima a 6,4 L¡ su volumen plasmático es de alrededor de 3,1 L. Una mujer de 58,5 kg tiene un volumen sanguíneo total de 4,1 Ly un volumen plasmático aproximado de 2,4 L. 20. Su volumen sanguíneo total es de 3,5 Ly su volumen eritrodtario total es de 1,4 L.

CAPITULO 17 NIVEL 1 REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Las cuatro [unctones del aparato respiratorto son el intw:ambio de gases, la vocalización, la regulación del pH y la protección. 2. La respiración celular es el proceso metabólico en el cual el oxigeno y los nutrientes se utilizan para la producción de energía. La respiración externa es el intetcambio de gases entre la attnósfw y las células. 3. La inspitación en reposo emplea los intetcostales externos, los escalenos y el dlafiagma. La espiiaclón en reposo normal es generalmente pasiva y no involuaa n.ingUna contracción muscular significativa. En la espiración activa se rontraen los músculos intercostales internos y los abdominales. Todos ellos son músculos esqueléticos. · 4. El liquido pleural permite que los pulmones se deslicen libremente sobre la superficie interna de la caja torácica. S. Atmósfera a nariz y boca, faringe, laringe, tráquea, bronquio prind· pal, bronquios secundarios, bronquíolos, epitelio de los alvéolos, ll· quido IntetSttcial y endotelio capilar. · 6. Véase-en la figura 17·2g la estruct¡ua de un alvéolo. L3s células tipo I se emplean para el intercambio de gases; las de tipo II producen su.;.. tanda ta!Sioactiva. Los macrófagos ingieren material extraño. El en· dotelio capilar está casi fusionado ron el epitelio alveolar para -mini· miZar la distancia de difusióri, y la superficie de un alvéolo está casi cubierta por capilares. 7. Circulación pulmonar: ventriculo dere<:ho a tronco pulmonar, a arterias pulmonares izquierda y deredla, arterias más pequeñas, arteriolas, capilares, v~as y venas pequeñas.. Las dos venas pulmonares desembocan en ta aurícufa izquierda. El circuito pulmonar contiene alrededor de 0,5 litro. de sangre en cualqui& momento dado. La presión arterial pulmonar típica es 25/8, comparada ron 120/80 para la .presión arterial sistémica. 8. El aiJ:e inspirado se calienta, se humidifica y se limpia (filtra) durante su paso a traVés de las vías aéreas. 9. Durante l;J. inSpiiadón, la roayor parte del cambio de volumen del tórax se debe al movim1entó del diaftagma. 10. La presión intrapfeural es siempre subatti:tosfértca; es menor al final de la inspiración y máxima. ce.rca del final de la espiración. La presión intraalveolaf es igual a la presión atmosférica al inido y al fi. nal de la inSp!radón. Se encuentra por debajo de la atmosférica du· rante la inspiradón y encima de ella durante la esplradón. Véase la figura 17·11. 11. La sustanda tensioactiva disminuye la tensión superlidal del En los pulmones, les facilita a los pulmones inflarse y permanecer in· fiados. 12. El radio de las_ vías aéreas, especialmente de los bronquío!os, desem· peña el papel más Importante en la modificación de la tesístenda en el aparato respiratoriO del ser humano. 11 a)l b)2 c)l d)2

agua,

14. a) Ve =la parte que varía de 2,0 a 2,5 L, \ÍRl =de 2,5 a 3,75 L; VRE =de 2,0 a 1,0 l., VR =de Oa 1,0 L, capacidad vital= de 1,0 a 3,75 L, y capacidad pulmonar total= de Oa 3,7S L.

b) V1 =0,SL,VRI=1,25l.,VRE=1,0L. e) La. frecuencia respiratoria es de 3 respiradones/15 segundos =0,2 respiraciones por segundo x 60 segundos/minuto= 12 respiraciones por minuto.

NIVEL 2 REVISIÓN DE CONCEPTOS 15. Véanse las figuras 17·9 y 17-11. 16.. a) la dlstensibillidad es la capacidad de una materia para estirarSe; la elastiddad es una medida de cuán bien una sustancia estirada re-torna a su estado no estirado. b) La ventilación es el intercambio de aire entre la atmósfera y los pulmones. La inspiración es el mOVimiento de aire hada los pulmones. La espiración es el movimiento de aire fuera de los pulmo-ne;. e) La presión intrapleural es siempre subatmosférica; las presiones intraalveolares varían desde subatmosféricas hasta por sobre la at· mosférica. d) La ventiladón pulmonar total hace referencia a cuánto aire Ingre-sa y abandona las vías itéreas en un período de-tiempo dado. La ventilaclón alveolar se refiere a cuánto aire ingresa y abandona los alvéolos en un periodo de tiempo dado. La ventilación alveo.. lar es mejor indicador de la efidenda de la respiración. e) Las células alveolares tipo I conesponden a las delgadas células al· veolares para el intercambio de gases, mientras que las células al· veolares tipo li son las células que sintetizan y secr$Il sustanda tensioacttvá. !) La circulación pulmonar transporta la sangre desde el corazóÚ ha· da el pulmón. La circulación sistémica transporta sangre hada y · desde ia mayoría de los tejidos del organiSmo. 17. Broncoconstrictores: histamina, leucotrienos, acetilcolina {muscarini· co)¡ broncodllatadores: dióxido de catbono, adrenalina @il· 18. a) disminuye b} disminuye e) disminUye d} aumenta e) disminuye f) aumenta 19. El neumotórax es la presencia de aire en la cavidad pleural. El espi· rómetro es un dispositivo utilizado para medir el volumen de aire in· halado y/o exhalado. La auscultación consiSte en escuchar los ruidos del org
Apéndice A Respuestas a !as preguntas de revisión de! final de los capítulos

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

A·i9

5. Los centros de control de la respiración se encuentran en e! bulbo ra. 25 Ventilación pulmonar total = frecuencia respiratoria x volumen co-quídeo y la protuberancia. El grupo respiratorio dorsal esta formado por rriente. Su ventilación pulmonar en reposo es de 400 mL/respiradón neumnas que controlan la inspiración; el grupo respiratorio ventral, x 13 respiractones/min =5 200 mL/min. por aquellas que controian la lnspi;.:cíón y la espiración activa. Un a) 400 ml/respiración x 20 respiraciones/min =8 000 mUmin generador centla! de patrón es un grupo de neuronas que interactúan b) 5SO mL/respiradón x 13 respiradones/min =71SO mLfmin espontáneamente para controlar la rontracdón rítmica de dertos grupos musculares. C} 500 mi/respiración X lS respiradones/min: 7 500 IDL/min El aumento de su frecuenCia respiratoria a 20 respiracionesJmjtt tiene 6. Los quimiorreceptores centrales aumentan !a ventilación cuando la el mayor efecto. En la vida real, tanto la frecuencia respiratoria romo Pco2 aumenta. Los quimiorreceptores periféricos en los cuerpos aórtl· el volumen corriente aumentan durante el ejercido, de manera tal cos y carotídeos aumentan la ventilaCión prindpalmente en respues-que ella tendría una ventlladón pulmonar total aún mayor. ta a la Foz menor de 60 mm Hg. la Pco 2 es la señal química más im· portante para la ventilación. · 26. a) 600 mL/respiradón x 16 respiradones/miñ =9 600 ml/min. b) La dilatación de los bronqtúolos redu()! la resistencia de las VÍas 7. Los reflejos protectores del Sistema respiratorio incluyen a la bronco.. aéreas, permitiendo que un mayor volumen de aire fluya hada y constricdón mediada por agentes irritantes y al reflejo de Hertng. desde los pulmones. La pactente es capaz de forzar más aire fuera Breuer que impide la hiperinsuflación, Este último se dispara cuando el volumen corriente excede el litro. de los puimones en la espiración, lo que aumenta su VRE y dismf. nuyesu VR. 8. Los gradientes de presión dirtgen el intercambio de gases respiiato· rios. e) Apartir de la figura 17·7, los valores normales para una mujer son 12-20 respiradonestmin, Ve= 500 mL, VRE = 700 ml, VR"' 1100 9. Disminución de la Po2 atmOsférica, disminución de la perfusión al· mL, capacidad Inspiratoria = 2 400 mL, capacidad Vital= 3 100 veolar, anemia y pérdida de sangre, disminución de la ventilación mL, VRI =1 900, capacidad residual funcional =1 800 mL y capa. pulmonar, toxicidad por monóxido de carbono o cianuro, aumento O:dad pulmonar total =4 200 mL. Su frecuencia respiratoria es del grosor de la membrana respiratoria como en e! edema pulmonar, normal y sus volúmenes pulmonares son anonnales. Su alto VR diSminución de la su~rfide de la membrana respiratoria como en el enfisema. se confirma por los datos de rayos X que muestran hlperinsuira. dón. En las enfermedades pulmonares obstructivas como el jlS!lla, los bronqtúolos tienden a colapsarse en la espiración, atrapando NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS el aire en los pulmones y provOcando hiperlnruflad6n. Su VRI = 10. Comtence ron la figura 18·13. capacidad vital- Ve -VRE = 2 800 - 600 - 1 000 =1 200 mL. Su 11. La mayor parte del oxígeno está unido a la hemoglobina, no disuelto bajo VRI explica la mayor parte de Ia baja capacidad vital, y es es-en el plasma (Poz). perable en pacientes con asma, en quienes la resistencia de las 12. a) el98% del 0 2 arterial está unido a la hemoglobina y el2% restan. vfas aéreas es alta, el flujo de aire es bajo y los pUlmones ya están te disuelto en el plasma. El 70% del C02 se convierte en bicarbosobreinsuflados al inicio de la insplradón. Su mayor vohunen co-nato y H+, el 23% se une a la Hb y el 7% restante se disuelve en el mente puede ser el resultado del esfuerzo constante que debe rea. plasma. tizar para respirat b) La presión parcial de un gas en solución es la cantidad que se di· suelve en el equilibrio cuando la solución se expone a la misma NIVEL 4 PROBLEMAS ANAÚTICOS presión pardal. La concentración es la cantidad de gas por voJu. 27. P1V1 "'PzVz Nuevo volumen= 200 mL men de soludón, medida en unidades romo moles por Utro. 28. a) 21% Oz =160 mm Hg. 78% nitrógeno"' 593 mm Hg, 0,3% C0 = Mientras que la presión parcial de la solución y la concentración 2 3mmHg son proporcionales, la concentración está afectada pór la solubill· b) 40% 0 2 = 304 mm Hg. 13% nitrógeno"' 99 mm Hg. 45% co~ = dad del gas, y por lo tanto no es la misma que la concentladón del gas en el aire. 342 mm Hg. 2% Hz =15 mm Hg e) 10%0a =76 mm Hg. lS% nitrógeno"' 114mm Hg,.l%argón: 13. La disminución del pH (aumento de la addez) promueve la separa. 8 mm Hg. 25% C02 =190 mm Hg dón del oxígeno de la hemoglobina. 29. 400 miJrespiración x 12 respiraciones/min =ventiladón pulri:lonar 14. La hipoxia es la disminución del oxígeno en las células. EPOC es una total de 4800 mL/min. Antes del examen, la ventilación es de 7200 enfermedad pulmonar obstructiva crónica, como el asma, en la cual mL/min. La ventilación alveolar es (400-120) x frecuencia, o 3 360. el aumento de Ia .resistencia de las vías aéreas produce disminución de (en zeposo) y SO 440 mL/min (antes del examen). la ventilación pulmonar. la hipercapnia es el aumento del dióxido de carbono. 30. Volumen corriente= 417 mL/respiración. VRl = 3383 mL 31. El volumen pulmonar es de 1,1 L. (¿Olvidó restar el volumen del es-15. El oxígeno no es muy soluble en agua, y el requerimiento metabólico pirómetro?) de oxígeno.en la mayoría de lOs animales multicelulales no se alcanzaría sin una molécula que Jo transportase. 16. a) El gráfico debería tener un eje x para la ventilación en litros/mi· nuto, y un e¡e y para la Po2 arterial, en mm Hg. parecido a la figu· ra 18--9. La relación es directa; un aumento en la ventilación pro· duce un aumento en la Po2 arterial. Como la P~ arterial máx:tm.a NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS depende de la solubilidad del oxígeno en agua, la pendiente del gráfico se va reduciendo a medida que se alcanza la saturaCión, 1. Gradiente de presiones del oxígeno y el dióxido de carbono, solubilib) El gráfico debe tener un eje xpara la Pmz arterial en mm Hg, y tm dad de los gases en agua, perfusión cápnar alveolar, pH de la sangre, temperatura. eje y para la ventilación en litros/minuto. la relación es ditecta¡ el 2. El 98% del oxígeno se une a la hemoglobina. El restante se disuelve aumento de la Pco2 arterial produce un aumento de la ventilación, en el plasma. mediado por los quimiorreceptores centrnles y periféricos. Como 3. Los factores que alteran la unióh del oxígeno a la hemoglobina son la existe una ventiladón máxima dl'tenninada por las propiedades de Po2, la temperatura, el pH y la cantidad de hemoglobina disponible. las neuronas y los míisculos que participan en ella, la pendiente de De ellos, la cantidad de hemoglobina es el más importante. la curva debe reducirse a medida que se acerca a ese valor. 17. a) La cantidad de gas disuelto aumenta con la Poz. 4. La hemoglobina tiene cuatro cadenas proteicas globulares, cada una b) Amedida que la P(\ aumenta, la cantidad de OXígeno unido a la heenvuelta alrededor de un grupo hemo central que contiene hierro, el elkmento esenciaL moglobina aumenta, hasta que se alcanza el lOO% de saturación.

CAPÍTUl018

i Apéndice A

A-20

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión del final de IÓs ca¡:ítulo5

18. La Po arterial no cambia porque depende de la Po2 delalvéo!o, no de 2 la cantidad de hemoglobina disponible para el transporte del oxíge-

no.

19. a) Véase la figura 18·20.

b) Véase la figura 18-15.

NIVEL 3: RESOLUGÓN DE PROBLEMAS 20. El aumento de su espado muerto disminuye la ventlla.dón alveolar.

a) aumenta b) disminuye e) aumenta d) disminuye 21. La peiSona (a) tiene una presión de oxígeno ligeramente reducida, pero a Po = 80, la saturación de la hemoglobina será de apmximada· 2 mente el 95%. Si el oontenido de oxígeno con la hemoglobina nor· mal a unapo de100 mm Hg es 197 mL02fL ron e198%de satura· 1 ción, el contenido a Po2=80 mm Hg es 190 mL OJL de sangre (197 x {0,95/0,98)). La peiSOna (b) tiene una reducción de la hemoglobina a 12. gtdt con. el 98% de saturación, por Jo que el contenido de oxígeno será de 157,6 mLO¡JLsangre (197 x (12/lSD. El aumento de la Po2 no compensó la dísU1Íllución del contenido de hemoglobina y (b) tiene menos oxígeno totaL zz. a) disminuye b) disminuye e) disminuye 23. a) Los movimientos respiratorios dependen de séftaies originadas pdr sobre el nivel de la lesión, la cual podría' incluir cualquier área del

3. 4. S.

6.

la osmolaridad (pata que las células no se encojan ni se hinchen demasiado), mantenimiento del equilibrio \ónico (sobre todo del caz• y el K•, ya que ambos influyen sobre la función neuronal), regulación del pH (las células funcionan mal cuando no se mantiene la ho.meos· tasls del pH), excreción de desechos y sustandas extrañas (para evitar efectos tóxiros) y producción de honnonas {que regulan !a producción de eritrocitos, el equilibrio del Ca2• y el equilibrio del Na•). EI20.2S% del volumen minuto cardíaco llega a los riñones. La orina fluye hada los dos uréteres, la vejiga y la uretra. a), e), b), g), f), d), e), h). Las ban:eras de filtración son el endotelio del capilar glomerular, la lámina basal y el e'pitelio de la cápsula de Bowman. En general, !os eri· trocitos y la mayor parte de las proteínas plasmáticas no atraviesan estaS capas.

7. La presión hidráulica de la sangre que fluye promueve la filtradón glomerula.r. Se oponen a ella la presión hidrostátlca del Uquido en la cápsula de Bowman y la presión oncótlca (osmótica) creada por las proteínas plasmáticas. La fuerza motriZ neta es la suma aritmética de estas presiones. 8. TFG significa tasa de filtradón glomerular. Un valor normal de la TFG es 125 mUmin o 180 L/día. 9. a) El aparato yuxtag\omerular es un grupo especialiZado de células . que se encuentran en el sitiO donde el túbulo distal pasa entre las arteriolas aferente y eferente. Está compuesto por las células de la cerebro. mácula densa en la pared del túbulo distal y las células granulob) La ventilactón depende de señales originadas en el bulbo rnquisas en la pared arteriolar. (b) Las señales paracrinas provenientes doo, en la protuberancia o en ambas. de la mácula densa desempeñan un papel importante en la regue) El ritmo respiratorio es controlado por la médula solamente, pelación de la TFG y en la secreción de renina. ro otros ~pectos importantes de la respiracióÍl fwnnal como la e) Las células mesangiales de la lámina basal del glomérulo alteran profundidad dependen de señales originadas en la protuberancia el tamaño de las hendiduras de filtracióri formadas por los ~ae­ o en zonas superiores. dos~ entrelazados de los 24. Con una Pco elevada en-fonna crónica, los quimlorreceptores centra· d) pododtos, las células epiteliales especializadas que rodean a los 2 les se adaptan y el C0 deja de ser el que dirige la ventilación. La prin· 2 capilares glomerulares. Los cambios en el tamaño de las hendiducipal señal química para la ventila.ción pasa a ser entonces el nivel de ras modifican la TFG. oxígeno inferior a 60 mm Hg. Así, cuando el paciente recibe oxígeno e) La vejiga tiene un esfínter interno de músculo Uso que se contrae y la Po aumenta por sobre el valor umbral, no hay señales químicas pasivamente y un esfíntet externo de músculo esquelético que 2 que dirijan la ventlladón, y el paciente deja de respim presenta una contracción tónica (aCtiva). 25. a) La hemoglobina en tos alvéolos está saturada en un 96%. En una f) La corteza renal es la capa externa del riñón; contiene corpúscu· célula en ejercido, lo está en un_ 23%. los renales, túbulos proximales y distales, y partes del asa de Hen· b) Bzork no consume mucho oxígeno porque utiliza un 20% del que le y los túbulos colectores. puede transportar su hemoglobina. Con el ejexdcio, su consumo 10. La mayor.parte de la reabsorción (80%) ocurre en el túbulo proximal. de oxígeno aumenta marcadamente, y su heriloglobina libera más Cuando una molécula o un Ión se reabsOibe de la luz de la nefrona, de 3/4 del_oxígeno que puede transportar. entra en los capilares peritubulares y desde aill a la drculación veno26. Las tres: rectas muestran que a medida que la Pco2 aumenta, también sa sistémica y nuevamente a la aurícula derecha. Si una sustancia fi).lo hace la ventiladón. La recta A muestra que una reducción de la Po2 tra pero no se reabsorbe, es excretada en la orina. potenda este aumento de la ventilación (en comparación con la rec11. a)2,3 b)3,4 c)3,5 d)1 e) S ta B). La recta e muestra.que Ia ingesta de alcohol disminuye el efec12. Penicilina, K~ y H+ son secretados en la luz tubular. to de la Pco sobré la ventilación. Como el. alcohol es un depresor del 2 13. Se utiliza la creatinina para calcular la TIG en los seres humanos. sistema nervioso central, podemos inferii qué la, vía que vincula el au14. La micción es la evacuación de orina. mento de la Pco y el aumento de la ventilación está integrada en el 2 SNC.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS

NIVEL 4: PROBLEMAS ANAÚTICOS 27. La cantidad·máxima de tta,n:sporte de 0 2 es de 1,65 mL O.jg Hb. 28. El consumo de oxígeno es -de 202,5 mL 0._/mln. 29. Nada se modifica en la curva. Fl porcentaje de Hb unida al 0 2 no cam· b!a a ninguna Po- .-Sin embargo, con menos Hb disponible, se trans2 portará menos oxígeno.

CAPITULO 19

rloc

b) El transporte máximo para un sistema de tranSpOrte es la velod·

NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Las cinco ca~deristtcas son color

z.

15. El mapa de los factores que influyen sobre la TFG o la rontrolan debe incluir infpnnación proveniente de las figuras 194, 19-6, 19·7, 19-8 y 19-9. 16. a) Tanto la filtración como la secreción involucran movilni.ento de sustancias desde la sangre hada la luz del túbulo, pero la filtración es un proceso de flujo global creado por gradientes de presión mientras que la secreción habitualmente es un proceso de transporte mediado. La excreción también es el flujo global pero involucra el movimiento desde la luz del riñón hada el mundo exte·

(concen~ción), olor (uúecdones

o sustancias excretadas), transparencia (presencia de céluias), gusto (presenda de glucosa) y espuma (pteSenda de proteínas). Las funciones del riñón son regulación del volllffi:en del líquido extracelular (pata mantener una presión arterial adecuada), regulación de

dad máxima a la cual puedeil funcionar los transportadores debi· do a la saturación por el sustrato de los sitios de unión disponl· bies. El umbral renal es la concentración plasmática con la cual ocurre la saturación; en este momento, comienza a apareoo: el soluto en la orina.

e) Estas sustancias. se usan como ejemplos.de trnnsporte renal. La creatinina es un compuesto endógeno pero los otros tres son xenobióticos (sustancias extraftas). Todos a excepción de la inulina son flltrados, no son reabsorbidos y son secretados. La inulina es filtrada pe¡o no es reabsorbida nl secretada. d} El dearance {depuración) es la veloddad con la cual una rustan· da es eliminada de! plasma (mL de plasma libres de una SUStan· ciaX/min). La TFG se expresa como. la Velocidad de filtración del pl3S!Da (mL de plasma firtrados/mln). La excreción es la elimina· ción de orina, expresada como mL de orina/min. 17. Este riñón pe1111ite la rápida eliminación de sustancias extraftas que son filtradas pero no reabsorbidas. La tasa de depuradón de estas sustancias es igual a la TFG si las sustancias además no se secretañ. 18. Si se contrae la arteriola aferente Muna nefrona, la TFG en r<Sa nefro. na disminuye. Si la arteriola eferente de una nefrona se contrae, la TFG en esa nefrona aumenta. 19. E! reflejo micdonal se muestra en la figura 19-18. Con el control de esffnteres, los centros cerebrales supeñores oontrolan las aferendas sensitivas provenientes de la vejiga que se expande e Inhiben el reflejo hasta un momento apropiado, Los centros cerebrales superiores pueden inhibir la micción de forma consciente o inconsciente o pueden ser utilizados para iniciar el reflejo. 20. Fl músculo üso vesical se contrae bajo control parasimpático, de modo que el bloqueo de los receptores muscarínicos disminuye la con. tracdón vesicaL

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 21. a) La tasa de filtración es propord,ona! a la concentración plasmátl· ca de inullna. La filtración es Un proceso pasivo de flujo global que no muestra saturación. La tasa de excreción de inulina excede la tasa de filtradón, Jo que indica que la inullna también es secretada en la luz tubulat La pendiente de la tasa de exoedón es más alta inidalmente, luego disminuye y se iguala a la pendiente de la tasa de filtración. El punto donde cambia la pendiente representa la saturación de los transportadores que secretan inuli· na. Por Jo tanto, la inuiina es filtrada, secretada {transportada desde los capilares peritubulares hada la luz después de la filtración) y excretada (elimina.da del cuerpo). No hay evidencia de reabsordón. b) La línea que indique la secreción neta se superpondrá aproximadamente con la línea de filtración hasta que la pendiente cambia, después de lo cual la línea de secreción será horizontal (no ocurre ningún aumento más en la tasa debido a la saturación). 22. El dibujo debe ser semejante a la figura 19-12. Coloque los transportadores como se desoibe sobre las membranas apical y basolateral El ct se mueve entre las células. · 23. El líquido de diálisis puede asemejarse al plasma sin ninguna sustancia de desecho, como la urea. Esto permit!Iá la difusión de solutos y agua desde la sangre hada el líquido de diálisis pero la difusión se detendrá en la concentración deseada. Pata' elim1nar el exceso de agua de la sangre, se puede hacer que el líquido de diálisis esté más concentrado.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 24. El flujo sanguíneo renal (25%) es de 1 Um!n.

25. La primera muestra contiene 20 000 mg de creat!nina. Clearan«! = 1 000 L de plasma/día. Normalmente el dearance de aeatlnina = TFG. Sin embargo, este valor de 1 000 Lidia no es rompletarnente realista pan la TFG (el promedio normal es del SOL/día). La prueba repetida tiene 4 000 mg de creatlnina y un ~earance de 200 L/día, que se encuentra dentro de tos limites normales. Es probable 'que los valores anormales de la primeta prueba se debieran a un error de laboratorio. La función renal de Darío es normal. 26. Para rualqulet soluto que filtra: concentradón plasmática x TFG = tasa de filtración. Con el transporte máximo: tasa de filtración =tasa de reabsorción de Tm

Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os capítulos

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Por sustitución: concentración plasmática x TFG =T,. El umbral renal representa la concentración plasmática en la cual los transportadores funcionan de fonna máxima (T,). Por sustitución: Umbral renal x TFG =T., La TFG de la sirena es de 250 mL/lllin y el T111 es 50 mglmin, asf que el umbral renal es 0,2 mg de glucosa/mL de plasma. Qearance: tasa de excreción/concentración plasmática. Con 15 mg de gtucosa/mL de plasma, filtran 3 750 mg/min y se reabsorben 50 mg!min, de modo que se excretan 3 700 mg/mln.

3 700 mg de glucosalmin aearance = --::----,-'-:"':::;::;-;-:;-:~ 15 mg de glucosa/m[. de plasma 246,7 mL de plasma depurados/mio

CAPÍTUl020 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TtRMINOS l. Los electrolitos son iones, que pueden conducir la corriente elécti:ica

a través de una solución. Algunos electrolitos cuyas concentraciones debe regular el cuerpo son Na+, K+, ea:u,w, HP04z.yHCOj. 2. Los 6Iganos son rlf1ones, pulmones, corazón,.vasos sanguíneos y órganos del tubo digestivo. cuatro hormonas importantes son vasopresina (ADH), aldost:erona, péptidos natriurétlcosaurlculares (ANP) y la vía renina angWtenslna. 3. El agua entra en el cuerpo sólo a través de los alimentos y las bebidas ingeridas. Una pequeña cantidad de agua es furmada por el cuerpo como producto del metabolismo. El cuerpo pierde agua en el aire exha.. lado, por evaporación y transpiración por la piel, a través de Jos rifiones y en las heces. . 4. Véase cuadro 20-2. 5. La rama descendente del asa de Henle es permeable al agua pero no transporta sales porque sus células carecen de los tzansportadores de membrana apropiados. La rama ascendente es Impermeable al agua; sin embargo, tiene los transportadores de agua para transportar Naa de la luz hada el líquido intersticial. 6. El Na+ es un determinante primario del volumen de liquido extracelular. El H~ es el detenninarlte del pH extracelular. · 7. Cuando las concentraciones plasmáticas de K• disminuyen, más K• abandona la célula y el potencial de membrana se vuelve más negativo (se hiperpolariza). El corazón es probablemente el más afectado por los cambios en la concentración de K+. 8. El apetito de sal y la sed son importantes para regul~ el volumen de liquido y la osmolarldad. 9. ADH =hormona antidiurétl.ca; ANP = péptido natriUiétlco auricular; ECA"' enzima convert:idota de angiotensina; ANGll = angiotensina II; YG (aparato) ""aparato yuxtag!omerular; célula P =céluia principal; célula I = célula intercalar. 10. Utilice la información de las siguientes figuras para rompletar su lista: figuras 19-10 y 19-12, 20-7,20-8, 20-12, 20-19, 20-20y 20-21. 11. _La homeostasls del pH es importante porque el pH altera la estructura de las proteínas y. por lo tanto la actividad enzimática, los transportadores de membrana Yel Sistema nervioso. El cuerpo maneja los cambios del pH utilizando amortiguadores de pH, mecanisn1os compensa~rios renales y compensación respiratoria. 12. Los ácidos tienen mayor probabilidad de acumulaxse en el cuerpo. Las fuentes de ácido incluyen el C01 de la resplradón cclulat, áctdos metabóUcos y ácidos Ingeridos como alimento. Las fuentes de bases In· duyen algunos alimentos. 13. Un amortiguador de pH es una molécula que ayuda a impedir o a ha· cer más lentos Jos cambios de plt 'ftes amortiguadores de pH intracelulares son las proteínas, los iones fosfato y la hemoglobina. El amortiguador de pH extraceiular primario es HCOj.

A-22

Apéndice A

Apéndice A Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

14. Los riñones excretan o absotben W o HCO;. El amoniaco y los fosfa-

tos son amortiguadores de pH urlnarlos. 15. C0 +!izO:;::::::: ~C03 ~ W + HC03.la anhidrasa carbónica au2 menta la velocidad de esta reacción. Las células tubulares renales y los eritrocitos tienen altas concentiad.ones de anhidrnsa carbónica. 16. La Pco arterial disminuye, el pHaumenta y la concentración plasmá· 2 tica de H• disminuye.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 17. Para trazar un niapa de los refle¡os homeostáticos que ocurren en respuesta cada una de estas situaciones, utilice la infonnadón del cuadro 20-2 como punto de Inicio y recopile todas las vías diferentes en un único mapa similar al de la figura 20-16. Asegúrese de Incluir todos los pasos de las vías reflejas en su mapa (estímulo, receptor, etc.). 18. Este mapa combinará la infonnación de las figuras 20-18 a 20-21. 19. Véase la figura 20-4. 20. Este diagrama debe combinar las figuras 20-5 y 20-6. 21. a) ANP: hormona peptídica fabricada en las células .miocárdicas auriculares. Provoca excrectón de Na• y agua por sus acdones sobre el riñón y por inhlbir la liberación de ADH en el hipotálamo. b) Aldosterona: esteroideo de la corteza suprarrenal. Produce aumento de la reabsorción de Na• y aumenttl de la exaedón de· K• por su acción sobte el túbulo distal. e) Renina: enzima{honnona (péptido) de las células YG. Actúa sobre el angiotensinógeno sanguíneo, convierliéndolo en angiotensina

a

l. d) Angiotensina Il: hormona peptídica formad
cula precursora que fabrica el hígado, Aumenta la presión arterial e intenta mantener o aumentar el volumen sanguíneo por acciones sobre arteriolas, encéfalo y corteza suprarrenal. · e) ADH: hormona peptídica del hipotálamo. ·Aumenta la reabsorción del agua por la nefrona distal f) Enzima conwt!dora de angiotensina: enzima (protefna) hallada en el endotelio vascular. Convierte la angiotensina I en angiotensina n (véase figura 20-14). 22. Los mecanismos compensadores para restablecer la baja presión arterial son vasoconstrlcción, aumento del volumen minuto, conservación del agua por los riñones y aumento de la sed para aumentar el volumen de liquido. Si la presión arterial cae demasiado, la itrlgadón cerebral disminuye, lo que conduce a daño o muerte. 23. a) Las células principales e intercalares están ambas en el túbulo distal. Las células Pteallzan la reabsorción de Na• mediada por aldosterona; laS células I están involucradas en la regulación del equi· librio áddo-base. b) La renina, la angiotensina ll, la aldosterona y la ECA forman todas parte del sistema RAAS. La renina y la ECA funcionan funda· mentalmente como enzimas, mientras que la ang!otensina n y la a!dosterona son hormonas. Para más detalles, véase figura 20-14. e) Tanto en la acidosis respiratoria como metabólica, el pH del cuerpo cae por debajo de 7,38. La acidosis respiratoria es el :resultado 9e la retención de C02 (por cualquier causa), mientras que J;i acidosis metabólica es el resultado de la producción excesiva de ácidos metabólicos. La acidosis respiratoria es moderada -por los amortig,u3.dores de pH y puede ser compensada poi la exc·reción renal de Wy la retención de HC03. La addo· sis metabólica es moderada por los amortiguadores de pH y puede ser compensada por el aumento de la ventilación (Pcoz arterial decreciente) y el aumento de la excreción tettal de ff+ y la retención ~e HC03. En la acidosis respiratoria, la Pco1 arterial eStará elevada; en la acidosiS metabólica suele estar disminuida. d) La reabsorción de iiúa en el túbulo pioxtmal y la rama ascendwte en el asa de Henle no está regulada por_ la ADH; la reabsorción de agua
e) Tanto la alcalosis respiratoria como la metabólica son trastornos en los cuales el pH del cuerpo sube por encima de 7,42. La alcalosis metabólica puede ser causada por la ingesta excesiva de antiácidos que contienen bicarbonato o por la pérdida del contenido gástrico ácido debido a los vómitos; la alcalosis respiratoria puede ser causada por hiperventiladón. La alcalosis metabólica puede ser causada por la disminución de la ventilación Pco2 arterial eredente) y por la disminución de la excreción renal de ff+ y el aumento de la excreción de HCQ3•• La alcalosis respiratoria sólo puede ser compensada por mecanismos renales.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 24. a) El hombre está en acidosis, Ellón bicarbonato plasmático está ele. vado, probablemente debido a su Pco2 elevada, que también produce H~ elevado. Ésta es una situación aguda, porque !a btoncoconstricdón es un evento a corto plazo. b) El hombre está en acidosis nuevamente, con mayor elevación de HCOi y Peor Como ahora tiene una enfemledad crónica que contribuye a su desequilibrio químico, el desequilibrio es crónico. e) La compensación renal ha aumentado parcialmente su pH por la excrectón de H•y la reabsorción de HCOi, el que también actúa como amortiguador de pH. Su Pco2 está elevada por su enfisema. 25. a) Karen está en alcalosis metabólica, y su cuerpo está intentando

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b) Su bicarbonato plasmático es alto porque después de los vómitos áddos (ff+), su cuerpo quedó con Iones bicaibonato. e) La hipoventlladón aumenta la Pcoz y también aumenta HCW y W. El aumento de H- disminuye su pH (compensación) pero su HCOi sube incluso más. I.a hipoventiladón también disminuye su Po2 arterial, y por lo tanto dlsmlnuye el contenido total de· oxigeno de su sangre (para tevisl(Jn, véase figura 18-20). 26. La presión arterial de Ana está alta. la absorción de 3 L de agua expande el volumen corporal total y por lo tanto el volumen sanguíneo. Su concentración plasmática de Na+ y la osmolarldad plasmática son bajas. Utilice el cuadro 20-2 para .seJecdonar las vías reflejas para su

"""'· NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 27. a) pH = 6,1 + log (24/(0,03 x 40)]"' 7,40 b) 7,34 28. 428,6 mL (600 mosmoLJ?L = 1400 mosmol/L) 29. a) Flltra 400 mg glucosa/lOO -mL x 130 rolJmin-= 520-rog:glucosa/mlnuto. · · b) Puede reabsorber hasta el T"' y por Jo tanto son reabsorbidos 400 rng/min. . e) Excretado =filtrado - reabsorbido o 120 m.g!min x 1 440 mln}dia = 172,8 g/día excretados. d) Debe convertir gramos de glucosa en rolliosmo!es: 172,8 g x 180 g{molx 1000 mosmol/mol =960 mosmol de glucosa excretados/día. Concentración =cantidad/Volumen. 1 200 mOsm/L "' 960 mosmoll? litros. Para excretar la glucosa se requerirán 0,8 litros adicionales de orina.

CAPÍTULO 21 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS t. La digestión es la degtadadón quimica o mecánica de los nutrientes ingeridos (p. ej., proteínas), para que puedan ser absorbidos por el cuerpo. Absorción es el mOvimiento desde la luz hada el líquido extracelular (agua); secreción es el movimiento desde el liquido extracelular hada la luz {enzimas). Motllidad es el movimiento de materia a lo largo del tubo digestivo. 2. La absard6n y la digesti6n no están reguladas, mientras que la seaed6n y la mqtJ1ídad están continuamente reguladas. La secreción y la moti· lidad son necesarias para una correcta digestión, Sin la cual el cuerpo

no puede obtener alimentos. Al no regulir la absorción ni la diges· tión, el cuerpo se asegura que siempre se absorberá la máxima canti· dad de nutrientes disponibles. 3. a)2 b)3 c)4 d)7,10 e)8 f)2,3,7 g)2 4. Las capas (desde la luz) son mucosa (epitelio, tejido conectivo y músculo liso), submucosa (te¡ido conectivo), muscu!atma (músculo liso) y serosa (tejido conectivo). 5. Un epitelio secretor (endocrino y exocrino) reviste el estómago, mientras que un epitelio absortivo Con algunas células secretoras revisre1os intestinos. 6. las placas de Peyer son conglomerados o nódulos de tejido linfoide en la capa mucosa. 7. La motilldad es !a facultad de trasladar el alimento por el tubo ·digestivo (en general desde la boca hasta-el ano) y ayuda a mezclar los aJi. mentos con las secreciones gastrointestinales. La motilidad intestinal es el resultado de la contracción de las capas musculares longitudinal y circular para crear movimientos peristálticos propulsivos y movimientos segmentartos de mezcla. · 8. Los cimógenos son proenzimas inactivas en el aparato digestivo. En ellos se debe eliminar un segmento de cadena proteica antes de que !a enzima se vuelva activa. Son ejemplos pepsinógeno-pepsiQa y trlps!nógeno-trlpsina. 9. a)8,9 b)3,7 c)l,3,7 d)I,3,7 e)8 f)2 gl4 h)S 10. La temperatura es el único factor que no altera significativamente la digestión en los seres humanos. La emulsificadón de las grasas ocutre en el estómago y en el intestino delgado con la ayuda de !a lipasa,,la mezcla mecánica y las sales billares. La actividad neural desempeña un papel importante en la motilidad y la secreción a lo largo del tubo digestiVo. El pH áddo en el estómago ayuda a degradar los alimentos y a destruir los microorganismos. El área de superficie ·de los alimentos aumenta mediante la digestión mecánica y esto aumenta la superficie sobre la cual pueden actuar las enzimas. 11. La mayor parte de los nutrientes digeridos son absorbidos en los capi1111fS del sistema perta hepático, que lleva nutrientes al hígadD. Pero las grasas digeridas entran en el sistema linfático porque los capilares in· testlnales tienen una membrana basal (lámina basal) alred~or que la mayorfa de los lípidos no pueden atravesar. 12. El sistema nervioso entérico es una red de neuronas contenidas en el aparato digestivo que puede detectar un estimulo, integrar la Información y crear una respuesta apropiada sin Integración o_ aferendas del SNC. Aunque el sistema nervioso entérico puede funcionar de forma independiente, también interactúa con el SNC a través de neuronas sensitivas y autónomas. 13. Los reflejos cortos son reflejos mediados completamente dentro del sistema nervioso entérico. Regulan la secredón endocrina y exoaJna y la motilidad gastrointestinal. Los reflejos largos son reflejos gastrointestinales integrados en el SNC. 14. Los paracrinos en el apaxato digestivo ayudan a mediar la secreción y la motllidad. Dos ejemplos son seroronina (5-Hf) e histamina.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 15. Utilice la figura 2.1-22 como base para realizar el mapa y agregarle detalles. 16. a) Masticar es triturar la comida con los dientes y la lengua, deglutir es tragar los alimentos. b) Las vellosidades son pliegues de la mucosa del intestino, mientras que las roicrovellos.tdades son pliegues de la membrana celular. Ambas aumentan el área de superfi~e. e) El complejo motor migratorio, la contracción periStáltica y la segmentación son patrones de la contracciOn del músculo gastrointestinaL Las contracciones del complejo moror migratorio mueven los restos de alimentos y las bacterias desde el estómago hasta el intestino grueso entre las comidas. Las contracciones pelistálticas son ondas de contracdón progresiVaS que se mueven de una sección del tubo digestivo a otra. La contracdón segmentaría es la contracción y relajación de segmentos cortos del intestino. Los mOVimientos en masa empujan un bolo grande de materia hada

-

Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os capítulos

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el recto, disparando !a defecación (excreción de las heces). Los vómitos, un reflejo protector integrado en el bulbo raquídeo, son la expulsión forzada del contenido gástrico y duodenal por !a boca. La diarrea es un exceso de deposiciones acuosas. d) Quimo es la combinación acuosa de aUmentos semidigeridos y sécredones gastrointestinales en el tubo digestivo. Las heces consti· tuyen el material de desecho habitualmente sólido que queda una vez completadas la digestión y la absorción. El quimo es producido en el estómago; las heces son producidas en el intestino grueso. e) Los reflejos cortos se originan en el singular del sistema nervioso entérito y se integran allí. Los reflejos largos pueden originarse en el tubo digestivo o en algún otro sitio y se integran en el SNC•. f) El sistema nervioso entérico es una división singular del sistema nervioso que controla la función digestiva. Está formado por un plexo submucoso que se encuentra en la capa submucosa de la pared intestinal, y por el plexo mientérico que Se ubica entre las dos capas musculares de la pared del tubo digestivo. El nervio vago transporta información sensitiva y señales eferentes entre el encéfalo y muchos órganos internos, que incluyen el sistema nervioso entérico. g) La fase cefálica consiste en reflejos digestivos disparados por estímulos recibidos en el encéfalo, como el olfato, la vista o el gusto de los alimentos. La fase gástrica tomient.a con e¡ ingreso de los alimentos al estómago, que dispara una serie de reflejos cortos. La fase intestinal comienza cuando el quimo entra al intestino delgado. . ' 17. Véanse las figuras 21-6, 21-8, 21-9 y 21-21. 18. El sistema nervioso entérico y el cerebro utilizan neurotransmisores y neuromoduladores slmllares, que incluyen serotonina, VIP y NO. las células de sostén en el sistema entérico son similares a la astroglia en el SNC. Los capilares gastrointestinales son poco permeables, igual que la barrera hematoencefálica. Ambas divisiones actúan como centros integradores. 19. Véase el cuadro 21-1 para hormonas específicas. 20. Véase la figura 21-26.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 21. Véase la figura 21-17. 23. La diarrea grave puede asociarse con una pérdida del contenido del intestino delgado y de bicarbonato, que conduce a acidosis metabólica. 24. a) El hígado y la vesícula biliar producen y almacenan sales billares necesarias para la digestión de grasas. La ingestión de una comida grasa dispara la contracción refleja de la veskula, pero el colé. doco bloqueado impide la excreción de bilis, lo que produce dolor. b) La formación de mlcelas disminuye debido a Ia falta de sales bi· liares, y la digestión de hidratos de carbono estará disminuida debido a la falta de secreciones pancreáticas que contienen amilasa. La absorción de protelnas estará un poco disminuida debido a la baja secreción de proteasa pancreática, pero !a di· gestión de proteínas comienza en el estómago y es continuada por enzimas unidas al borde en cepillo, de modo que no se de· tiene por completo cuando el colédoco está bloqueado. Por lo tanto, algunas proteínas digeridas serán absorbidas. 25. la membrana apical tiene canales permeables de Na• y K•. La membrana basolateral tiene la Na•-K•-ATPasa. Si aumenta el fl.ujo, la saliva tiene más Na• y menos K•.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS · 26. a) El MIT comenzó con iguales concentraciones en ambas soluciones, pero al final del experimento estaba más concentrado en el lado seroso. Por lo tanto, el MIT debe estar moviéndose por transporte activo. b) El MIT se mueve de apical a basolateraL Este movinliento es ab-

SOtctón.

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Apéndice A

e) El transporte a través de la membrana apical se dirige del bafto hada el tejido. El tejido tiene más MIT que el bafto. Por Jo tanto, de-

be ser transporte activo. d) El transporte a través de la membrana basolateral se dirige desde el tejido hada el saco de Intestino. El tejido tiene más MIT que el líquido del lado basolateraL Por lo-tanto, esto debe ser transporte pasivo.

CAPÍTULO 22 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS 1. Las vías metabólicas son todas vías util!z.adas para la síntesis o para la producción endógena, el uso o el almacenamiento. las vías anabóli·

cas son fundamentalmente slnWticas; las vías catabólicas degradan grandes moléculas en otras más pequeñas. 2. El trabajo fisiológico Incluye el transporte (como movilizar mol~as a través de las membranas), el trabajo mecánico (como el movimiento de los músculos) y el trabajo químico (como la síntesis de protei· nas). 3. Una. kilocaloria es la cantidad necesaria de calor pata elevar 1 oc la tempezatura de 1 litro de agua. En la calorimetría directa, el aumento es quemado para determinar la cantidad ae energía que contenga. 4. El roctente respiratorio es la relación-entre el COz producido y el 0 2 utilizado en el metabolismo tisular. Un valor de coctente respiratorio típico para una dieta estadounidense es de 0,82. S. El índice metabólico más bajo de un !ndlviduo_es medido en reposo después de un ayuno de 12 hoxas. El fudlce metab'óllco basal promedio es más-alto en los hombres adultos que en las mujeres porque las mujeres tienen más tejido adiposo y una menor frecuenda respiiato.. i:la. Otros factores que afectan el índice metabólico basal son la edad, la actividad física, la cantidad de masa muscular magra, la dieta, las hormonas y la genética. 6. las biomoléculas serán degradadas como fuente· de energía, utilizadas para síntesiS o almacenadas. 7. El metabolismo del estado absortivo está dominado por las reacciones anabólicas y el almacenamiento de nutrientes. El Ínetabolismo de estado posabsortlVo movllita los nutrientes almacenados y los utiliza como energía y síntesiS. 8. Un pool de ñutrientes es un grupo de nutrientes que se encuentra disponible para que lo utilicen las células; la mayoría se enruentran en · la sangre. Los tres pools prlmartos son glucosa, ácidos grasos h"bres y aminoácidos~

9. El objetivo primario del metabolismo durante el estado de ayuno es mantener concentraciones suficientes de glucosa para el cerebro. 10. El exceso de energía~ almacenado en pequeftas cantidades de glucógeno y en cantidades mayores de grasa del tejido adiposo. 11. Tres destinos de las proteínas Ingeridas. Incluyen síntesis proteica, fuente de energía y conversión a grasas o glucosa para el almacenamiento. El destino de las grasas lngertdas incluye síntesis de lipidos (cowo para jas membranas celulares), energía y almacenamiento ca.. mo grasaS. · · 12. La inSulina disminuye la gluren!a y el glucagón la aumenta. 13. Los aminoácidos y la po~ón de gllcerol de los áddos grasos pueden ser transformados en gluOOsa a través de la gluconeogénesis. 14. Los cuerpos cetónicos son producidos por la degradación excestya de ácidos grasos, como ocurre en el ayuno. Las cetonas pueden ser utilizadas como combustible por el ooebro y muchos tejidos periféricos. ><w,,Rl\ Muchos cuerpos te~ónicos son áddos fuertes, de modo que las con~ iJL'llí! centrndonés elerodas pueden crear actdosis metabólica. ~~ 15. Dos estímulos para la ~ll_Credón de insídina son el aumento de la glurunia y las aferendas. paraslmpáticas a las células beta del pilllcreas. ~~ estimulactón simpática Inhibe la secreción de insulina. 1\ljo/ 16. La La diabetes ~ellltus tipo 1 es el resultado de la falta absoluta de pro. ducdón de inSulina. En la_ diabetes tipo 2, el cuerpo produce insulina pero las células no responden normalmente a la hormona. AmbOs ti· pos se caracterizan por concentraciones de glucosa en ayuno eleva-

~

r~'~

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

&s. En el tipo 1, el cuerpo utiliza las grasas-y las proteínas como combustible, lo que conduce a atrofia muscular, cetosis, poliuria, polidipsia y diuresiS osmótica. El tipo 2 no es tan grave porque las células pueden utilizar algo de glucosa. 17. La liberación de glucagón es estimulada por la hipoglucemia o el aumento de los amlnoáddos en plasma. El hígado es su Sitio diana pri· mario, y el glucagón aumenta la glucogenólisls y la gluconeogénesis para aumentar la glucosa plasmática. 18. a) La lipoprotelnlipasa es una enzima del endotelio capilar que convierte los trigllcéridos sanguíneos en ácidos grasos libres y mono. glicéridos. b) La amllina es secretada simultáneamente con insullna y hace más lento el vaciamiento gástrico y la secreción de áddo gástrico. e) La grellna es una ~hormona del hambre~ secretada por el estó· mago. d) El neuropéptido Y es producido por el hipotálamo y estimula el deseo de alimentación. e) las apolipoproteínas son los componentes proteicos de las tipoproteínas. La apoproteína B de la LDL fadlita el transporte a la mayoría de las células. las apoprotelnas defectuosas han sido re· lacionadas con algunas hipercolesterolemlas hereditarias. f) La leptina es una "hormona de la saciedad" producida por los adl· pocitos. · g) La diuresiS osmótica es la pérdida de agua en la orina debida a las altas cantidades de solutos en la orina. La hlpetglucemia, como sucede en la diabetes mellitus, produce deshidratación a través de diuresis osmótica. h) La resistencia a la InSulina se observa en la diabetes tipo 2 cuan· do las células diana no responden a la insulina. 19. a) estimula b) inhibe e) estimula d) estimula e) estimula

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS ZO. Sugerendas para el mapa conceptual: Intente basar sus mapas en una · figura del libro, como las figuras 22-2, 22-5 y 22-6. Utilice diferentes colores para cada órgano u hormona. ¡Probablemente serán los mapas más complejos que usted haya realizado nunca! 21. La roncentradón de glucagón varía muy poco durante el dia, rolen· tras que la concentradón de insulina realiza un ddo de acuerdo con la ingestión alimentaria. Por lo tanto, a! parecer, es la relación más que la cantidad absoluta de hormona lo que determina la direcdón del metaboliSmo. 22. a) La glucosa es un monosacárido. La glucogenóllsis es la degradadón de glucógeno. La glucogenogénes!S es la producción de glucógeno a partir de glucosa. La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa a partir de aminoáddos y grasas. El glucagón es una hormona que aumenta la glucosa plasmática. La glucó!isls es la primera vfa en el metabolismo de la glucosa para la producción de ATP. b) La termogénesls es la producclón de calor por las células. La termogénesls con escalofrío ocune cuando los músculos se con· ttaen, produdendo calor como subproducto: La termogénesiS sin escalofrío ocurre en todas las células, pero especialmente en la grasa parda, de acuerdo con su actividad metabólica. La termogénesls inducida por la ingesta representa el calor generado por las reacciones digestivas y anabólicas que ocurren durante el estado absortlvo. e) Las lipoproteinas son moléculas de transporte. Los quilomicrones son complejos lipoproteicos formados en el epitelio intestinal y absorbidos en el sistema linfático. El colesterol es un componen· te esteroideo de las membranas celulares y precursor de las hor· monas esteroideas. La HDL contiene lipoprotelna de alta densl· dad y lleva el colesterol a las células hepáticas, donde es metaboJ.izado o excretado. La LDL es la forma más prevalente de lipopro.. telna con colesterol y sus concentractones elevadas se asodan con la aterosderosiS. La apolipoproteina es el componente proteico de las lipoproteinas.

d) La calori)netría es la medidón del contenido de energía y es un medio para determinar el Úl.dice metabÓlico. La calorimetría directá Incluye la medidón de la producción real de calor cuando se queman alimentos. La calorimetría Indirecta mide el consumo de oxígeno o la producción de C02• e) La pérdida de calor por conducctón es la pérdida de calor corporal hada un objeto más frlo. La pérdida de calor por radiación es el resultado de la producción de ondas electromagnéticas infra. rrojas por cualqUier objeto por encima de la temperatura del cero absoluto. La pérdida de calor por convecdón es el resultado del movimiento ascendente del aire caliente y su reemplazo por aire más frlo. La pérdida de calor por evaporadón !)Curre cuando el agua se evapora. f) Hay un estado metabólico absortlvo cuando se absorben nutrientes y los procesos anabólicos exceden a Icis procesos catabólicos. Hay un estado posabsortlvo cuando los procesos catabólicos exceden a los procE:SOS anabólicos para mantener la glucosa plasmática. 23. a) La hlperglucemia es el resultado de la falta de producclón de insulina b) La glucosuria aparece cuando la concentración de glucosa en el filtrado excede la capacidad del rli!ón pata reabsorber glucosa. e) La poliuria es el resultado de la diuresis osmótica causada por la glucosuria. d) La cetosiS es el resultado del aumento del metabolismo por los áci· dos grasos, cuando las células no son capaces de utlli2ar glucosa. e) La deshidratación es una consecuencia de la poliuria debida a diuresis osmótica. f) La sed Intensa es una consecuencia de la deshidratación. 24.. Si una persona ingiere una comida proteica-pura y sólo se libera lnsu· lina, la concentración de glucosa en sangre de la persona pocltfa caer demasiado bajo debido a la acclón de la insulina. La secreción de glucagón por el mismo estímulo asegura que las concentraciones de glucosa en la sangre se mantengan dentro de los niveles normales. 25. Véase figura 22-1. 26. Véanse figuras 2Z..19y 22-20.

Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

CAPÍTUL023 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. Las zonas son zona glomerular (aldoster:ona), zona fasdcular (gluco..

2.

3.

4.

S.

NIVEL 3: RESOLUGÓN DE PROBLEMAS 27. Una vez que las nuevas proteínas musculares de Scott se forman y una

vez que se nena el pool limitado de aminoácidos hl>res en la sangre, el exceso de aminoácidos será almacenado como glucógeno o grasas. 28. A medida que aumenta la secredón de insulina (eje x), la concentración plasmática de glucosa (eje y) disminuye. 29. El gráfico debe ser simllar a la figura 18-9. a) La acidosis promueve la disodadón de 0 2 a partir de la hemoglobina, el desplazamiento de la curva hada la derecha (como la Fig. 18-10). Sin embargo, el efecto·del DPG bajo desplazaría la curva bada la izquierda (comó la fig. 18ll).El efecto neto de ambas condiCiones sería algo entre el desplazamiento hada la derecha esperado a partir de la acidosis (aumento de la descarga) y el desplazamiento hada la izquierda esperado a partir del DPG bajo (disminudón de la descarga). (b) El bicarbonato seuni· ria a algo del H+ libre, aumentando el pH nuevamente. A medida que el pH se aproxima a la normalidad, la curva de disociación se desplazaría nuevamente hacia la IzqUierda. Con el DPG aun bajo; la curva estar1a entre el desplazamiento hada la izquierda para el DPG y la normalidad. Por lo tanto la liberación de oxigeno después del tratamiento estar1a disminuida y las células estarían privadas de él, en ·comparación con el trastorno no tratado.

6.

1.

cortlcoides) y zona reticular (estero!des sexuales, fundamentalmente andrógenos). a) hormona liberadora de cortlcotroplna (hipotálamo) .... cortlcotro.. pina (hipófisis anterior) .... cortisol (corteza suprarrenal) que realiza una retroalimentación e inhibe directamente la seaedón tmto de CRH como de ACilf. b) hormona hberadora de la hormona de crecimiento y la hormona lnhib!dora de la hormona de crectmlento (hipotálamo) -. horrilo.. na de crecimiento (adenohipófisis) e) diSminución del Cal+ sanguíneo .... paratlroides .... aumento de caz+ en la sangre por aumento de la resordón de hueso, entre otros efectos .... la- retroalimentación negativa inhibe la secreción dePTH. d) Hormona liberadora de tlrotroplna (hipotálamo) -t hormona ti· roestimu!ante (fuotropina) (adenohipófisls) -t trlyodotironina (T;¡) y tlroxina (T.¡) (glándula tiroides) .... retroalimentación negativa hada el hipotálamo y la adenohipófisls. Condidones: dieta adecuada, ausenCia de estrés y cantidades sufiden· tes de hormonas tiroideas y de crecimiento. Otras hormonas importantes: insulina, somatomedlnas y hormonas SCXllales en la pubertad. Triyodotlronina (T;¡) y tetrayodotironina (T4.o tiroxlna). La T3 es la hormona tiroidea más activa; la mayor parte de ella se forma a partir de T4 en los tejidos periféri:cos. a) Las melanocortinas incluyen AC11I y hormona melanocttoesti· mulante (MSHJ, b) La osteoporosls es la pérdida de hueso que ocwre cuando la resorción ósea excede at depósito. · e) La hidroxíapatita es la porción Inorgánica de !a matriz ósea, que consiste princtpalmente en sales de caldo. d) Los mtneralocortlcoldes son hormonas estero!deas que regulan a los minerales, es decir, la aldosterona. e) El hueso trabecular son pequeftas ttabéculas de hueso que rodean a las cavidades de médula roja, en áreas conocidas como hueso esponjoso. f) La POMC es la proopiomelanocortina, el precwsor inaCtivo de la ACIH y otras moléculas activas. g) Las placas epifisarias son zonas de crecimiento en huesos largos, compuestas por cartílago. Functones: coagulación sanguínea, excitabilidad y contracctón del músculo cardíaco, contracción del músculo esquelético y el músculo liso, sistema de segundos mensajeros, exodtoSis, uniones estrechas, fortaleza de los huesos y dientes. En este cuadro, A Indica promoctón del anaboliSmo, C indica promo.. ción del catabolismo.

NIVEL 4: PROBLEMAS ANALfnCOS 30. Las respuestas varían. Una mu¡er de 1,60 m que pesa SO kg tendrá un índice de masa corporal de aproximadamente 19. 31. Grasa: 6 gx 9 kcallg= 54 kcal. Hidratos de carbono: 30 gx 4 kcallg= 120 kcal. Proteínas: 8 g x 4 kcal/g"' 32 kcal. Total = 206 kcal. S4/206 =26% de las calJ:)rias á partir de las grasas.

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NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 8. a) Véase figura 7·20c. b) Véase figura 7-ZOb.

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Apéndice A

Apéndice A Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

e) Sustituya las hormonas por las de !avía tiroidea en la figura 7-20<:.. d) Sustituya las hormonas por las de la via tiroidea en la figura 7-2Ia.

9. a) La CRH del hipotálamo estimUla la secreción de ACIH de la hlpófisis anterior que estimula la secreción de glucocdrticoides como el cortisol de la corteu supranenal, en la zona fasciculat. b) Las dlulas foliculares de la glándula tiroides secretan coloide en el cual se producen hormonas tiroideas; las células e secretan cal· citonina. e) La síntesis de hormonas tiroideas está controlada por la TSH, CU· ya libetación es controlada por la TRH. En la glándula tiroides la tirOSina y el yodo se combinan en la tiroglobulina para formar hormonas tiroideas. La globulina ligadora de tlroxinas (fBG) transporta las hormonas tiroideas lipofillcas en la sangre. La desyodasa en el sitio diana extrae el yodo de la T4 para crearTy d) La hormona liberadora de hormona de credmiento (GHRH) estimula la secredón de hormona de crecimiento (GRH o somatotropina) en la adenohipóf!sis. La somatostatína (también conocida como hormona Inhibid ora de la honnona de credmiento) inhibe la producdón de GH. La protcina ligadora de hormona de creci· miento se une aproximadamente a la mitad de la GH en la san· gre. Los factores de credmiento semejantes a !a insulina (IGF) en el hígado actúan ron la GH para promover el crecimiento. e) El enanismo es el resultado de una deficiencia grave de Gfi.en la Infanda. El gigantismo es el resultado de la hlpersecrectón de GH durante la infanda. La acromegalia es el alargamiento de la mandlbula y el credmiento de las manos y los pies, causados por hl· persecredón de GH en los adultos. . f) La hlperplasia es el aumento del número de dlulas. La hipertrofia es el aumento del tamaiío de las célulás. · g) Los ost:eoblastos son ost:Wdtos intnaduros, células óseas que secretan matriz ósea orgánica Los condrodtos son células de cartí-lago. Los osteoclastos son células que degradan hueso. h) La P1H aumenta· el caldo sanguíneo al estimular la resorción ósea, la reabsorción renal y la absorción intestinal de caldo. El caldtriol, también conocido como 1,25-dihidroxicolec:adferol, es un derivado de la vítamina D que media el efecto de la PTH sobre Ja absorción intestinal de caldo. La caldtonina disminuye la resordón ósea de caldo. Los estrógenos promueven el depósito óseo. 10. Los efectos de la hormona tiroidea. sobre el metabolismo son eviden· tes en algunos minutos y se cree que están relactonados con cambios en el transporte de Iones através de las membranas celular y .mitooon• drlaL Los efectos tiroideos sobre el credmlento en los niños requerl· ñan más de una hora para evidenciarse. 11. Un equivalente Jónico es su molaridad por la cantidad de ~gas/Ión. Para el Ca2->: 2,5 mmol/L x 2"' S mEq/L. 12. Un osteodasto se. muestra en figura 23-21. La célula fabrica áddo mediante una anhi..drasa-carbónlca: C01 f.H¡.O-) HzC03 -) HC03· + H+, La membrana aplcal secreta HQ utilizando una bomba de protones y la membrana basolateral secreta HC03• con un contratransportador b!direl:donal de cloruro-bicarbonato o un cotransportador importa· dor de sodio-bicarbonato.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 13. El estréS fis.lológico estimula la secreción de cortisol, aumenta la glucosa sanguínea. Un aumento en la ~a disminuiña este erecto. 14. La respuesta normal a la supresión de la ACfH por la dexametasona seria la dismlnUéión en el rort!sOl plasmático. El paciente Ano mues. tra ninguna respuesta a la supresión de ACIH, lo que sugiere que'puede haber.un tumor suprarrenal que sea Insensible a la ACfH. El' pa· dente Bsí muestra una disminudón en la produC'dón de cortisolluego de la supresión de ACfH, lo que sugiere que el problema puede ser un tumor hipofisario. 15. El Sr. Atendría TSH elevada. El Sr. B tendría:concentradones bajas de TSH. El Sr. C tendría TSH elevada. a) No es posible determinár si la fi. cha dellaboriltorio corresponde a los resultados del Sr. A o del Sr. e sin poder l~r las concentradones de hormona tiroidea. b) El Sr. Bse

puede descartar, porque su TSH sería baja, si el diagnóstico presunti· vo es correcto. 16. a) Las personas de todos Jos grupos etartos mostra~on una defiden· da de vitamina D cuando se .midieron al final del invierno. Esta defidenda fue más pronundada en el grupo de 18-29_afíos y menos pronunt;Iada en el grupo de más de 50 afios. Al final del vera· no, muchos.menos indiViduos terúan defidenda de vitamina D. Las variables son la estación durante la cual se recogió la sangre, el grupo de edad y el porcentaje de personas con ínsufidenda de vitamina D. b) La energía proveniente del sol es necesaria para que los precursores de la piel se conviertan en vitamina D. Los días son más cortos en invierno y en las latitudes septentrionales como Boston, las personas pasan menos tiempo a la intemperie durante el lnvi.er· no. Esto explica la diferencia en Jos datos entre las dos estaciones. Sin embargo, menos de! SO% de las personas evaluadas tenían deficiencia, lo que sugiere que la mayoría de las personas consumieron sufidente vitamina D. La mayor diferencia estacional ocurrió en el grupo de 18-29 años. Estas personas jóvenes probablemente pasan significativamente más tiempo a la infemperie en el verano que los miembros de los otros grupos. e) La vitamina D está presente en suplementos multivitanúnl
NIVEL 4: PROBLEMAS ANALITICOS 17. a) S mg de cat./L de plasma x 125 mL de plasma filtrado/mln x 1 440 rnln/día "' 900 mg de cat. filtrados/día b) Para manten~ el balance de ca2.o-, debe excretar 170 mgldía. e) 900 m.g filtrados - 170 mg excretados = 730 mg reabsorbidos. 730/900"' 81%. .

CAPÍTULO 24 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS l. La inmunidad es la capacidad del cuerpo para defenderse contra los patógenos que producen enfermedad. Memoria se refiere a las reiulas que se activan después de la exposición repetida a un antígeno, produciendo una respuesta In.munitarla aumentada. Especificidad se refiere a la producción de anticuerpos que está adaptada para unirse a · antígenos esp«ificos. 2. Los componentes anatómicos son el timo, la médula ósea, el bazo, los ganglios linfáticos y Jos tejidos llnfoides difusos.. 3. Las ftmciones son proteger al cuerpo contra los patógenos extrafios; eliminar los tejidos y las células muertos o dañados, reconocer y eliminar las células ~propias" anormales. 4. Los virus salen de la célula huésped por gestación (vesículas) o destruyen y rompen la célula huésped. Los virus dañan a las células huésped matándolas, had€ndose cargo de su metabolismo o haciendo que se vuelvan cancerosas y se reproduzcan en forma inCOO• trolable. 5. El cuerpo debe detectar el patógeno, reconocerlo como extraño, orga· nJzar una respuesta, reclutar la ayuda de otras células y destruir el pa· tógeno. Si el patógeno no puede ser destruido, el cuerpo debe evitar que se propague. 6. a) Anafilaxia es una reacción alérgica grave mediada por IgE y carac· terizada por vasodllatadón difusa, colapso circulatorio y broncoconstricción. b) Aglutinar sigplfica kunlr. Cuando los eritrocltos con un antigeno de un grupo sanguíneo se exponen al anticuerpo correspondiente, la reacción antígeno-anticuerpo hace que los eritrocitoS se aglutinen. <) Muchos pasos de la reacctón inmunitaria tienen Jugar extravascu· Iarmente (fuera de los vasOs sanguíneos). d) Desgranuladón es la pé:rdlda de gránulos intracelulares cuando

una célula libera sustancias químicas aJ¡nacenadas en los gránulos cttoplasmáticos.. e) Las proteínas de fase aguda son h"beradas en las primeras etapas de la lesión o la infección; actúan como opsonínits que recubren a los patógenos. f) La expansión dona\ es el proceso por el cual una célula de un don se. diVide para fonnar muchas células idénticas. g) La vigilancia inmunológica es la capacidad del sistema inmunlta· no para examinar el cuerpo para derectar células anormales (especialmente cancerosas) y destruir estas células antes de que produzcan daño. 7. Histlodtos, células de Kupffer, ost:eodastos y microglia son·Ios nombres especificos que se dan a los macrófagos especlaiJzados en dertos tejidos. . 8. El sístenla fagocítico mononudear incluye monodtos y maoófagos, que ingieren y destruyen invasores y células anormales. 9. a)S b)l c)3 d)6 e)2 f)4 10. Las barreras físicas incluyen la piel, las membranas mucosas y el transporte mucodliar del tracto respiratorio. Las barreras químicas incluyen sustancias químicas inespecíficas como lisozlmas, opsoninas y enzimas, y sustandas químicas específicas como anticuerpos. 11. Los llfodtos Bsecretan antiruerpos; los linfocitos T y las células natural killer destruyen a las células Infectadas ya sea en forma: directa o indirecta. Los linfocitos T se unen al antígeno presentado por los complejos de MHC; las células natwal killer también pueden unirse a los anticuerpos que recubren a las células extrañas. 12. La autotolerancia es la capacidad del sistema inmunitario para ignorara las células propias del cuerpo. La autotolerancia ocurre porque normalmente los llnfodtos T que reaC'donarían con células propias mueren. Si la autotolerancla fracasa y el cuerpo fabrica anticuerpos contra sí mismo, hay una enfermedad autolnmunitana. 13. La neuroinmunomoduladón es la capacidad del sistema nervioso para influir en la función inmunitaria, ya sea de forma positiva o negativa. 14. El estrés es un estímulo Inespecífico que altera la homoost:asts; un fac. · tor estresante es un estímulo que produce estrés. El síndrom_e general de adaptación es una respuesta al estrés que Incluye la activación de las giartdulas suprarrenales (tanto la respuesta de lucha o huida de la médula suprarrenal como la respuesta menos espectacular de secreción de cortisol), seguida por la supresión del sistema inmunitario.

NWEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 15. Utilice las figuras y los cuadros del capítulo para ayudar a crear su

m•pa 16. Los ganglios linfáticos atrapan bacterias y otros patógenos y las· células inmunitarias crean una respuesta Inflamatoria localizada dentro de los ganglios a medida que rechazan a los patógenos. Esta respues- ta incluye tumefaC'dón y secreción de sustandas que activan nodceptores, lo que hace que Jos ganglios se hinchen y duelan. 17. La hist:amina es un vasodllatador que abre los poros en los capilares, lo que hace más fádl que las células inmunitarias y las prote!nas de la sangre entren en el espado extracelular. La interleuclna-1 ~ién aumenta la permeabilidad capilar, est:!mula las proteínas de fase aguda, produce fiebre y est:!mula las secredones de cttosinas y endocrina. las proteínas de fase aguda actúan como opsoninas y ayud?n a evitar el daño t!sular. La bradlclnina es otro vasodllatador y estimula Jos receptores del dolor. El complemento es un grupo de protefnas que actúan como opsoninas y atrayentes para los leucodtos, ordenan a los mastOdtos liberar histamina y forman coMplejos de ataque a la membrana que colocan poros en los patógenos, Ellnterferón yactiva a los ma· crófagos. Todas~ moléculas trabajan juntas de modp que no son antagoniStas. Si el efecto de ellas trabajando juntas es mayor que la suma de ellas trabajando solas, se las considera sinergistas. 18. a) Patógeno es rualquier .microorganismo que produzca enfermedad. Los pirógenos son sustancias químicas que producen fiebre. Los antígenos son sustancias que desencadenan una respuesta lnmu· . nitarta y reacctonan con loS productos de la respuesta. Los anti·

Respuestas a las preguntas de revisión· del final de !os capítulos

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cuerpos son sustancias químicas produCidas por el cuerpo que luchan contra la enfermedad, y los antibióticos son fármacos que destruyen bacterias y hongos. b) Una Infección es una enfermedad causada por un patógeno, espe· dalmente un virus o una bacteria. -La inflamación es una respúes· ta ínespedfica al daño <:elular o a los invasores extracelulares, que induyen no patógenos tales como una astil!a. Una alergia es una respuesta inflamatoria a un invasor no patógeno, como el polen de las plantas. En las enfermedades autoinmunitarias, el cuerpo crea una respuesta mediada por anticuezpos específicos contra sus propias células. e) Los alergenos son sustancias no patógenas que provocan reatdones alérgicas; las otras sustancias son todas patógenos. Las bacterias son microorganismos celular:es que se reproducen en el espa. cto extracelular del cuerpo. Los virus y los retrovirus son parásitos celulares que deben Invadir las células del cuerpo para reproducirse. Los virus hacen que la célula huésped forme DNA viral para reproducirse. d) Qulmlotaxlna es cualquier sust:anda química que atraiga las células Inmunitarias a una localización espedfica. Las dtodnas son péptidos formados a demanda y secretados por las células para actuar sobre otras células. Las opsoninas son proteínas que recubren y marcan el matttlal extrafio de modo que pueda ser reconocido por el sistema inmunitario. Las lnterleuclnas sori dtoclnas de las cuales Inicialmente se crefa que actuaban sólo sobre los leurocttos. Los lnterferones son citodnas llnfocitarlas que ayudan a la res. puesta inmunitaria. La bradiclnina es un vasodilataOOr paracríno. e) La respuesta inmunitaria humana se diVide en Inmunidad inespecífica (innata) e inmunidad especifica (adquirida). La inmunidad Innata está presente desde el nadmlento. La Inmunidad adquirida, también llamada inmunidad adaptativa, está dirigida a inva· sores específicos. La inmunidad adquirida puede ser dividida en inmunidad mediada por células e inmunidad humoral (presenda de anticuerpos en la sangre). f) Las respuestas de hlpersensibilidad inmediata están mediadas por anticuerpos y ocutren a los pocos minutos de la exposición a tos a\ergenos. Las reacdones de hipersensibilidad retardada pueden llevar vados días en aparecer y están mediadas por células T he!· per o cooperadoras y macrófagos. g) 1bdas éstas son sustandas químicas de la respuesta inmunitaria. El complejo de ataque a la membrana y la perforina son proteinas de los poros de membrana. Las perfurinas específicamente permi· ten que las granzirnas, que son eru::!mas dtotóxlcas, entren en la célula. 19, El diagrama debe asemejarse a la figura 24--lZ. La región Fe determina a cuál de las dnco clases de pertenece un anticuerpo dado. La región Fb contiene los sitios de unión al antígeno que confieren espedfid· dad al anticuerpo. 20. Véasefigura24--17. 21. Véase figura 24--18. 22, Véase figura. 24--19.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 23. La sangre tipo Oes el doilante univetSal porque estos eritrocitos cate· cen de los antígenos de superllde Ao By por lo tanto no desencadenan una respuesta inmunitaria. La sangre tipo AB es el receptor uni· versal porque estos eritrocitos tienen tanto antígenos Acomo By por lo tanto no tienen anticuerpos contra antígenos Ao B. 23. El genotipo de Max!e debe ser 00, como debe ser el del niño. El genotipo de Snldley' puede ser BB o BO. El niñO redbió un gen Ode Maxie y puede haber recibido el otro gen Ode Snidley, por lo tanto es posi· ble que Snidley sea el padre del hijo de Maxie. 24. El estrés emocional produce un aumento de la sec:redón de cortisol, que suprime el sistema inmunitario. También es probable que los es. tudiantes estén pasando más tiempo adentro porque están estudian· do más y pueden tener un contacto más estrecho con sus compaüeros en Jos grupos de estudio.

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Apéndke A

Apéndice A

Respuestas a las preguntas de revisión del final de !os capítulos

zs. Las enfermedades autoinmunitarias ocurren cuando las células inmu· nitarias tratan una proteína propia nonnal como S1 fuera un antígeno y entonces atacan un tejido espeáfico. Las enfennedades autoinmu· nitarlaS a menudo comienzan con una infección y se cree que representan una reactividad cruzada de los anticuerpos que se desarrolla· ron debido a la Infección. Corno el estrés suprime el sistema irununi· tario, la infecdón asociada puede ser prolongada. 26. Un amnento en los neutrófilos se asocia con frúecdón bacteriana. Un aumento en los eosinófilos se asoda con frúecdón parasitaria.

CAPITul025 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS t. El ATP y la fosfocrealina. almacenan energia en los músculos. 2. La producción más eñdente de ATP se logra a través de las vías aerobias. Cuando se emplean estas vías, tanto la glUCi!Stl amw los áddtJs grasos se pueden metabolizar para generar ATP. 3. Metabolismo aerobio: necesita oxígeno, la glucosa sufre g!ucóllsls y entra en el ciclo del áddo cítrico. La energía se transfiere al ATP a través de la fosforiladón oxidatlva en las mitocondrias. Se producen en· tre 30 y 32 moléculas de ATP por molécula de glucosa. Metabolismo anaerobio: no utiliza oxígeno, la glucosa sufre g!ucólisis y convierte en áddo láctico. Sólo se producen 2ATP por molécula de glucosa con-

e) aumenta f) aumenta g) permanea! constante h) disminuye 15. El aumento de la frecuencia cardíaca durante el ejerctdp disminuye el tiempo de llenado y ayuda a compmsar el aumento del volumen de fin de diástole que se podría asociar con el iru::remento del re.torno venoro. 16. El reflejo barorreceptor puede estar ausente en el ejercicio porque 1) se eleva su umbral, 2) se produa! un bloqueo de las señales aferentes de los barorrecepto.res que se dirigen hada la médula espinal o 3) !os estímulos de los quimiorreceptores y los mecanorreceptores procedentes de los tejidos en ejerdcio son más intensos que los estímulos de los barorreceptores y los superan. 17. Los individuos que mantienen un estilo de vida con ejercido regular tienen un riesgo más bajo de infartos de miocardio, su presión arterial es más baja, sus perfiles lipídicos son más-favorables y presentan un riesgo más bajo de diabetes mellitus tipo 2.. 18. El músculo en el ejercido no requiere insulina para absotber glucosa, por !O que el ejercido regular puede ayudar a mantener la glucemia dentro de valores normales.

19. Una bebida deportiva debe contener agua, NaCl y K• para reponer el liquido y los. iones perdidos con el sudoL Además, esta bWida debe tener un hidrato de carbonó como la glucosa, que se absotbf con fa. cilidad y se metaboliza con rapidez. para formar ATP.

NIVEL 4: PROBLEIVJAS ANAL/riCOS 20. 60 latidos/mio x 70 mL/latido =4 200 mL/min de volumen minuto. Si la frecuencia cardíaca se duplica a 120 latldos{min, el volu· men minuto pasa a ser 8"400 mL/min, o sea el doble del valoranterioL

CAPITUL026 NIVEL 1: REVISIÓN DE HECHOS Y TÉRMINOS L a) 3, 4,5

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS 9. Las figuras cuya infotnl3.ctón se podrla incorporar en el mapa· se enruentran en Jos capítulos 4, 15, 17, 18, 23 y 25. 10. La secreción de inSulina disminuye deti!d.o al efecto de los estimulas simpáticos sobre 'tas célulaS beta del páncre~. Esta reducción esfunu. !a la producción hepática de glucosa· y evita que los tejidos dependientes de insulina absorban la glucosa, lo que permite conservarla para que la utilicen el encéfalo y el músculo, donde- en absorción no requiere insulina. 11. Dos ventajas de la glucólisis anaerobia soli qúe es rápida y que emplea glucosa, la cual está rápidamente disponible. Dos desventajas son que obtiene minos ATP por glucosa y que contribuye al desarrollo de ad· dosis metabólica. . . 12. a) El ATP es la fuente de energfa pata la contracdón muscular. El ADP puede aa!ptar uri fOsfato de alta en'ergia de la fosfocreatina y transform~eenATP.

b) La mioglobina es una proteína muscular intracelular que contiihuye con la difusión de oxígeno desde la sangre hada las mitocondtias. La hemoglobina es el pigmento fijador de oxigeno presente en Jos glóbulos rojos que transporta oxigeno desde los pulmones hada las células. 13.a)3 b)1,2,,3,4,S c)l,2,4,5,6 d)6 e) no hay reladónes f) 6 g} 1 (retomo venoso), 4 14. a) aumenta b) disminuye e) aumenta d) aumenta

b)8

e) t, 7

d)2,6

suprarrenales de ambos sexos. b) Falso. Los hombres producen estrógeno, las mujeres producen andrógenos y ambos producen FSH, IH e inhibina. e) Verdadero. · · d) Falso. Las concentraciones elevadas de estrógeno durante la fase folicular tardía contribuyen a la preparación del útero para la implantación de un óvulo fecundado y actúan como señal de retroalimentación negativa sobre el· hi¡}otálamo y la hipófisis. e) Verdadero. 7. El semen es una mezcla de espermatozoides y líquido fabricado principalmente por las glándulas acteSOrlas. En el cuadro 26-3 se enumeran sus componentes y sus orígenes. 8. La forma de anticona!pdón más ef~va es la abstinencia. Las íormas menos efectivas de anticoncepctón son las que evitan las relaciones sexuales durante los períodos en los que se considera que hay mayor fertilidad.

NIVEL 2: REVISIÓN DE CONCEPTOS

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

-da

4. Las tres fuentes de glucosa que emplean las células son el glucógeno, la glucosa plasmática y la glucosa producida poi·gluooneogffiesis. 5. El cortisol, la hormona de aecttruento, la adrenalina y la noradrena· llna estimulan la conversión de los triglicérldos en ácidos grasos y aumentan la glucemia. 6. Al comienzo del eJercicio, el uso de ATP en el músculo supera la producción aerobla de este compuesto, por Io que se emplean los depósitos celulares de ATP. Esto ocasiona una deuda de oxígeno que se refleja en el consumo de oxfgeno elevado después de la finalizadón del _ejercido. 7. Se cree que el aparato cardi.ovascular es el factor Jirnitante más impor· tante. 8. La temperatura normal del cuerpo-es 37 oc. Los aumentos de la tem· peratura corporal desencadenan sudoración yvasodilatación cutánea.

6. a) Falso. Se produce derta cantidad de testosterona en laS glándulas

<)2

fjl

2. La reglón que determina el sexo es el gen SRY. 3. Las gónadas producen gametos y secretan hormonas sexuales. ·El gameto femenino es el óvulo y el masculino es el espermatorolde. Las hormonas gonadales femen!nas son estrógenos, progesterona, ~dró­ genos e inhlbJna. Las hormonas gonadales masculinas son andrógenos e inhibina. 4. Espermatoroide redffi formado: luz del túbulo seminífero -? epidídi· mo-? conducto deferente~ conducto eyaculador (que atraviesa las vesiculas seminales, la próstata y las glándulas bulbouretta!es) -? uretti Ovodto liberado: trompa uterina -?cavidad uterina-? cuello uterino -? vagina 5. a) La aromatasa convierte los andrógenos en estrógenos. b) La barrera hematotestlcular está formada por uniones estrechas que impiden el moVimiento libre de las sustancias ~tre la sangre y !a luz del túbulo semin!fero. e) Las células de Sertoll producen proteína llgadora de andrógenos y la secretan hada la luz del túbulo seminífero, donde se une con los ·andrógenos y los concentra. d) El pruñer cuerpo polar se forma durante la primera división meiótica de un ovodto prtmarto. Esta estructura se desintegra y no cumple función alguna. e) El acrosoma es una estructura semejante a un llsosoma presente en la cabeza del espermatozoide que contiene enzimas esenciales para la fecundaCión.

9. Lista 1: utilice las figuras 26-3, 26-4 y 26-5 para crear su mapa. Lista 2: Utilia! las figuras 26-12, 26-13 y 26-14. 10. Véasefigura26-U. 11. Véase figura 26-14 12. Los hombres tienen un cromosoma X y un cromosoma Y que a menudo no tiene un gen que corresponda con el que se encuentra ·en el cromosoma X. Por ende, un hombre puede heredar un rasgo receSiVo ligado al X y exhibirlo, mientras que la mu¡er que hereda el miSmo rasgo recesivo no lo exhibe salvo que el segundo cromosoma X tenga el gen dominante para ese rasgo. 13. a) Un gameto es una célula genninal haploide y está representada por los óvulos y los espermatozoides. El cigoto diplolde se forma mediante la fusión del óvulo con el espermatozoide y a medida que se va dividiendo se convierte en un embrión. Hada la octa.. va semana de edad gestacional, el embrión se convierte en feto. b) El coito es el acto sexual o relación sexual. Durante la em:dón, el pene se endurece e ingurgita con sangre. En el orgasmo masculino, los espermatozoides Ingresan en la uretra durante la emiSión y luego salen del organismo junto con los demás componentes del semen durante la eyaculación. Las zonaS erógenas son regiones del cuerpo que tienen receptores para los estimulas reJado-. nados con la sexualidad. e) Antes de que los espermatozoides puedan fertilizar al óvulo, deben sufrir la capadtadón. Cuando el espermatozoide llega al óvulo, experimenta una reacción acrosómlca que le ayuda a pénetrar en la zona pélúdda protectora que rodea al óvulo. Luego de la fusión de las membranas del espermatorolde y el ovodto, los gránulos corticales presentes en el dtoplasma del óvulo liberan sus contenidos para modificar las propiedades de la membrana del óvulo (reacción cortical). d) La pubertad es _el periodo en el que la persona adquiere la madurez sexual. En las mujeres, el comienzo de la pubertad correspúnde a la menarca, el primer periodo menstrual, y los ddos reproductores finalizan en el período denominado menopausia. En los hombres, la produCCión de testosterona disminuye con el paso de los años, pero la existencia de la andropausia es controvertida. 14. a) En ambos sexos la FSH estimula 1\1 producción de gametos. b) En ambos sexos la inhibina bloquea la ~ón de FSH. e) En ambos sexos la activtna estimula la secreción de FSH. d) En ambos sexos la Gn.RH actúa sobre el lóbulo anterior de la hipófisis para estimular la secreción de FSH y LH.

Respuestas a las preguntas de revislón del final de los capítulos

A·29

e) En ambos sexos la LH estimula la prOOucctón de hormonas sexua· les en las gónadas. En las mujeres también se necesita LH para la . madmactón de los gametos. f) La DIIT es un metabolito de la testosterona responsable del desa· rrollo de los genitales masculinos en el feto. g) Los estrógenos están presentes en ambos sexos pero ejercen uil. efecto predominante en las mujeres, donde están involucrados en la formación de gametos y el desarrollo de algunas características

-~·

h) En los hombres, la testosterona cumple una funCión en la forma· dón de los gametos. En ambos sexos esta hormona es responsable de algunos rasgos sexuales secundarios, como el crecimiento del vello. i) La progesterona sólo se encuentra en las mujeres; su fundón es preparar el útero para el embarazo. 15. Las cuatro fases son muy similares en ambos sexos_. Durante la fase de excltadón, el pene (en el hombre) y el clítoñs (en la mujer) experimentan una erección debido al aumento del flujo sanguíneo hada el órgano. La vagina también secreta líquidos para su lubri· cación. Durante el orgasmo masculino se produce la eyaculáción, mientras que en el femenino las paredes del útero y la vagina se contraen. 16. a) La placenta en desarrollo secreta hCG, que evita la involución del cuerpo lúteo. b) La U! es muy similar a la hCG pero, a diferencia de esta hormona, no ejerce una fundón directa sobre el embarazo y !os eventos asociados con él. e) Es probable que la hPL cumpla un papel. en la regulación del metabolismo materno durante el embarazo. d) Los estrógenos son ne<:esaños para el desarrollo de las mamas y para ejercer una retroallmentadón negativa que Inhibe el desarrollo de folículos nuevos. e) La progesterona SirVe para mantener el endometrlo y evitar las contracciones uterinas. Además esta hormona cUmple una ftm. ctón en el desarrollo de la glándula mamarla. f) La relaxina ayuda a evitar las contraCCiones uterinas. g) Las concentraciones de Pffi disminuyen, por lo que los niveles de prolactina aumentan y se comienza a producir leche.

NIVEL 3: RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS 17. En condiciones nonnales, después de la fertillz.actón el segundo cuerpo polar, que contiene un conjunto haploide de cromosomas, se expulsa hada el exterior del cigoto. Si el embrión conserva todos o algunos de los cromosomas del segundo cuerpo polar, presenta tres coplas de un cromosoma en lugar de dos. 18. Silos quistes no ovulados siguen smetando estrógenos y no se convierten en cuerpos lúteos, la cubierta uterina sigue creciendo y las mamas se desarrollan, de la misma manera que durante el embarazo. 19. a) "Masculino b) Testiculos"no fundonantes e) N'mguno de estos conductos d) Femenino 20. Durante el embarazo, el aumento de la glucemia materna está disponible para el feto, que metabollza la energía adicional y experimenta un aumento de peso. El feto también experimenta .reguladón por incremento de la secreción de insulina pata manejar la glucosa que atraviesa la placenta. Después del nacimiento, cuando la concentra· dón de inSulina sigue elevada pero la glucemia se nonnaliza, el bebé puede sufrir una hipoglucemia.

A-30

Apéndice A Respuestas a las preguntas de revisión del final de los capítulos

NIVEL 4: PROBLEMAS AflfALfTICOS 21. a) La concenttación de testosterona. aumentó en el punto Aporque en ese momento les fue administrada a los individuos. · b) Las concentraciones de LH y fSH dislllinuyeron en el punto Adebido a la retroalinlentadón negativa ejercida por la testosterona..

e) La producción de espermatozoides se redujo en el intervalo entre A- Bporque las concentraciones de FSH y LH disminuyeron. La producción aumentó hada el final del intervalo_B- Cporque la FSH pennltió su reanudación. Esta producción no aumentó en forma significativa durante el intervalo D- E.

INTRODUCCIÓN Este apéndice analiza aspectos espeáficos de la biofísica, que es el estudio de la física aplicada a sistemas biológicos. Como los seres vivos intercambian fuerza y energía en forma continua, es importante definir estos conceptos relevantes. De acuerdo. con las afirmaciones del científico del siglo xvn ·sir Isaac Newton, un cuapo ~ reposo tiende a permanecer inmóvil y un cuerpo en movimiento tiende a seguir moviéndose en línea recta salvo que una fuerza externa actúe sobre él (Primera Ley de Newton). Además,· este autor definió fuerza como una influencia mensurable en ténninos de intensidad y dirección que opera sobre un cUerpo y altera su estado de reposo o movimiento. En otras palabras, una fuerza entrega energía a una cantidad, o masa, y le permite realizar.un trabajo. En general, una fuerza multiplicada por una masa da por resultado una energía o trabajo. Acontinuación semencionan algunos ejemplos relevantes de este principio:

des de medida estándar. Acontinuación se presentan algunas unidades de medida: Longitud (Q: la longitud se mide en metros (m). Tiempo (t): el tiempo se mide en segundos (s). Masa (m): la masa se mide en kilogramos (kg) y se define como el peso de un cuerpo en un campo gravitadonal. Temperatura (1): la temperatura absoluta se· mide en la escala Kelvin (K), donde K= grados Celsius ("C) + 273,15 y ce= (grados Fahrenheit- 32)/1,8 Corriente eléctrica (1): la corriente eléctrica se mide en amperios (A). Cantidad de materia (n): la cantidad de materia se mide en moles (mol).

Con estas unidades de medida básicas se pueden establecer las unidades estándar que se emplean en los diversos conceptos físicos (cuadro B-tm). Aunque éstas son las unidades estándar que se emplean en la actualidad, no son las únicas que se emplearon para describir los conceptos físicos. Por ejemplo, la fuerza también puede medirse en dinas, la energía puede medirse en calorías, la presión puede medirse en torr o mm Hg y la potencia puede medirse en caballos de fuerza. No obstante, todas estas unidades pueden convertirse en las unidades están~ dar y viceversa. El resto de este apéndice analiza algunas aplicaciones de los conceptos físicos que tienen importancia biológica. Este análisis abarca, por ejemplo, principios bioeléctrlcos y osmóticos. y el comportamiento de los gases y los líquidos en los seres viLa energía se presenta en dos formas: energía dnética y ener~ gía potencial. La energía cinética (kinein, mover) es la que posee . vos. un cuerpo en movimiento. I.a energía potencial es la energía que posee una masa debido a su posición. La energía dnética (EC) se . obtiene a través de la multiplicación de un medio de la masa (m) de Wl cuerpo en movimiento por el cuadrado de su velocidad (v): Fuerza mecánica x distanda = energía mecánica o trabajo mecánico Presión de un gas x volumen de Wl gas = energía mecánica o trabajo mecánico Presión osmótica x valor molar= energía osmótica o trabajo osmótico Potendal eléctrico x carga = energía eléctrica o trabajo eléctrico Temperatura x entropía= energía calórica o trabajo mecánico Potencial químico x concentración = energía química o trabajo químico

EC= l/2mv' La energía potencial (EP) se obtiene a través de la multiplica· ción de la masa (m) de un cuapo por la aceleración de la gravedad (g) y por la altura (h) del cuerpo respecto de Wla superficie:

EP=mgh

donde g = 10 m/seg2

Tanto la energía_potendal como la energía cinética se miden en julios üoules).

UNIDADES BÁSICAS DE MEDICIÓN Para que los conceptos físicos puedan aplicarse a las tareas científicas es importante poder medirlos y expres!i!los en unida·

Fuerza

NeWI:on (N)

1N:t kgmfseg2

Energlaltrabajoka!or

Julio {Joule, J)

1J::1N·m

Potencia

Vatlo{W)

Carga eléctrica

Cu!ombio{Q

1W=-_1 Jlseg 1C= 1A.seg

Potencia!

Voltio M

1V=1J/C

Resistencia

Ohmio (Q)

1f.!=1VIA

Capacitancia

Faradio (F)

1 F=t

Presión

Pascal {Pa}

1Pa=1Wm1

*Sl =SystEme lntematlonal d'Unilli

av

A-32

Apé~dice B

Apéndice B Física y matemática

Física y matemática

PRINCIPIOS II!OELÉCTIIICOS Los seres vivos están compuestos por dlstint~ moléculas y muchas de ellas tienen carga. Las células tienen en su interior partículas con carga, como las proteínas y los ácidos orgánicos, y los iones atraviesan las membranas celulares continuamente. Por es. to las fuerzas eléctricas son importantes para la vida. Cuando las moléculas incorporan o pierden electrones desarrollan cargas positivas o negativas. Un principio básico de la electricidad es que las cargas opuestas se atraen y las idénticas se rechazan. Para modificar la posición de una partícula (masa) con carga, una fuerza debe actuar sobre ella. Así, las partículas con carga deben recibir la influencia de una fuerza para atraerse o rechazarse y esta tuerza eléctrica puede medirse. La fuerza eléctrica aumenta a ~edida que la intensidad (cantidad) de la carga se in· crementa y disminuye a medida que aumenta la distancia entre las cargas. Esta observación se denomina ley de Coulomb y se expresa de la siguiente manera:

q1q2.

F=-;;¡donde q1 y% son las cargas eléctricas (culombios), des la dis- · tanda entre las cargas {metros), s.es la constante dieléctrica y Fes la fuerza de atracción o repulsión, lo que depende de los tipos de carga presentes en las partículas. cuando las cargas-opuestas se separan, una fuerza actúa para atraerlas. A medida que las cargas se aproximan, estas partículas con cargas producen un trabajo 'f se libera energía (Fig. B-11ti). En cambio, para separar cargas unidas se debe entregar energía y realiiar un trabajo. Si las cargas se separan y se mantienen alejadas, tienen un potencial determinado para producir trabajo. Este potendal eléctrico se denomina voltaje y se mide en voltios (V}. Si las cargas eléctricas se separan y se produce una diferencia de potencial entre ellas, la fuerza entre las cargas promueve el flujo de electrones. Este flujo de electrones se denomina corriente eléctrica. la.constante de Fataday (F) refleja la carga eléctrica transportada por un mol de electrones y equivale a 96 485 culombios/mol. la can~dad de córiierite que fluye depende de la naturaleza del material entre las-cargas. Si este materi_al Obstruye el flujo de él.ectrones, se considera que opone resistencia (R) y ésta se mide en ohmios. La corriente es inversaÍnente proporciOnal a la fe5is.. tencia, lo que significa que la corriente djsminuye a medida que aumenta la resistencia. Si un material opone una resistencia elevada se deilomina aisJánte; pero ~i la resistencia es baja, la corriente fluye c,on _ielativa Iib~d y ~ este caso el material se denomina corid~~or. la corri~te, el voltaje y la resistencia se relacionan a través de la ley de Ohm: V=IR.

donde V= diferencia de potencial en Voltios I = _corriente en amperios R= Iesistenda en ohmios

SI dos cargas opuestss se separo.n M crea una fueml e!éctr'.caenlmellas.

--

0-

-0

Si el número de cargas sepa¡adas auinenta, !a fuerza trunbién

~---01

Si aumenta !a distancia entre las cargas, !a foorza dlsminuye.

-0

0-

::,~:': 0~f--•----1(0

PRINCIPALES COMPORTAMIENTOS DE lOS GASES Y lOS lÍQUIDOS .

distancia detetmlnada d,

cuentan con un potencial

.

específioo pa:a producir

!!abaJo. Este potencial eléct!lco sedenomlnavol!ale.

S! se permite que las cargas separadas M vuelvan a unir, se realiza un trabajo y se !ibera _

ffi Trabajo= foorza x lf~Stalcia

~-=.':.':'::'0:/::'' \

--

Para medir la presión osmótica se debe detenÍililar la presión mecánica que debe aplicarse a una solución para que se detenga el movimiento osmótico-. El balance hídrico en el organismo depende de los gradientes de presión osmótica (gradientes de concentración). I.a mayoría de las membranas celulares permiten el pasaje libre del agua dado que esta sustancia está compuesta por molécu!;;s pequefias sin carga eléctrica. Por esto, el cuerpo puede controlar el moviiniento del agua a través de la regulación del movimiento de los solotos; con este fin las membranas celulares tienen una permeabilidad Selectiva a los diferentes solutos. -

partfculas y de la distancia que

"'",.._.,_.

Los aparatos respiratorio y circulatorio del cuerpo humano evoluctonaron de acuerdo con las leyes físicas que regulan el comportamiento de los gases y los líquidos. Esta sección analiza algunas de las leyes importantes que rigen estos comportamientos y la forma en que los sistemas corporales emplean estas leyes. Gases la ley de los gases ideales establece:

se debe introduclf .,.,..,. 0 sistema y se

0

11.1 FIGURA S..1

donde

Fuerza eléctrica

En los sistemas biológicos el agua pura no es buena conductora, pero el agua con NaCl disuelto es un material conductor bastante adecuado porque los iones proporcionan cargas que dejan pasar la comente. En las membranas biológicas, los lípidos tienen escasos grupos con carga o ninguno, y por ello oponen mucha resistencia.al flujo de corriente. Así, las células pueden tener p_ropiedades eléctricas diferentes· según la composición lipídica de la membrana y su permeabilidad a los iones.

PRINCIPIOS OSMÓTICOS El punto de congelación, la presión del vapor, el punto de ebullición y la presión osmótica son propiedades de las soluciones y reciben en forma colectiva el nombre de propiedades coligativas. Estas propiedades dependen de la cantidad de partículas de soluto presentes en una solución. I.a presión osmótica es la fuerza que conduce la difusión del agua a través de una membrana. Como el agua pura no contiene solutos, tampoco tiene presión osmótica. Pero, si se agrega un soluto como ~1 NaCI, cuanto mayor es la concentraéión (e) del soluto disuelto en el agua, mayor es su presión osmótica. la presión osniótica (n) varia en relación directa con la concentración de soluto (cantidad de partículas [n] po< volumen [V])' ·

<= (n!V)RT

n=cRT donde Res la constante de los gases ideales (8,3145 julios/K mol) -y Tes la temperatura absoluta en Kelvin.

la presión del líquido es independiente de la forma del recipiente que lo contiene.

REVISIÓN DE LOGARITMOS Cuando se estudia biología es importante comprender el concepto de logaritmo para analizar la definición de pH: pH = -log10[H+} Esta ecuación afirma que "el pH es igual al logaritmo negativo de base 10 de la concentración del Ión hidrógeno". Pero ¿qué es un logaritmo? Un logaritmo es el exponente al que se debe eleva! la base (10) para obtener el número en cuestión. Por ejemplo, para obtener el número 100, la base {10) debe elevarse al cuadrado: 10' =100 I.a base 10 se eleva a la segunda potencia; por ende, el logaritmo de 100 es 2:

log100=2 A continuación se presentan algunos otros ejemplos:

101 = 10 10" = 1 10·1 = 0,1

PV=nRT

realiza un tlabajo.

P=presión de los gases en el sistema V= volumen del sistema n = número de moles en el gas T = temperatura R =constante de los gases ideales (8,3145 J/K mol)

Si n y T permanecen constantes, la presión y el volumen del sistema se relacionan a través de la ley de Boyle: P1V1 =P2Vz

donde P representa presión y V representa volumen. Este principio es importante en Jos pulmones de los seres humanos porque la concentración de los gases en estos órganos es relativamente similar a la de los gases en la atmósfera. Además, la· temperatura corporal se mantiene constante ~das a la p!esencia de mecanismos homeostáticos. En consecuencia, si el volu. meo de los pulmones se modifica, la presión en los pul~ones cambia de manera inversa. Por ejemplo, un aumento de la presión produce una reducción del volumen y viceversa. Uquidos la presión del líquido (o presión hldrostática) es la presión ejercida por un líquido sobre un cuerpo real ó hipotético. En otras palabras, la presión existe en fonna independiente de la presencia de un cuerpo sumergido en el líquido. El líquido ejerce una presión (P) sobre un objeto sumergido a una profundidad determinada desde la superficie (h). I.a ley de Pascal permite determinar la presión de cualquier tipo de líquido a una profundidad específica y se defu).e de la siguiente manera: P=pgh

donde P=presión del líquido (medida en pascales, Pa) p =densidad del líquido g =aceleración de la gravedad (10 m/segZ) h = profundidad debajo de la superlide del liquido

A-33

Ellog de 10 es l. Ellogde1es0. Ellog de 0,1 es -1.

¿Qué sucede con los números que se encuentran entre las potendas de 10? Si ellogde 10 es 1 yellogde 100 es 2, ellog de 70 se encontraría entre 1 y 2. El valor exacto puede bw~ en una tabla de logaritmos o calcularse con la mayoría de las calculadoras. Para determinar el pH se debe conocer otra regla de los logaritmos que establece lo siguiente: -log x = log(11x) y una regla de exponentes que afirma que: 1/10" =1!)'"% Si una solución tiene una concentración de ión hidrógeno [H+] de 10'"7 mEq/L, ¿cuál es el pH de la solución? pH = - log [H'] pH = - log (1Q-~

Si se aplica la regla de los logaritmos, esta ecuación se puede reformular de !_a siguiente manera: pH =log(l!lo-~ Si se aplica_ la regla de los exponentes, esta ecuadón se puede refonnular de la siguiente manera:

pH = log 107 El logaritmo de 107 es 7, de manera que el pH de la solución

es 7. Los logaritmos naturales (ln) son logaritmos con base e. I.a constante matemática e tiene un valor aproximado de 2,7183.

Apéndice C Genética

t•l Base

¿QUÉ ES El DNA? El ácido desoxirribonudeico (DNA) es la macromolécula

que almacena la información necesaria para construir los campo· nentes estructurales y functonales de la célula. Además, este com· puesto representa la base de la herenda cuando el DNA se trans· mite de los padres a los hijos. La unión de estos conceptos relactonados con el DNA permite establecer una definición ope. rativa. Un gen 1) es un segmento de DNA que codifica para la sín· tesis de una proteína y 2) funciona coÍno unidad de .la herencia que puede transmitirse de una generación a otra. FJ aspecto exter· no (fenotipo) de un organismo depende en gran medida de los genes heredados (genotipo). En consecu~dá, se puede comeiÍ.zar a analizar la forma en que las variaciones del DNA producen modificadones en el organismo. Estos conceptos representan los fundamentos de la genética y la teoría evolutiva,

NUCLEÓTIDOS Y PAREAMIENTO DE BASES El DNA pertenece a un grupo de macromoléculas denominadas ácidos nucleicos. El ácido ribonudeico (RNA) también es un ácido nucleico pero cumple funciones diferentes en la célula, que no se comentarán en esta sección (véase cap. 4). Los ácidos nudeicos son polímeros compuestos por monómeros (mana-, uno) denominados nucleótidos. Cada nudeótido está formado por un nucleósidO (una pentosa o azúcar de S carbonos unida en forma covalente con una base nitrogenada) y un ácido fosfórico con por Jo menos un grupo fosfato _(Fig. C1a !!). Las bases nitrogenadas presentes en los ácidos nudeicos se clasifican como_ pu· rinas o pirimidinas. Las bases purínicas son la guanina (G) y la adenína (A); las bases pi$údínlcas son la citosina {C), la tintina (1) sólo hallada eil el DNA)r el uradlÓW) sólo hallado en el RNA. Para recordar las bases pirimidínicas se debe prestar ·atención a la primera sílaba. La palabra "pirimidina" y l~ nombres de las bases pirimid,ínicas que componen el DNA tienen ·una "i" en la primera sí!clba. · Cuando los nucleótidos S:
ESTRUCTURA DEL DNA En los seres l:i'umanos, millones de nudeótidos se unen para formar el DNA. En Jos eucariontes esta molécula suele presentarse en forma de dóbles hélices de cadenas también dobles (Fig. C-

2 lfl) y se asemeja a una escalera o un cierre cremallera enrollado. La porción compuesta por el az(lcar y el fosfato, o sea la cadena principal, es la misma en todas las moléculas de DNA, mientras

que la secuencia de nudeótidos es única para cada organismo in· dividua!. La cadena prindpal de la doble hélice está formada por enlaces fosfodiéster covalentes que conectan un grupo azúcar desoxirribosa de un nudeótido con el grupo fosfato de un nudeótido adyacente, Los "peldaños" de la doble hélice se ·forman cuando las bases nitrogenadas presentes en una de las cadenas del DNA enlazan puentes de hidrógeno con las bases nitrogenadas presentes en la otra cadena de DNA. Este fenómeno se denomina pareamiento de bases. Las reglas que regulan el pateamiento de bases son las siguientes:

~)

Fosfato

liil FIGURA C·1 Nudeótídos y DMA (a) Un nudeótido está formado por un azúcar pentosa, una base nitrogenada y un grupo foSfato. (b) En !os nudeótidos la pentosa se conecta con el fosfato para formar ácidos nudeicos. El extremo del ácido nudei· coque tiene un azúcar libre se denomina 3' y el extremo con e! grupo fosfato libre es el 5'. (e) Las cadenas de nudeótldos se conectan entre sí a través de puentes de hidrógeno entre bases complementarlas para for. mar !a doble hélice del DNA. La adenina siempre se aparea con timina y la guanina se parea con dtosina.

~J ~ = .- . ··~· ""'"~ ~

~~

e~·

~1· lZ..,.,..e ..~~ ".··'

>

·'.

-"'"""'~ '·'&Y

cadena de nucleótkfos cadena 2 del DNA

1. Las purinas sólo se parean con purinas. 2. La guanina (G) se parea con citosina (C) a través de tres puentes de hidrógeno tanto en el DNA como en el RNA. 3. La adenina (A) se une con timina (I) en el DNA o urac_ilo

L-- .-"'

_u_.,__¡ Frlmmn,_'

(U) en el fu'lA a través de dos puentes de hidrógeno.

El número de puentes de hidrógeno se relaciona en forma directa con la cantidad de energía necesaria para separar el par de

bases. En consecuencia, se necesita más energía para separar los enlaces G:::C {cada ":" representa un puente de hidrógeno) que los enlaces A::T. Este principio puede ser útil en el campo experimental para establecer conjeturas generales en relación con la similitud de dos muestras de DNA. Las dos cadenas de DNA qJ!e se unen presentan una orientación antiparalela entre sí, de manera que el extremo 3' de una~­ dena se conecta con el extremo S' de la segunda cadena (véase Fig. C-lc). Esta organización es muy importante para la replica· dónde! DNA.

La replicadón del DNA es semiconservadora Para poder transmitirse de una generación a otra, el DNA debe replicarse. Además, el proceso de replicadón d~be ser exacto y con una rapidez sufidente para un ser vivo deteiminado. Las reglas para el pateamiento de las bases nitrogenadas permiten que el sistema de replicación sea apropiado. Durante la replicación del DNA, hay proteínas especiales que desenrollan la doble hélice y construyen DNA nuevo mediante el pareamiento de nudeótidos recién ingresados que se aSocian con las dos cadenas de DNA existentes. Através de esta replicación se obtienen dos moléculas de DNA de doble cadena: cada molécula de DNA contiene una cadena de DNA proveniente del molde y una recién sintetizada. Esta forma se denomina replicación semiconservadora. · La replicación del DNA es bidireccional. Un fragmento de D!1A "desenrollado" con las enzimas necesarias para la replicadón se denomina horquilla de replicación (Fig. C-2). La replica-

Cadena 1 del DNA

·'·. ~·-;. guanfna A" adenlna

A-35

G= citoslna

T= tlmlna

polimerasa. Esta enzima sólo puede agregar nudeótidos en el extremo 3' de una cadena de DNA en vías de credmíento. Ésta es la razón por la cual se dice que el DNAse replica de S' a 3'. La orientación antiparalela de las cadenas de DNA y la direccionalidad de la DNA polimerasa determinan que la replicación se produzca de dos modos diferentes: replicación de la cadena o hebra adelantada y replicación de la cadena o hebra retrasada. La DNA polimerasa puede actuar en forma continua a lo largo de una sola cadena de DNA: la cadena del molde que se encuentra orientada de 3' a S'. El DNA que se replica de manera continua se denomina cadena o hebra adelantada. La replicación del DNA a lo largo de la otra cadena del molde es discontinua debido a su orientación de 5' a 3'. La replicación del DNA presente en esta cadena se desarrolla en porciones cortas denominadas fragmentos de Okazaki que se sintetizan en.la direcd.ón contraria a la horquilla de replicación. Luego, otra enzima denominada DNA ligasa conecta estos fragmentos para que constituyan una cadena continua. E! DNA que se replica de esta manera se denomina cadena o hebra retrasada. Como la DNA polimerasa no puede replicar lús extremos 5' de la cadena retrasada del DNA, una enzima es_pedalizada que se denomina telomerasa los replica. Gran parte de la exactitud observada en la replicación del DNA se debe al pareamiento de bases, pero a veces pueden producirse errores. No obstante, hay varios mecanismos de control de calidad que mantienen una tasa de error- de entre 1/109-y 1/1012 pares de bases. En los eucañontes, el tamaño del genoma (todo el DNA presente en un organismo) oscila entre l

Referencfas

~ Adenina

.-lpT!mina

dón comienza en muchos puntos (replicones), y continúa a lo largo de ambas cadenas originales de manera simultánea hasta que se unen las dos horquillas de replicación. Los nu~eótidos se conectan entre sí para formar cadenas de DNA ~uevas gradas a-la ayuda de una enzima denqminada DNA

'("""""' ~Citos/na

Extremo 5' del ONA pallll$ll

liil FIGURA C-2 Replicación del DNA

.T A-36

Apéndice G Genética

. Apéndice C Genética

FUNCIONES DEL DNA Una de las funciones principales del DNA es codificar la síntesis de las proteínas que participan en tareas estructurales o funcionales de una célula. La información codificada en el DNA se transcribe en RNA mensajero (mRNA) ~ A-36), cuyo código luego se traduce en proteínas con la ayuda de los RNA de transferencia (t:IL.'\IA) unidos a los aminoácidos específicos (cuadro C-ll'il}. La otra función principal del DNA es actuar como la unidad básica de la herencia al transmitirse a través de las generaciones. Antes de comenzar a describir el DNA en relación con su fun· ción en la herencia se deben definir algunos términos. Un cromosoma es una molécula de DNA completa y cada cromosoma contiene muchos genes. Un alelo es una forma que toma el gen; las interacciones entre los productos celulares derivados de los alelos determinan la forma en que se expresa el gen en el fenotipo de cada individuo. Las células somáticas (soma, cuerpo) son

AM!NOÁODO

Alariiria Arginina Asparagina Asparagina o ácidO aspárlico Acic;io aspártico Cistefna Ácido 9!útámlco G!utaminá Glutami~a o ácido glutáinicO Glicina *Histidina *!soléudna *Leucina "Usina "Metionina *Fenilalanina Pro!ina Serina *Treonina *Triptófano *Tirosina *Valina *Aminoácidos esen¡j¡¡les

.. ABREVIATURA.·.- ; SIMBOÜ) DE DE lRES LETRAS Uf!ALETRA

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las que constituyen la mayor parte del cuerpo (p. ej., una célula de la piel, una célula hepática) y no están comprometidas de ma· nera directa en la transmisión de la información genética a las generaciones futuras. Todas las células somáticas del ser humano tienen dos alelas de cada gen, uno heredado del padre y otro de la madre. Ésta es la razón por la cual las células somáticas humanas se denominan diploides ("dos juegos de cromosomas"), lo que significa que tienen dos conjuntos completos de todos sus cromosomas. En cambio las células germinales transmiten la in· formación genética directamente a la generación siguiente. En los · hombres, las células germinales se denominan espermatozoides y en las mujeres éstas se denominan ovodtos (óvulos). Las-células germinales humanas son haploides ("la mitad de un juego de cromosomas") porque cada célula germinal tiene sólo un conjunto de cromosomas, que equivale a la mitad del número presente en las células somáticas. Cuando una célula germinal masadlna humana se une con una célula germinal femenina humana se olr tiene un óvulo fertilizado {cigoto) que tiene un número diploide de cromosomas. En el momento en que este cigoto alcance el estado de adulto sano tendrá células somáticas diploides y células germinales haploídes. Las células alternan periodos de crecimiento y de división. Hay dos· tipos de división celular: mitosis y meiosis. La mitosis es la división celular que se produce en las células somáticas y obtiene dos células hijas, cada una con un conjunto diploide de cromosomas. En cambio. la melosis es la división celular que p&· mite obtener cuatro células hijas, cada una con yo conjunto ha· ploide de cromosomas. Las células hijas se convierten en células genninales. El periodo de proliferación celular se denomina interfase y se divide en tres estadios: G1 (período de crecimiento de la célula; síntesis de proteínas y producción de Orgánulos), S (periodo du· rante el cual se replica el DNA para prepararlo para la división celular) y Gz (período de síntesis de proteínas y preparación final para la división de la célula {Fig. C3 li!l). Durante la interfase, el DNA presente en el núcleo no puede verse con el mla:oscopio óp· tico sin colorantes Porque no está enrollado y se encu~tra distri· buido en forma difusa dentro del núcleo. Sin embargo, cuando la célula se prepara para la división debe condensar su DNA y for· · mar paquetes que se manejan con mayor facilidad. Cada molécu· la de DNA de una célula eucarlonte tiene millones de pares deba· ses que, si se estiraran y se colocaran un extremo con el otro, ocu· parían alrededor de 6 cm. Si este DNA no se enrollara en forma apretada ni se condensara sería muy difícil trasladarlo durante la división celular. En la célula se observa un empaquetamiento jerárquico del DNA (Fig. C41l!l). Cada cromosoma comienza como una molécu· la lineal de DNA con un diámetro aproximado de 2 ~ Luego, las proteínas histonas se asocian con el DNA_y forman una fibra que mide alrededor de lO·nm de diámetro que se pru:ece a "perlas en un collar". Las ~perlas" son los nudeosomas compuestos por histonas envueltas por DNA. La cuerda puede enrollarse en fonna de una espiral solenoide (solen, canal o canuto) con un diámetro aproximado de 30 nm y alrededór de 6 nucleosomas por vuelta. La estructura solenoide de 30 nm puede formar rulos y éstos pueden unirse con proteínas no histonas (estructurales) y convertir· se en fibras de entre 250 y 300 nm denominadas cromátides.

A-37

(

1!1 FIGURA C-3 Gdo celular

ti9 FIGURA C-4 Niveles de organ;zad6n del DNA

Luego la cromátide se enrolla para formar la fibra del cromosoma {con un diámetro aproxímado de 700 nm) que se toma visi· ble durante la división celular. En este estado de empaquetamiento la célula está lista para dividirse.

La mltosis produce dos células hijas idénticas Como se mencionó, la mitosis es la división celular de una célula somática que permite obtener dos células hijas diploides. Los pasos de la mitosis son profase, metafase, anafase y teJofase (Fig. C5 li). El dclo celular somático completo se puede recordar mediante un acrónimo, IPMAT, en el que la ul'' representa interfase y las-demás letras corresponden a los pasos si_· guientes de la mitosis.

manas que se unen por el centrómero. El par de centriolos ~A· 37, p. 61) se duplica y cada par se mueve hada uno de los polos de la c~ula. Entre ellos se forma el huso mitótico, que está com· puesto por mlcrotúbulos. La membrana nuclear comienza a degradarse y desaparece hada el final de la profase. Metafase En la metafase, las fibras del huso mitótico que se extienden desde los centríolos se unen con el centrómero de cada cromosoma. Los cuarenta y seis cromosomas, cada uno formado por Un par de crQmátides hermanas, se alinean en el"ecuador" de la célula.

Anafase Durante la anafase, las fibras del huso separan las cromátides hérmanas y esto detennina que una copla idéntica de cá. da cromosoma se desplace hada cada polo de la célula. Al final de Profase Durante la profase, la cromatina se condensa y Pl:lede la anafase hay un conJunto idéntico de cuarenta y seis cromosoobservarse con el microscopio durante la duplicación de los cromas en cada polo. En este punto la célula tiene noventa y dos cromosomas. Los cromosomas duplicados forman cromátídes her- - mosomas en total

"""

{a) Interfase

1ii1 FIGURA C·S

{b} Frotase temprana

Mitosis

{e} Profase tardla

{d} Metatase

Cél""

(e)Anafase

(f)Telofase

A-33

Apéndice G Genética

Telofase La división de la célula madre en dos células hijas se produce durante la telofase. Durante la dtocinesis, el citoplasma se divide cuando un anillo contráctil de actina se ~cha en la región media de la célula y se forman dos células hijas separadas, cada una con un conjunto diploide completo de cromosomas. Las fibras del huso se desintegran, se forman las envolturas nucleares alrededor de los cromosomas y la cromatina vuelve a ad· quirir su estado laxo.

Las mutaciones cambian la secuencia del DNA Durante toda la vida hay innumerables oportunidades de que se produzcan errores durante la replicación del DNA. Un cambio en una secuencia del DNA por agregado, sustitución o deleción de una base, produce una mutación puntual. Si la mutación no se corrige, puede ocasionar una modificación en el producto del gen. Estos cambios pueden ser relativamente menores o determinar la creación de productos del gen disfuncionales que podrían matar a la célula o al organismo. Sólo en escasas ocasiones una mutación produce un cambio beneficioso en-el producto de un gen. Afortunadamente, las células de los Seres humanos contienen enzimas que pueden detectar y reparar las lesiones del DNA. Algunas mutaciones se deben a Ia acción de mutágenos, que son factores que aumentan la tasa de producción de mutadones.

Varios productos químicos, la radiación ionizante, como la asodada con los rayos X y la radiadón atómica, la luz ultravioleta, y otros factores pueden comportatse como mutágenos. Estos elementos pueden alterar el código de bases del DNA o interferir sobre la acción de las enzimas reparadoras, lo que promueve el desarrollo de mutadones. Las mutaciones que se producen en las células somáticas se denominan mutaciones somáticas. Éstas se papetúan en las células somáticas del individuo pero no se transmiten a las siguientes generaciones. Sin embargo, también se pueden producir mutaciones en la línea germinal. Como estas mutaciones se enruentran en las células germinales, se transmiten a la generación siguiente.

Al'ITERIOR (situado en el frente): en los seres humanos, hada la parte de adelante del cuerpo (véase VENTRAL) D-1!§1 POSTERIOR (situado detrás de): en los seres húmanos, hada la parte de atrás del cuerpo (véase DORSAL) I;l-2 1i MEDIAL: más cerca de la línea media del cuerpo Oa línea que di-

Oncogenes y cáncer

vide el cuerpo en dos mitades que son imágenes especulares)

Los protoncogenes son genes normales presentes en el geno. ma de un organismo que codifican productos proteicos que regu· lan el crecimiento, la división y la adhesión de las células. Las mutaciones en estos protoncogenes originan oncogimes, que son genes que inducén la proliferactón celular descontrolada y la enfermedad conocida como cáncer. Las mutaciones en los protoncogenes que originan oncogenes productores de cáncer a menudo son iesultado de actividad viral.

LATERAL: hacia los lados del cuerpo DISTAL (distante): más alejado del punto de referencia o del centro del cuerpo

PROXIMAL: más cerca del centro del cuerpo SUPERIOR: hada la cabeza o la parte más elevada del cuerpo

INFERIOR: alejado de la cabeza o la parte más elevada del cuerpo PRONO: apoyado sobre el vientre, con la cara hacia abajo . SUPINO: apoyado sobre la espalda, con la cara hada arriba DORSAL: relacionado con la reglón posterior del ruerpo

VENTRAL: relacionado con la región anterior del cuerpo HOMOLA~ del

1!3 FIGURA 0-1 Planos corporales

mismo lado

CONTRALATERAL: del lado opuesto

Izquierda

Pnferlor 1

116UOTEGA DE GIHICIA~ liilllillflAS

{a)

Postérlor

l Superior 1

Anterior

!l!lferio~ 1 ~)

mFIGURA D--2

Direcdones del cuerpo

A

5-«·redtlctasa: Enzima que convierte la te.stosterona en OHT (dlhldrotestottaona}. Absorción: Transferencia de sustancias desde la luz del tiMn o del tubo d!gest!vo al espado ex~caulat. Accidente cmbrovascula:r: Obsuucrión o ruptura de. un vaso.sanguineoen el cerebro. . Acción excéntrla: Contrao:!ón en la cual el músculo se elonga pero amstrva la temión. A«liltoenzima A'{acet!l. CQA): Intermed!ar!o metabólico que vin<:u!a la g!ucllisls y la be!aol!dadón con el ctdo del áddo cí!rlco. Acet!l.collna (ACh): Neurottarnmlsor=do por las neuronas del sistema nervioso anttaly perlf&Ico. Acetllcolinesterasa: Enzima que degrada a la acetilcoJI.

na en la slnapsls. Ácido: Molkula que se IoniZa y wnttibuye con un H• a una solución. Ácido '(-ilmlnolnltírtco (GABA): Neurotransmisor lnh!bldor del SNC. Ácido IICW!a<:étlco: ÁddQ del metabofumo formado por la oxldaclón de los áctdos grasos. Áddo amquidónlco: Áddo g¡aso de 20 Cllbonos precursor de las mol&ulas de reJ1al eicosano!des. Áddo betahidroxil¡¡¡tfrioo: Áddo mctabó!ico fuerte producido por la betaoxldadón l!e las grasas. Áddo biliar. Dttergenres esteroldeos s!nt~ por el hlgado a part!t del colesterol Áddo taJbón.!co ~00:¡): f<:lnnado a partir de la reac. dónde C01 y agua. Ácido g¡aso: Cadena !alga de átomos de ca:bonO unido! . a hldrogenos que termina en un grupo caiboxilo. Áddo gQSO lnsattuado: Ácido paso oon uno o más enlates rlobles entre los á!Qm<» de arlx:mo. Ácido grnso mon<Jinsatntado: Ácido graso con un solo enlace doble. Áddo grnso polllnsafiuado: Áddo graso con mis de un enlacedQble. Ácido graso saturado: Ácido graso s!n dobles enlaces entre los calbonos. Ácido láctico: l'loducto final de la gludillsls anaerobia. Ácido úrlCO: Producto de desecho nitrogenado. Acidosis: pH extracelulaf Inferior a 7,38. Acidosis metabóllq¡; Estado de addosl; que resulta. de la producrlón excesiva de ácidos metabólicos. Acidosis mpilatoria: AddGS!s produdda por la ¡etendónd~CO.,

Adimatadón: Adaptadón fisiológica a un camblo ambiental. Aoomodad6n: Proceso por el cual el ojo ajum la fonna del crtstallno pata enfocar Jos ob/etos. Acoplamiento excitadli!H;Otltta<:d6n: Secuencia de potenciales de acdón y !lbernd6nde Cal> que !nlcta la contracción.

Acoplamiento fannaeomeclnioo: COntra.cdón que octure en el míilmlo liso Como ¡esu!tado de la unión oon Wlll.gando; no está acompail.lda de un cambio en el potenda! de membrana, Acromegalia: Credmlento anormal del cartl!ago y los tejidos blandos debido a un e1;ce;o de secreciÓn de la tonnona de aedmlento en un adulto. · Acrosama: Vesícula lliosóm!ca presente en los espenn.atw.oldes lj\l(' contiene poderosas enzimas es>!D.dales pata la kcundadón. M:t!na: Protefna globular (G-actina) que re pollmeW.a para formar filamentos delgados {l'-;lctina). Actina F: Cadenas 1aJgas o filamentos de las .molécnlas deac:tina. Actina G: Molécula g!olm!ar de una act1na. Activador del plasminógeno ti.mlat (t·PA}: Mol&ula lj\l(' promueve la dtso!uctón de los roágulos de sangre.

ActMna: HOI'l!lona peptldica de las gónadas que estimula la Jeeredón de FSrt Acnaporinas: Familia de omales de agua de la membta·~

.

Ad!fenos; Zumbido en !os oldos. Adaptación de los receptores: Proceso en d cual los recq¡tores .senso!lales dimllnuyen su respuesta a un estímulo a lo !rugo del titmpo. Adenilllddasa: Enzima de membrana que cunvierte el ATI' en AMP cíd!CQ. Adenlna: Base nucteotldlca. que re encuentra. en el AT!', el DNA. el IINA y el <"A\fi'. Adenohfpóf!sls= Glándula endoa!na del cmbro que

recroa vanas ho!lllOnas, Adeooslna: Nucleút!do =puesto por adenlna y la

-..-

Adenosbn!ifosfato (ADP): IW:ursor del ATP, oompuesto por adenina flbosa y por dos grupos fosfato. Adenosimnonofosfato ddlco (AMP ddloo, eAMP): Nudeót!do que partldpa en la transferencia de sedales entre el ambiente Wtrno y la oauta. Adenotlntrifosfato (ATP}~ Compuesto que alm.1ce~a enef&[a y esti formado por adenlna,. tibosa y tl:es grupos fosfato, Adbestón focal: Un!6n entre la artilla Intracelular y las protdnas de la matriz. Adheslón plaqu~taria: Las plaqums re pegan al colágenO &pll!$!0 en la paied de Jos vasos sa.ngulntm dañadm. Adlpodto: Células grasas, Adrenalina: NewohOI'l!lona catoollaminlca ~da por la m6.lula suprarrenal Adm!&g!co: Ad¡ettvo relativo ala adrenalina o la nora-

-

Aerobio: Adjetivo relativo a. un procero que requkre ~eno.

Afasia de comprensión: lno:apaddad de oomp:ender lnfomladón llngú:lstlea o visual debido a datlos en el área de Wemlcke. Afasia dl! txpfeS{ón:_lncapaddad de hablarcoh~ mente =o ¡esu!ta.do de undatlo en el área de Broca. Afinidad: Gta
Amígdala cerebral: Porción del tncifalo reladonada oon la emoción y la memorla. Amilasa: Eruima que digiere alm!d6n y lo cun\'ierte en maltosa. · Amili:na: Pépt!do ooseoetado oon la lnsulfna. Amlnadón: Adlctón de un gropo amino a Ulla molé<:u~

Aminoáddo: Molécula cun un átomo de carbono central ligado a uno de hidrógeno, un grupo amino, un gmpo Cllbox!!o y un gn¡po variable de átomos deslgcados •a•. Son los bloques estructwales de. !as protel· ~.

Amlnoáddos esenciales; Los nueve aminoácidos que el cue¡po humano no puede sintetizar y que dWen obtenerse cunla dieta. Amlnopeptidasa: Emima digestiva que retira am!noád· dos del extremo~ terminal de un péptido. Amnesia anterógrada: !neapactdad de te<:o!dar la infot· mactón recientemente adquirida. Amnios: Membrana extraembrlonat!a que recroa llqu¡. do3llllllót!co. Amortiguador del pH: Motooda que modeta los cam· bl1l$depH. AMP dtllco {adenOSÚi-3', 5'"'111onofosfato dtllcu: cAMP): Nude6tidoquepartldpa en !a tra.nsferenda. de sellala entre el ambiente externo y la célula. AmpllHa~ctón d~ la sei1al: P¡¡xey;¡ por el cual una molkula de set\al fmlea puede genetat mtílt!p!es molkulas efectoras Intracelulares. Anabolismo: Vias metabólicas que requieren uso de energ!a y que sintrtil:an molkulas de mayor tamai\0 a part!:t de otras más pequedas. Anaerobio: Adfetivo relativo a un procero que no requlete oxígeno. Analgésicos: l'árma<:os que alll'la.n el dolor. Anatomía: Estudio de la esttuctu~a. Andrógeno: Hotmona estero!dea produddaen las gónadas y la corteza supmrenal¡ honnona predominante

m los varones. Anemia: Estado patclógico con heznog!oblna bafa. · An$!ogmesis: Procew por el cual se desano!Lm vasos smgulneos nuevo;, especlalmen«' después del nad·

m!-.

Anglotemlna n (.-\NGm: Honnona tiófica que:egu!a !a secreción de aldosterona; tambl&l eleva la prertón artedal y provoca sed y~ de ADH. Anhldtasa carbónica: Enúma que catallza la converslón de dióxido de caroono '1 de agua 3 ácido calbónlco. Anión: rones Gfgados negativamente. AntagOnismo: Acción por la cua.J una sustanda se opone a la acción de otra. Antagonista.: Dícese de una sustancia que re opone a la acdóndeotra. Anticoagulante: Cualquier oompuesto quimlco que J.nh1ba la coagutadón de la ~ Antlcodón: El triplete de bases de!IRNA que se parea con el cudón del mRNA pata un aminoácido dado. AntletrerpO: Df«se de: una molécula dirigida a un patógeno particular que ayuda. a matC.II!o parn su destruc· ctón. 51n6nlmo: inmunoglobul!na. Antígeno: Sustancias~ disparan una respueta inmunitaria Ofgánlta y que pueden reaccionar oon los productos de esa ~ Antígeno lencodtarlo hnmano {fiLA): Nombre pata la daslf!cadón de p1ote!nas del complejo de hlrtocom· pat!blUdad mayor humano. Antloxlda!rte: Moléculas que neutrnlilan a los radicales libres. Antro gástrico: Poldón di5!al del estómago. AOTta: La pr!ndpa.l arteria que lleva sangre desde el ventrículo !xqulw:lo hada el organ~smo.

.g

§

G-4

Codón: Trip!ete de bases de ONA o de mR..'IA que codl!l<:a !nfonnactón ¡rna un afl\lllWddo. Coenzima: Olfactoreso¡gánicos que a®an wmo reo:p-

tws y tramportadores de átomos o gtU[lO$ funcionales que5on extraídos de !Ol swll:at<:lS dunnte <:1 transcuoo rle una rearoón. COfactor. M9léwla o¡gánlca no-p¡oteica o tno¡gánlca requerida paro la activadón de una pmte!na. Coito: S!nónimo ac;to I&U!L Colage:nasa: Enzima que degrada colágeno. Colágeno: Fibras p!Otelos flexibles pero no elástkas dcl te[ido conectivo. Colatttal: Ramo de tui axón. ColeO!:tocinina (CCK): Hormona intestinal que ¡egula la fundón digestiva y puede o.unplir un papel en cl apetito. Colesterol: Esrero!de que s1tve cumolme para las hormonas estetoideas, tamblful componente clave de las membtanas. Collnéfglco: Adjetivo teladonado oon la acetil.colina. ColipMa: Cofactm pmteico que permite que !a lipasa degme a fecubrimlento de sales bil!am de una emul-

""-

COlon: Porción proi'Jmal delinto&lno grueso. Se divide en las recctones ascenden~ t!'allSVern, descendente y el colon slgmo!.W..

Colon{)dto: OOula epiteHal de ttansporte del Intestino gru~.

Compartlmmtactón: Dlvlsión lu!ema del cuerpo de !a dlula en compartimentos, de mcxlo tal que las funciones puedan estar separadas unas de ottas. Complejo de ataque a la membrana: Protelnas produ· ddas por las células lnmunltañas que crean poro3 membranosos en las células diana. Complejo de Golg!: O!gánulo que modl1k:a y empaqueta m proteínas dentro de vesfculas. Complejo mayor -de hlstorompatibllidad (MHQ: Familia de romp!ejos de prote!nas de memlJta!!a que partidpan eo. la respueña lnnnmltalla; cumple un papel en el redlazo del tejido ~fio. Complejo motor m.lgtatorio: Contn«iones que mue~n bactertas y restm allmentarlm desde d estómago ba;!a ellnttstlno gmeso entre wmldas.. Compleio QRS: Complejo;¡ de om1as ~ representm !a despo!adzactón m~tricular y la ~6n aurlcu!at. Complementariedad moleeulat; Compatibilidad fuica de un ligando y su sitlo de unión. Complemento: Grupo de enzimas plasmátiw comprometidas om la fundón lnmunltarla. Compuerta de actil-7ldón: Compoo;ta del canal de sodio que se abre para !nidal un potmdal. de acdón. COmpuerta de lnactivad6n: Compum; !omta del canal Na• que se ctena para. detener d flujo !ónko. Comunicación lntecitlular. i'roo;esQs qulm!cos y elOCtrtcos O)U los que las dlulas coo!dlnan $\iS fundones. Com:entrndón: Cantidad de so!uto por unidad de volumen de soluct6n. Condrocito: Células que produml_cartí!ago. ConducdÓll {del calor): T!aruferencta de calor de uná .rumndaa otr.J. Conducd6n del pokndal de acctón: Mtwimlento doi un potendal de acdón a uavés del axón a alta_'i;eloct·

""

COnduttión sal~rta: a apaW~te salto oM potenc!al de ~ón a !o largo de lm axones mielinlladG$. Conducta a&ctiva:COnWctas tilidonadascon bssmtlmlentoo y-la-.emqd6n. · Conducta cognitiVa: Conductas que se viriculan más con el p!OCesG de pe!l$.l.lll_[ento que con !a emodM. Conducto de Mtlller. '1!$llllctwas embllonañas QI}'Q d~Uo derlYa en estruc:utás .reproductoras !tmeni'

=

·-

Conducto de Wolff: tstrocttu:as embrlonarlas que se desanollan para fQtmat las ~ teproductoras

Conducto deferente: Tubo que ~ los espeána. towides desde el epid!dlmo fiada la uretn. Condnctos seroidltulares; Los ties: canales del apatato ve5tibula{ llenos de liquido que perciben los movimientos rotatorlos. ··~ Conl!X!na: Proteínas que aual'iesan la membrana y forman !~ WJ.!ones comunicantes, copares de abrirse y

=

Glosario

Glosario Olne:o:ón: Canal piOte!co de una unión comuntcmte constituido por conexln.l$. Cono: fotomo:ptor responsable de la v!s!ón de alta agudeza y la y!Sión de los colores durante el d!a. Olno de credrnlento: Puntas de !os axones en cred· mlento. Olno o promontorio axónloo: Reglón del axón donde se une el cuerpo OOu!ar. Con frecuencia O)nl!ene !a zona de gatillo. Consolidación: Proceso que CIITII'ierte la memoria de corto plazo en memoria de !argo plazo. Olnrumo de oxigeno; Desapa!ldón del oxigeno dmante la fosfoll!actón oxid3tlva, cuando el o:dgenose combina ron h!dróglmo en la rnitocondrla ¡:m [onnar

.,..

Consumo excesivo de oxigeno posejerddo: Aumento del ronsumo de oldgeno tras la realizadón de un ejerddo fulro que hace que el metabofumo reponga ATP y otras prov!slones coruumldas. Olntracdón: Cido de rontracdóil/re!ajatión ún.lco en unafibram=!ar. Contracdón =tonada: Contracdón mU5(11!af tuya fuem varía seg(in la cantidad de Of-• que Ingresa a la télula.

Conllacdón lsométrka: COntracdón que crea fuerza ¡!Q.movimlento. Contracd6n Jsotónk.:l: Contm:dón que produce fuerza y mue\--e una co¡ga. Contracd6n Inlogfuka: Contracdón que se origina dentro de la fibra mU5(11tar corno resultado de un estiramiento. Contracción nmscular. Proceso por el cual un músculo

~- ventricular isoVotum~trlci: Fase del ddo Contracdón c;).rdíato en la cual !os ~trku!os se están o:mtlaymdo pero todas las lilvulas están «nadas y el-volumen de sangre en cl!05 no. varia. · Contractilidad: Capacidad Jntrlrneca de una fibra de músculo cardíaco para wnttaerse a cua.!quler longitud de fibra dada. Contralateral: Del lado opue;tn. Contratransportadot o mtransportador bldllecdonal {antlpo11 catrlel): Prutclna transportadora de membxana que mueve <105 o más molOO!las en dlrecdones opuestas a través de !a membrana. Contrntransportador o rotransportadot bldlrecdonal de biaubonah>-doruro {lllfarbonatUhlorld~ anlipmt«); 'fiansportador de membrana que lllten:amb!a un ct por otro utilizado parn elintercamblodel doro. Control antagunista; Proceso mediado por honnonas o neuronas con dec)OS opuestos en algunas fundones homeostátlcas, Contml local: Control homeostátlro que tiene lugat sólo en el tejido o o1.lula 1153.Ddo sei'iales parncrlnas o

"""'"""

Control .neuroendOaino: Molécula seila1 secretada por una neurona en d tomnte sangu!neo, en el cual !undona como una homlona. Control por preallmentaci6n: Respue:rtas que inldan un bude de respuesta anticipándose a un cambio que 6!á a punto de ocuntr. Olntrol tónlw: Control permanente que se ajusta hada arriba o abajo. Convergencia neuronal: Varias neuronas ~plicas propo!donan estímulO a un pequfi\0 número de neu-ronas porulnápl;!(:as. Cotranspnrtador {COttansporter): Proteína que trnnsporta más de un tipo de molécula por vez. ~ Ólgano mlUOJ!ar que s1tve ~e bomba pata el aparato drculatorio. Cómea: CUblerta ttaruparente que cubre la mperllde anterior del ojo. Corplisfnlo aóttiw: Reglón de la pared aónlc; que con· tl\'!le receptora sensltlvm. Corpú:scnlo cnotideo: Estructura sensitiVa de !a arteria ~!Ida que monitoriza ta presióp artedal, el oxigeno plam!á!ico y el pH. Oltpfucalo de Barr: Cromosoma X lnacttndo presente en cada <:Sula Wnen!na. Corp6mdo de Paclni: Reoaptores de la piel que perd· ben las vilmd9nes. Cl)rptlsculo de Ruffinl: ~o!eS cutáneos de pleSión wntlnua.

Co~o .tena!: Combinadón del glomérulo y. de la cápsu!a de Bowman. Corte y empalme alternativo: Pro<:eso del mRNA ron el que fonna diferentes proteína! a partir de una tín!ca hebradeDNA. Cortela: La po!tión más &tWla. o supetflde de un ó¡ga.

"·

Coi11'Z! cerebral: Pordón externa del cerebro que lleva a tallo !as fundones cognltlvas superiores. Corti'ZI motora p!lmarla; Reglones del lóbulo frontal que coordinan los movimientos del músculo ffi!Uelétl~.

Corti'ZI SDpmm:nal: Porción &tWla. de la glándula ruprarrenal q~re produce hOI'lllOllilS estero!deas. Corteu. visual: Región de la corteza ooebra! que procesa la infonnad6n v!rual Corticotroplna (AClll): Hormona de la adenohipólls!; que Tl'gll!a !a soo:edón de rort!sol desde la CGrtel:ll

~....

Cortisol: Honnona esteroldea de la wrteu suprarrenal que ¡egu!a el metabolismo, en particular durante el Cosecrn:lón: Seaedón de más de un compuesto en una

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Cotran:sportador $importador {symport carrler): Protelna de transporte de la membnma que movilila o transporta dos o más mo\~!as en la mlsma: .d!Iecdón a uavés de ta memh!ana. Cotransportador slmportador de sodio y yoduro ($0dhlm-lod.lde symporter): Proteína de uansporte para la captación de yoduro en la gtmdula tll'oidea. Creatlncinasa (CK): Enzima que transflete un grupo de fosfato de alta enetgía desde la fosfocreatina al ADP. Creatinina: Producto dedegradadón de la !osfocreatlna. Crestas Inlto<:ondrlales; Pliegua de la membran.i lntezna de una mi!Oo:mdria. Cretinismo: Hlpotiro!dismp wngénltG que plO'lOCa tetraso mental y estatura baja. CriptaS intestlna!es;lOJsiUos profundos creados por la supetfide muy plegada dell!ltestino. Crlpton¡aldia: Falla de uno o de ambos testícul05 pan descender al escroto. Cristallno:I'otdón del ojo que enfoca la !m sobre la rettM

Cromosoma X: Cromosoma se:wal. femenino. Cromosoma Y: Cmmosoma S&Ual masculino. Cuello nterlno: Cucl!o del íitero que se abre a la vagtna. Cuerdas te:udi!wsa$: Cordones de colágeno que evitan que las ri!vulas aurku!G'Ientriculates se tntrodu&an en la auñCIIla dumtll: la wntla!:dón ~trlc:ulat Cnupo alblt:am: Remanente del cuerpo !títeo degenerado. Cuerpo basal: Estructura dtop~tlca en la que teni:!!· nan los miaotúbul05 de los dllos y de los flagelos. Cuerpo calloso: Reglón Cl!llual donde la> neuronas pasan de!de un hemilfedo del cercllro al otro. Cuerpo celular. !'arte de la <:Sula que wntleneal nücleo y a muchos otgánulos. Sinónimo: soma OOular. Cut'Ipo esponjoso: Columna de tejido eréct!l esponjoso del pene. Cuerpo lúteo: Estructura ovárica que produce estrógenos y progemrona después de la ovulad:ón. Cuerpo o núcleo genlculadG laktal:- Níidoo del tálamo en el cual las libias ópticas bao:aslnapsls wn las neuronas que van a la wrteza vlrual. Cuetpo -ritreo: Malrlt gelatinosa que se expande en la cavidad ocu1at por detris del alstallno. Cuezpos cavernosos: Dos columnas de tejido eréctil del

""'

Cuerpos densos: Protelnas de unión para las fiblas de actllla del músculo Uso. • Cupula ampollarls o cúpula de la cterta an_¡pol!ar; Masa gelatinosa del aparato ~-estíbular qm: to!Ulene dl!os de las <:Sulas pilosas, D Dalton {Da): 1 dalton " 1 unidad de masa atómica. 0at05; Jnt"ormad6n o hechos mm!d05 durante un~ rlmento. . Dedbel {dB): Medida de la intensidad de la onda soru¡.

•.

Dedlltro (dL): 1110 de un litro o 100 mlDeglttdón: Arto de tragar.

Dendrita: J>ro!ongactóu delgada, rnmfficada, ~ tedbe Y·traruflere una in[onnadón que~ a una regtón!ptegradora dentro de la neurona. De¡lu:ract6n: Véase Clearana. Poisamlnadón: E:«racrióu de un gropo amtno de una

molkula. Desenslbill1.adtín: forma reversible de una reguladón por dlsm!nudón mediada por receptotes que se logra empleando moduladores. Despulad6n: !7= en el cual las <:Sulas Inmunitarias liberan el contenido de sus gránulm. Desmopres!na: forma de la vasopresill.l. Desmosoma: Tipo de unión tntetcelular. Desplazamiento o inte=bio de donnn: l'mceso en el cual !os erllrodtos transportan un HCOj Intercambiándolo por un Ión ct através de la membrana celu-

W. Despolariz.adón: Olstnlnudón en la diferencia de · potenctal de membrana de una ctlula. Desyodasa: Enzima tisular que wnvlerte T4 a T3 por ertractión de un átomo de yodo. Oenda de oxigeno: Oxigeno ne<esarto para que el metabolisnw reempOO las reservas de ATP muscular y fas..

-...

Deuterio; Átomo de hidrógeno con masa atómica z. ~ Po!fmero pata almacenamiento de glucosa presente en las levaduras y bacterias. ~ Azúcar de seis carbonos también conodda como glucosa. Diabetes insípida: Enfermedad caracterizada por la falta devasopresina. Diabetes mellltus; Enfermedad =eteriZada por_ la ausencia o acdón anormal de la lnsullna. Dladlglicetol {DAG): un segundo mens3jero. Dláfuis: a werpo de un hueso largo. Diafragma (ll:!ÚSCtdo~ Músculo esquelético que forma el piso deJa Jaula to!ádc;. Diama; Cantidad excesiva de heces acuosas. Diástole: MO!IJ.ento en el cual el míisculo catd!aro se

-

Dlendfalo: PordOn del enctfalo entre el tronco y el cerebro, corutltulda por el tálamo y el blpotá!amo. Difmnda de potencial de membrana: Potencial eléctrico creado pot las o!:lu1as VIvas debido a una dlstribu· dón desigual de Iones entw los lfquldos Intracelular y

""""'"u

Diferencla de potencial de membtana en reposo: Dlsll'lbudón desigual de Iones a través de ona membranaO!lulatv!;a Diferendad6n: Pnxeso de desarrollo durante El cual las <:Sulas adoplall formas y fundones diferentes. 2,3--d!fosfoglicerato (Z,3-0i'G): Metabo!ito de loo er~tto­ dt05 que dllmlnuye la afinidad de la hemoglobina por el o:ógeno. S!nón!mo: 2;3-b!fosfoglicerato (2,3-BFG). Difus:l6n: MoV\mlentodemoiOCulasdeun álel de mayor toncerttrad6n a otra de menor wnCI!Iltradón. Dlfus:!ón fact!itada: Movimiento de moléculas a través de membranas celulares en respuesta a ungrndiente de concentrad(m O)ll la ayuda de una prote1na de mero·

-

Dlfuslón simple: O!fusl6n a través de la b!capa !osfol!p!d!ca de una <:Sula. Dlgertl6n: Degradación química y mednlca de allmen· tos a unidades más pequedas que pm'den ser absorbi-

"'

Dlneina: Proteína motma. Dióxido de carbono (COJ: Producto gaseoso de la reiplradón aerob!a. DlpalmÍtoUfosfatldi!rollna: Surfactante alveolar que dlm!lnuye la tens!ón ropetl!dal. Disacaddasa: Enzima que digiere dlladrldos. Dlsacátld.o: Amw compuesto por d05 monómeros de ~car.

.

·_

Disto Intercalar: Unl:6n o;~¡¡~a¡- e;pOOalilada en el JllÚ$CII-.

lo cardlaw que contiene las uniones W!llll!l1cantes. Dlsm óptko o papila: Reglón de la retina donde el nerVIo óptico y los vasos sangufneos abandonan el ojo. Disco Z: J>rotelnas del san::ómero a las que se unen los filamentos de act1na. DlsmOiflsmo sexnal: Diferencias en las cuacb:rlst!cas !lslc;s entre hombres y mujeres. Disnea: Sensadón subjetiva hnposlb!Udad de !e5piru o de~tadealre.

Distancia focal: DlstanOa entre el Cl!lltro y el punto focal de una lente. Pistensibilidad {wmpllance): Capacidad del pulmón o de otro tejklo pan estlnrse. · O!stroflna: Prutcina musad1!1' que une la actJna OJn la membrana celulat Olnresis: Pérdida de agua a través de la oflna. Dlnresls osmótica: Példida de agua om la orlna debida a soluto no reabsotbldo en la luz tubulat D!urttico: Fánnaco que ptovoca pétdlda de agua urinaéA netm:~nal; Pocas neuronas preslnáptlcas se rnmlflcan afectando a un número mayor de neuronas

Dive:genda

poslsilláptlcls..

División motora somática: Rama efmnle del sistema nervioso quewntro\a a !05 músculos esquel€tlcos. Div!sl6n pal'llSilnpálica del SNA: Dlvts!ón del sistema netVioso autónomo que es responsable de las activldadesrotld!anas. Olvlslónsimpátlca del SNA: División ddSNA responsable de la respuesta de lucha o huida. DNA (ácld¡;¡ desoxlnibonuclelco): Nucleótldo que almacena fa Información genffica dentro del mldeo. ()(lble enlace: Enlare fo!mado entre dos átomos que comparten d05 pares de electtones. Dolor. 1'e!ce¡x:l(m cerebral de es!hnu!os lnltantes o dad!·

'"·

Oolorr.ipldo: Dolor agudG que se transmite !áp!damen-

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Dolor reftr:!do: Dolor que se ~ente en una locallzadón alejada del sitio real del estímulo. Oopantlna: Amlna_neurotransmlsola del SNC. Duodeno: ~ento 1n1cta1 del Intestino delgado. Duramadre: Membrnna atema de las meninges. E

ECaC: Canales de ea~<-presentes en la membrana aplcal del epitelio Intestinal y renal Ectohonnona: Moléculas de ~ secretadas al ambiente e:uemo. Ecuadón de Go\dman.Hodldn-Katt (GHK): Ecu.adóu que caiÓJ!a el poWnctal de la membrnna en reposo empleando la permeab!Udad de la membrana y !os gndlentes de oono:ntradón !ónicos. Ecnad6n de Nemst Ecuación que determina el poten· da1 de equilibrio para unión Individual basada en las «m.CI!Iltradones fónicas dentro y fuera de la d!ula. Edema: Acumuladón de liquido en el espado !nteim-

'"'-

Edema pulmonar: Exceso de líquido intttstldal en los

-'~

EfectD Bolu: Pkcto de un cambio en cl pH mre ta unión de la hemoglobina al oxigeno. Efecto genómlco: Cualq¡¡let efecto que ooma debido a aaivldad génlca altttada: Efecto nocebo: Pkcto adver:so que oome porque el padente asilo espera. Efecto n¡;¡ genóm!co de las hormonas esteroldeas: Act:i6n de las hormonas esteroldeas que no requiere alter.u: la aaividad génlca. Efector. Célufa o tejido que lleva a cabo la respuesta

-

ho-~

Elrosanolde: Áddos grasos modlficados de 20 carbonos que act(i¡¡¡¡ romo reguladores de las fur.dones fislolóElastlddad: Clpaddad de una sustancia estirada de 'Y-l w a .ro estado de no estiramiento. E!auin>1: Protelna espl!a!ada y ondulada que vuelve a su longitud original despul:s de babetse est!!ado. Eledrocatdlograma (ECG): Registro de l1» eventos eJOC. tricos del ddo ca«
Emisión: Movimiento de los espem¡atozoldes desde los conductos defutentes hada ta uretra.

C-5

Emulsión: Pequeilal gow suspendldas en unllqutdo. EnanlsmG: Condldón de baja estatura provocada por un

exceso de hormona de ctedm!~nto dmante la niñez. Endodtoili: Proceso por el cual una célula trne mo\OOJ. las al citoplasma en vesicula; formadas a partir de la

membrana OOutn. Endocttosis mediada por meptot: Un ligando se une a una protelna de membrana, qu~ dispara la endotitosls del complejo membtana-ttceptor. Endolinfa.; Uqu!do ron alto tontenldo de K• y Na• que !l\'!la el conducto auditivo coclm Endometrio: Mucosa secretora del úwo. Endopeptldasa: Entlma que ataca los enlaces peptfdlcos de\ Interior de una atdena de amllloiddos Endororna: Vesí~a formada por endocitosl1. Endotellna: familia de podetOS delgadas que tapl· un la luz del wmón y !os vasos sanguíneos. Elmgia d!Wiica: Enetgfa de moVImiento. Energia de actlvadlin: Enetgfa ne<:esarta para Iniciar una reacción química. Entrgia lllm: Cantidad de eneq;ía almacenada en las uniones qu!micas de una molkula y d\¡ponible para reallz:¡rtrabajo. En«gia potendal: Energía almacenada que tiene capaddad pata reallzarttaba¡o. Enfermedat\ autolnmunltaria: Enfermafad en la que el sistema Inmunitario crea anticuerpos cuntra !os propios tej!dos del Ofgal!!smo. Enfermedad de Graves: 1iastomo hipertilo!deo causado por anticuerpos slmllares a TSH. Enfermedad de Ménlcre: nastomo del oldo llltemo c.mcterlzado por marem, ILiuseas y zumbidO$. Enfennedad desmlelinhante: Enfenn~d en la cual se destruye la miellrla, hadendo más-lenta la conducdón de !05 potendales de acdón. Enfermedad endocrina pllmarla: Enfermedad que ;:uge en la última glándula endoalna de una rola hor·

·-

Enfermedad endoaina seamdat!a: Enkmledad endooina que surge en una glándula ttófica de una ruta. Enfermedad pulmonar obstruttlva aónlca (EPOC): Enfmledades pu!mona¡es carao::tel!l.adas por la dlsmlnud6n lm!vetsibleddf!ujo de alfe a trav6de los bronqufol05, enfisema y bronquitis cr6nl.ca. Enfisema: Enfennedad pulmonar ~ pot la pénllda de la e!astiddad y del hea alveolaL Enfoque mewddsta: Capaddad de aplicar !os mecanl$mos subyacentes en los eventos llslológico.s. Enfoque teleológico: Enfoque_ que describe los protesos llslológlcos por su propósito más que por su mecari!s-

mo. Enlace rova!ente: Enlaces creados por dos átomos que tomparten un par de electrones o más. Enlace Jónico: Enlate entre Iones ligados entre si por

---

Enlace peptfd!oo: EnJao:: formado entre el grupo Cl.lba:tilo de un aminoácido y el grupo amJno de otro. Enlate químloo: Fuerzas ffslcas que atraen y mantienen juntos a los átomos. Enteroclnasa: Nombre antiguo para la enteropeptldasa. Enterodto: Célula ep!tellal del Intestino delgado cu¡.'a función pr!m3rla es la absordón. Enteropeplida:sa: Em:!ma inteWnal que actiVa la tripSina. Entropla: Condición dea!eatolledad o desorden. Enureslsnoctuma: M!cdón!nvoluntaña, espeda!mente por la noche. . Em!ma: Catallz3dores proteicos que acelernn lasreacdo>nes nu:d!ante la disminución de su energ!a de activadO< Ennma amplificadora: Em!ma de membrana que crea dos o más segundos mensajeros dwante la traducdón de !a sedal'. Entlma Convertidora de angtotennna (ECA): Enzima de la membnma endotellal que convierte Ai'•IGI a Al~Gll.

Enzlma-teceptor: Una dase de prote!nas de membrana que se une a l!gandos del lado &~racelular y activa enzimas {generalmente tlroslndnasa o guanllil ddasa) del lado llltracelular. Eoslnóffio: Leucocito a!Odado conliiie«
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G-10.

Glosario

Metabollmw: TodiiS !as rea«~ones qu:fm.!<:as en el cutt· !"· Metabolismo basal o indice metobiilko basal: El frnl1.. ce lllctabóllco o tasa metabóUca !llá> baja de un indirt.

...

Metaloprotdnasas de la ¡natrlz; Enzimas que dl.ruelvm laroatrizextrace!ula~

Glosario Molécula de adhesión «lular (CAM): Proteínas de membrana que mantienen a las células unidas entre sí y que las unen con la matrtzextraceluloa Molécula hidrófila: Molécula. que se dlruelve fácilmente enagua•• Mol&ula hidrófoba: Molécula que no se disuelve fkll. mente en agua. Moléatla no polar: Mol&.u!a ¡;uyos electrones estiu dlsUiboklos de fonna tan pareja que no hay ~ones con carga pa¡dal positiva o negativa. · Molttula oxidada: Molécula que pietde electrones o gana H' ~n una reacd6n qolmi(ll. Mol&ula polai: Mo!kula que desarrolla reglones de ca¡ga piltdal negativa o pos!tiva cuando uno o más átomos tienen una atracdón fuerte por los electro-

Metarteriola: Rama de las arteriolas que regula el finjo sanguúleo a través de los capilares. Metástasls: Propagactón del c1ncer u otra enfennedad en todo el ampo. Metiladón: Adición de un grupo metilo. Métl:1do de banela: Anticoncepctón basada en la colo. cadón de urra baum fuica o qufmka entre el óvulo y el espermaiowlde. Micción; Acción de Olinat '~ Mol&:olas llpófilas: Moléculas que pueden difundir a Micelas: Gota pequeña de fusfolipldo, !as m!ce!as están través de las membranas celulares. organil.i:das de manera que el interior está ocupado Mol&ulas llpófobas: Mol&ulas que no pueden difundir con las colas hidrófobas de !os ~ddos g;asos. a través de la bicapa fosfollpfd!ca.Mlcroctiadadón; Arteriolas, capl!ares'y vtnulas. Molé<:ulas orgánicas: Moléculas que contienen carbono. Microfilamento: Las fibras proteicas m~ delgadas en el Mouoa.mlnooxldasa (MAO}: Enziina que degrada a la. citoplasma, hechas; de la protelna artlna. Miaoglla: Maaófagos del SNC. notadtenallna. Monodto:alu!asangulneaquees lacl!ula madre de !os Microtúbulo: Fibras tubulares hechas de la prote!na maaófagostim!ares. tubullna. Monosacirido: Azúcar limple, como por ejemplo la g!o· MlooVdlos:idad: Extensiones digllifonne¡ de la mw· brana celular que tnamlentan el área para la abso!dón ~ Motilina: HQlOl ventrículos al rual están unidas las cuerdas tendinosas. tanda. Nfunm de AvogadfO ~e patt!culas. Molarldad (M): Conci:nttadóo de una solución &presaMúsculo rojo: Ml1sculo que tiene pcantidad de m!tooondtlas y buena lttigadón y que puede llevara cabo el da como moles de soluto por litro de wludón. metabollsmo o:tidativo. Molkula: Dos o li:tás~tomos un!d~pore!ectrones com· partidos. Músculos esplmtorlos: Múro.dos abdominales e intez· Molécula compuesta: Molécula que contiene más de un wstales internos. · Ml'isru!os estriados: Músrulos con bandas daru y oscutipo de elemento. ., ru alternadas dispuestas en fonm ~rular a lo Molknla de adbereni:Ja de las «lulas nerviosas (NCAM): Pr:oteinas de membrana en las células netV!o. latgo de la. fib!a; Incluyen al músculo esque!Woo y al sas que ayudan al aedm!ento celular. mtísculo canllaco.

·-

Músculos lmplnltorlos. Los Intercostales extmt()S, el diafragma, los escalenos y estemodeldomastQidoos. Músculos intercostales: Ml1sculos asociados (Qn la caja toráctca; usados ¡mala resp!ractón. N

NAD (nlrotinamlda adenlna dinucleótido): Mo!kula que captura y transfiere energía oon electrones de alta energía. NaUiurcis: Pérdida de sodio (Na•) en !a orina. Nebulina: P!oteínaglgante no elástlca que alinea los fila· mentos del sarcómero. Necrosis: !o-fuerte celular debida a toxinas, dado f!slco o falta de oxigeno. La célula que 00 muriendo libela enzimas que pueden dañat a las cl!ulas vecinas. Nefrona: Túbulo mlcroscóp!(Q que es la unidad fundo. naldelriMn. Nefrona distal: Tlibulo dlrta1 y túbulo co!ectot Nervio: Confunto de axones que se desplazan entre las células diana periféricas y el slltema nervioso central Nenio accesorio (XI}: Nervio craneal que controla los músculos de la cavidad otal.- cueUo y hombtos. Nervio CiaDeal: 12 p¡u-es de nervios periféricos que se ~ primadamente en el !ronco del wclfalo. Nervio facial: Navio craneal que transporta las serna· dones de gusto y sei!ales eferentes para la exp¡eslón fadal y pata 1~ seaed6n de lágrimas-y saliva. Nervio glooofaríngro: Nervio craneal que tram¡xlrta lnfomladón sensitiva de la cavidad otal.- !01 baioneceptores 1 qu!mlorreceptores y tamll!o!n tnfonnadón eferenre para tragar y sal!vat Nervio mi:tro: NetV!o que ttansporta Información tanto semorlal tol!IO motriz. NttVio motor oculat externo (VI): Nervio aaneal que conlrola el movimiento ocular. Nervio vago; Ner.-io aaoeal que tramportllnformac\ón sensltm y señales eferenteS a vatios órganos Internos, incluyendo el cow:ón y el aparato digestiVo. Neumonía: Infecd6n pulmonar vital o bact1!rlana. Nenmotórox: Presenctade alteen el espaúo lntrap!eural. ' Neurocrina: Cualquier mo!o!
Neurona arlrenétgica: Newona que secreta noradrenafi. ~

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Neurona amónoma: Neuronas eferentes que conlrolan el músrulo liso, el ml1sculo cardíaco, varias glándulas y parte
Neurona sensttiva: Neurona que trarnmlte tnfmmactón s:ensili~a a] SNC. Neurona sensitiva prlmarla: Neorona seml.tlva que lleva lnfonnadón del: receptor sensitivo a la médula espinal. Neurona. sensitiva seamdarla: Neuronas espinales que llevan tnformactón ~r.dente lw:ia el encéfalo. Neuropatia dtabétlo:a autónoma: Pertutbaciones de la !und6n neuronal mmo wmplicactón de la diab
Neuttófilos: Glóbulos blancos que Ingieren patógenos y Ubomm dtOCinas. • Neutrón: Partlcula subatómica sin carga y masa igual a 1

-

Neutropenia, Número bajo de neuttófi!os. Nicotina: Ago¡ilita de los reeeptores nicotinicos coilnér· gicos y sustancia qu:fm.!ca encontrada en el tabaco. Nkotinamlda adenina dinucleótido (NAD}; Mol&ula que caplll!a y trarnfiere energía con electrones de alta energía. · Nodceptor: Receptor sensitivo asodado al dolor. Nodo atrloventrtcular o au:riculoventr!cular (n<XIo AV): V~a elktr!ca a los ventrlcu!os.local!zada cerca del piso de la auricola dered!a. Nodo sinootrlal o s!noaurlcular: Un gn¡po de células autO!rltmlcas en la auricula derecha del co~ es el prlnctpal mart:apaSOS c-atd!aco. Nódulo de Ranvler: ~nes desmle!lolzadaswbreaxones m!ellni1ldos. Noradrenalina. (NA}: Neurotransmisor ptltnarlo de la d!Visl6n simpática del ;Jstema nervioso. Nube o ca.pa de eltctrones: Serle de nlve:les de energía que contienen electrones y Uldean al núcleo de un átomo. r..'6:deo (átomo): Centro del átomo, compuesto de protones y neutrones. Núcleo (célula): Cuerpo cenital de una cé!Wa que contieneDNA. Núcleo (s!rtema nervioso): Confunto ¡¡cúmulo de cuer· po; de células nerviosas en elslstenla nervioso centtal. Núcleo $1Ipl
-

Número atómico: Número de protOnes de un átomo de un e!menro.

o

Obesidad: Exceso de grua corp91ll!. Oído !ntemo; Porción del o!do que contiene la cóclea y lascllulaspnosas. Olfacdón: Perteneciente al sentido del olfato. Ollgodendrodto: alu!a de la giLl. dcl SNC que forma m!ellna alrededor de varios axones. Ollgoolemtnto: Elemento eseodal requet!do en peque. fias cantidades. Ontogén; Gen anonnal que tiene un papel :en el desa· rroliodecánar. Onda a: Ondas cerebrales de baja amplitud y alta fte. cuetlda, caraaerístlcas de! estado de Vigilia pero en

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Onda & Ondas enceffl!cas de baja frecueocta y alta amplitud, caracter!sticas del saeño profundo. Onda P: Onda del ECG que f({ltesentala despo!ar!=lón ~rl-

Onda Q: l'riltl1!rn onda de !a despolarización ve:ntrtcular. Onda R: La mayor onda del wmplejo QRS. Onda T: ?n<Ja elettrocardlográlka que representa la

re¡mlartzadón venUicular. Opsina: El pigmento vlrua! se forma a partir de la rodopslna cuando inctde !m; sobre ella; la opslna lnlda· una cascada de traDSdutdón de la sedal Opsonlnas: Proteínas que recubren pa~~UO$ pata convertirlos en blanco de las télulas Inmunitarias.

Óptica: Relación física entre la luz y el a!stal!no. Órl!lta: Cavidad ósea que protege al ojo. Órgano: G¡upo de tejidos que lle<.--an a cabo ftmdones re!actcmdas. Órgano de Corti: Pordón de la cOC!ea que contiene las células pilosas. Órgano otolitlco: El utrfcu!o y el sáculo del aparato vtstibqlar que sienten la ace!eru:!ón linea! y la pos!ctón de

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Ólgano tendinoso de Golgi: Receptores encootnld<» en la un!ón de tendones y fibras mUK).liares que respon· den tanto a la contrattlón como al estúamlento mu;. Órgano vomeronasal: F.mtlctuta olfatorla vinculada a la detea:ión de feromonas en lo~ roedores. Olgánulo: F.st!u«uras Intracelulares valladas, ada una toma una o más de las fondones de la $ula. Orgánu!o sin membrana: Orgáou!o celulár que no está. rodeado por una membrana fosfoUpídi(ll. Orgasmo; Selle de conttacdones mUSOllares involunta-rias durnnte el a® sexual, acompadadas de sensado. nes de placer intenso. Origen de un músculo: Extremo de un ll'lfuculo Jnserta. do m~ cena del tronco o al hueso mál; estadonario. Orina: Producto de desed!o liquido generado por los riñones. Osmolalldad: Concenttadón e;q¡resada como osmoles de soluto por kilogramo de agÚa. · Osmolarldad: Concentn~ción ~como omw!es por litro. Osmómrtro: Instwmenro para med!t la osmo!artdad de unllquido. Osmoneceptor: Reteptor semlttvo que controla la om~o!añdad del liquido ettracelulat ÓS:mosls: Mov!mlento de agua a través de una membr.i· na en respuesta a un g¡¡¡.dlente de concentractón de soluto. Osteoblasto: Célula que produce hueso. Osteodto: Forma menos activa de osteoblasto. Osteodasto; alula mulllnudeada, móVIl y g¡ande, re;. ponsab!e de la resorción ósea. Osteopo!os:is: ltas!Omo patológico marcado por una ~rdón ósea mayor que el depósito~. Ot!tú media: lnfecrlón bactertana del oldo medio. Otonto: Ct!sta! de carbonato de caldo peque¡¡o cuyo movimiento activa las cl!u!as pilosas para el equlli. brlo. Ouabaína: Glutósldo<:ardlaco-qm tnhlbe de fonna espe-óflca la Ni'-K'·ATPasa. Onrio; Gónada femenlná. Ovocito: Células gwninales .femeninas que han comen· zodotarnelos!s. · Ovocito primario: Ovod!o que ha dupUcado:> su DNA pero que no ha realizado la división melótia. 0...-od.to secundarlo: Óvulo !Jberado del ovario que ha pasado la primera dlvlst6n melótica. Ovogonla; alulas gwninales del ovario. Ovulación: Ubmdón de un óvulo maduro de m folltu· loen.elovar!o. Óvulo: Gameto femenino. ÓXIdo nltrico (NO): l'ataalu¡¡ de ao:dón corta que reJa. la el1lliÍScul.o fuo; también actúa como neurotransmisor y nemomoduladot Óxido nilrlmslntasa (NOS): Enzima que slntetila NO a partir de atglnlna y olágeno. Oxihemogloblna (Hl¡()J: Hemoglobina unida a oxfge:no. OJcttoctna: Hon:nona de la neurohlpólisls que provoca !a contracción del músculo llio uterino y mamarlo. p Pabellón auricular u oreJa: Oldo externo. Pánmas: Ó!gano dlgertivo que secreta enximas, blcar·

bonato y hormonas. Parámetro: Qda una de las l'arlables en un s1.1ttma. Pared bacteriana: Pared de pollsacárldos que rodea a

una bacteria y evita que los fagodtos se_ unan a ella. Parto: Pmce:so del nadmlento.

G·11

Patógeno: Cualquier sustancia capaz de caus.u enfermedad. Patrón "besa y corre": Secre<:ión en !a cual la vesku!a secretoria se fusiona l!3mítoriaroente con la membrana y luego se separa. Pedkelo: ~tensión dtoplasro~tica pro!011gada de un pododto que envuelve !os capi!ates g!omerulares Pepsina: Proteasa gástrica. Pepstnógeno: Forma inar;ti~" de la {l"p>ina. Peptldasa: En1.ima que degrada péptidos en pept!dos más pequeil.os o en amlnoáctdos. Piptldo: Cadena de aa 9 aminoáctdos. Pépt!do l ~emejante a! glucagón {GLP·l); Pm:lh!e hor· mona g¡utrointeilinal que estimula la ll!madón .de Insulina e Inhibe !a !lbendón de g!~cagón. Pépt!do natritm!tlw atrial (ANP): Holll!ona peptid!ca de la auricola cardíaca que Incrementa la exctedón renaldeNa•yagua. P
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Perforina: l'!otcina formadora de poros secretada por las dlulas lrunun!taria.s. Perfus:ióu: Flujo de sangre a los tejidos pulmonares. Pericardio: saco membranoso du(Q que rodea al cora-

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Pericarditis: lnf!amactón del saro pet!Girdico. Peridtos: CéMas que fom!an una capa externa, similar a una malla, entre el endotelio capilar y el llquldo IntersticiaL Perili.nfa: Uquldo dentro de los conduaos vestibular y t!Inpánloo de la cOC!ea. Periodo de latencia: Retraso entre el disparo del poten· dal de acdón del mfuculoy el !nido de la tensión muscular que representa el tlempo requerido para la Ubaad6n y unión a la. tropcnlna del ea<-. Periodo refrnctarlo relativo: Perl'odo lrunedlatamente postWo¡: a un potendal de acción durante el cual se requiere un potendal escalonado mayor que el normal pa¡a ln!dat otro potendal de acdón. Perlstaltlsmo; Ondas de contracdón que se mueven a lo largo del tubo digertivo. Peritoneo: Membrana serosa que recubre el abOOmen. Penulrtvidad: Una hormona no puede e¡erru sus efe<:· tos rompletament~ a menos que esté p!eSetlle una segunda hormona. Peroxisoma: Veskulas de alma<:enamiento que contienen enzimas pa¡a degradar áddoo grasos de cadena !atga y moléculas exlral1as potencialmente tóxlo:as. pH: Medida de la concmtradón de protones; pH" -lag (H').

Piamadre Membrana Interna de las meninges. Pigmento visttal: Pigmento de la retina que convierte energía luminosa a un Cllllb!o en cl potendal de mem· b~·

Piloereo:clón: Ew.:dón dcl extremo de los cabellos. Pílortl: Reglón de p rono mUICulat que divide al estómago del intestino delgado. Pirámide: Reglón de la médula. donde las neuronas de un lado del cuerpo cruzan hado el otro l~do. I'kógeno: Sustandas que ptovocan fiebre. Placa: Oq!óslto de l!pldos en las paredes arteriales, acompat1ada de p!Ollferadón del múro.do liso, formadón de tejldo d<:atrlzal y c:aldflcactón. Plata de Peyer: l'rotuberancta de tejido linfoideo visible en la mucosa del tubo diiesttvo. Placa. epiflsaria; Reglón de los huesos latgos donde tiene lugar cl credmlento ~ activo. Placa terminal motora: Reglón portsináptka espetial!· zada de una fibra muscular. P!aquetc l'lagmento celular que partidpa en !a coagula. · dón. Sinónimo: trombodto. Plasma: l'atte liquida de !a ¡ru¡gre. Plasmlna: Enzima que degtada. fiblina. Sinónimo: f!b!lnolis!na.

Glosario

G-12

Plasticidad; Capaddad de las ctlulas llll!.dre adultas de

desano!!arse en múltiples tipos ~!ulms. Pleura: Membranas serosas que rev~stenla av!dad tor.lcta y que cubren lasuperfide extema de los pulmones. Plexo coroldeo: Epitelio de trarupO~ que secreta liquido cefu!wraquídeo. Plexo mtent&!co: Rl'd de nervios del51sWlla nervioso entérico que F wtre las <:apa5 mii5CIIlares. Pliegues: ruegues supetfldales.w el !ntertor del estómago. • • Pliegues intestinales: Pliegues de la pared !ntt>tina!. Pododto: Célula eplte!lal de Ja cápsula de Bcwman que rodea a~da apilar y fllllllil ranmas di! fl!ttacl6n.. Polaridad cetnlar: Las cé1u\a$ rertrtngen ctertas prote!nas de membrana a regiones part!culms y as! llenen dlkren~ fundoms en diferentes ámS. PoUdtemia: Hematocr!_to elevado. Polidipsia: A006n de beber exruiVamentt. Po\lfagla: Ao;lón de allmentalse exces!vamente. PuH~tido: Cadena de JO a 100 am!noáddw. Polisaeárl®s: Hldtatos de Olbono complejos compuestos por polimero:i de glurooa, usados para funciones estnlcturales y al!mcwamiento de ener&ía. Pollipennla: Fecundadón de un óvulo por más de un espennatorolde. Poliuria: M!o;lón ex\t$iv:a. Poro de fusión: Olmplejodeml'!llbranaa travésde!t:ual se pueden liberar los OJnten!dos de las vesíOI!as de secredón. · Poros DUcteares o complejos de poro nu~leat: Complejcsprotelcos en Ja envoltutanudearque tienen un poro central. Posible honnona: Molkula que no se ha demomado satisfaga todos los requisitos de una hormona. Potenciación a largo plazo: Camb!Ol f!siros en una 5inapsis que petmtten aumentar la respuerta postslnáptica. a un estimulo constantt. Putendal de acción: ~al elOCtrlca r.lplda y uniforme wndudda a !o 1atgQ de un axó¡:¡ hasta la terminadón axónlca. oen la membrana de una fibra ml&lllar. Potencial de equilibrio ~): Pctwc!al de membrana qt~e se opone exat",.a,mente al gradiente de concentradónde unión. Potencial de mam:apasos: Despolarlzadones cíclicas del músculo l1so y cardíaco que siempre alcaman el =bol Potencial de onda lenta: oespolali1Adón y repo~ ción clcllca del porenclal d~ membrana w el. músculo

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G-13

Qosario

PQtwdal d~ plata ·temúnal: Despolatizadón en la placa motora te!lillrU!l debida a la aeetilcollna. Potendal del receptor. Porendal esca.!onado en un meptot de 5entidos-espectales. Pl!tendal escalonado subumbral: Potendal graduado que ~ de la fui'IZ3o sufidente para dlsparu un poteOOal de a«!ón. Potendal escalonado-SIIpi\\JU.Ubral: fotendal &lartzan~ que hal.'e!l qt1e una neurona dispare uit potendal de acdón.. Potendal postsináptiw llllúbltorto,{ÍPSPF Potenciales llip€¡poloriz3.n~ que hacen menoS probable que una neuror.a dispare un potencial de ao:J.ón. . Potencial slnáptiw lento; !nido lento y respuesta más prolongada de las dlulaS pom¡n_~ptl.:as a dértos neuronanslllisoreS y fwuroi!IJduladQieS. Potendal stn&ptiw r.ipldo: Potendal g¡aduo.do en las dlulas postsimptlcas que ·tom!enza rápidamente y dura-sólo unos poros rn!lliegundos. Pot~ Captación OO.ular ¡le pequeilas molku\as y iones en \-es!culas conoddas como ca.vwlas. Ptecaiga: El grado de estirnmlento mlocárdloo creado por el retomo venOS?· Prqlrobonnona: Molkl¡la Inactiva compuesta de una o más coplas de una hormona pept!d!ca, una seolenda seilal y otla5 5e(.Uendas pe:pt!dlcas que pueden tene. .rJIIidad biológica o no tenala.

...

Presblacusia: Pérdida de !a audición debida a la <:dad. Presbicia: P&dida del rellejode acomodación debida a la

Prote!na de acoplamiento: Protelna5 de membranas que cone<:tan veskulas a la membrana t\!lular pata la

Presión arterial: ~W~6n ejerdda por la sangre sobre las paredes de los vasos sangulnws.. Íiabitualmwre SI! mide en las arterias 5istMI!ca;. · Pn:slón arterlal media (PAM): Preslón 5allglllnea promedio en las arterias, estimada como la presión d!ast6Uca. más un lerdo de !a presión diferencial. Presión dclliquldo: Presión creada por la presencia de un líquido clentro de un espacio o.:enado. l'reslón diastólica: La presión más baja en el apa¡ato citculatorlo asedada con la relajación de los ventrl· ·culos, Presión dlferendal: La terulón de la onda de pulso, dcli· n!da como la presión sis!óllea menos la presión dlastií-

Proteína de agutí: A!ltagonlsta dd ~or de melanocortina-1 {MCIR) que controla la síntesis de melanlna. Prot6na de fase aguda: Pro:eíoas llepálicas que aaúan romoopsonlnas e!nmmentanla respue:;talnllamatorla. ProtW\a G: Piotclna de membrana que acopla los receptores de membr.ma. a !os canales !óntcos o emlmas de

u~

Presión hidráulica: IW!ón ejttdda por un liquido en movimiento. Usada como sinónimo de presión htdrostáUca. en el stsrema dfculator!o. PIW6n hldrostitlca: Presión ejetd:da por una columna estactona!ia de nn llqu!do en un tubo. l're$1ón intrapleural; Presión en el liquido ptwral. Pre51ón osmótic:a ~oloidal {p) o cololdoomóti<:a: Presión ·osmótica- deblda a la presencia de proteínas plasmáticas que no pueden atnwesar el endotelio cap!. JaL Sinónimo: pr~6~ oncótica. PIWón osmótica: Presión que SI! opcme exaaammte a un gradiente de coll(mtladón dado. · Presión pardal: Presión de un ünlto gas. PIWón sl.stóllca: La pte$16n más alta en cl aparato drCIIlatorlo que ldleja la presión gl!!letada por la contraroón de los ventticu!os., · Primer mensajetO: Moléculas de 5eflafu;o.o;i6n quimlta liberadas por las células. Primer ruido cardiaco: Sonidos creados por vibraciones. generadas al cemme las válvulas aur!culoventrlculares. Primera ley de la termodinámica: La ene!gla en el UW. vooo es oomtantt. Prlndplo de la linea mattada: Asociación 1:1 de un receptor sensitivo ron una sensación.. Procesamlento paralelo: Una fundón es llevada a cabo por más de una reglón del SNC. Ptoceso constitutivo: Cualqnlet función totpornl ewncial que está OCIIrrlendo en todo momento. P~dón: Acto de crear un nutvo ser. Proenzima: Una enzima inactiva. I'rogesterona: Honnona S&Ual femenina pmdudda por el (llet¡lO lúteo. Prohormona: Proteína inarttl>a qt1e contiene una o más coplas de una bonnona. · Prolact:lna: Hormona pept!dlca de la adenobip6fuis que . controla la p!QdWÓll de !eche en las mamas. Prolongad6n cehllar: Extensión de una dlu!a, como las dendritaS o loo axones. Promotor. Sl!«h'm del DNA roca del extremO !nlda! de un gm que debe ~ activada pa¡a comentat la trnsalpdón. Proop!omclanocortina (POMC): l'rohonnona di! laadenohip6fuis que es tran5formada enACIH y ottos fragmentos activos. Propiedad emergente: J>mp!edad de un ststema que no putde _prede<:irse a partir deJa simple suma de sus partes. Prop!ocepdón: Contienda de la posición del cuetpo en el espacio y de la lblcadón te!atlva de las partes de!

ru.,.,.

l'romcldina: Eloosano!de en la membr.na de las células endote!lales Intactas que Jmplde que se adh!l!tall las

plaquetas. l'romglandlna: Molécula derivada de llpldo5 que ID:túa coma ¡egulador fls'.o16gko. Prostanolde: Mol&ulas señal elcooanolde que Incluye a las prostaglandlnas y los tronlboxanos., Ptóstata: Órgano accesorio masculino que oinl:!ibuye a la produo;l6n de semen con enxilllli, nutrientes y otras secredones. Proteasa: F.n1ima. que degrada proteínas w pépt!dos más pequei!Ol. Protwsoma: Complejo emimátko.dtoplasmátloo dl!ndrloo que detruye protelnas. Prote!na: Cadena de más de den amlnoácidosProteina tonjugada: Mo!OO.da o#: protclna COfllblluda ron llp!dos o hldtatOS de ca.rlxlno. .

a:octt05ls.

m<mb~

Prote!na llgadora de andrógenus (ABl'): Protclna di! las ceulas de Se!toll que se une con la testosterona pa¡a manteneda en la luz del tUbulo wn!nifw, Protelna motoza: Protelna que crea movimiento. Protdna periférica: Proteína ligada a protclnas Integrales de la membrana o a regtones polares de los tosrollp!dos de la membrana. Sinónimo: proteína extrú:lseca.. Proteina transpOrtadora: Protelna di! membrana que se une a la molku!a que transporta. Sinónimo: tran5por-

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Proteínai integroles de membrana: ProleÍ!IO$ de membrana que están ligadas fuertanente a la b!C
Proteinas oclusivas: Protclnas de las uniones esttedlas. Proteindnasa: Eru.!ma que lmiSflere un gropo fosfato de un ATP a una pi'oteina. . ProteindnMa e (PK-C}: Eru.!ma de memb~ana qt~e es activada por DAG y Cal>. Proteoglucanos: Glucoprote!nas de la matriZ exttaOOu-

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l'roteuma: F.l equivalente protelro del genoma; todas las

protelnas qtiepueden serstntetUadas por el ONA de un organismo. Protón: Partkula suba!6m!ca ton una ®ga positiva Y masa igual a 1 uma. Pubertad: Periodo de kls prtm= añOl de la ..OO!ewmtia, cuando las gónadas -maduran y ptoducen gametos. Puwte auzado; Olnex!On formada cuando las cabeus de la mlosina mó;-il se unen a mol~ de act!na !* 5entl!S en el músculo. Puenw de hidrógeno: fllena deatraedóD débil entre los ~tom05 de hidrógeno y ntro5 átomos, especta~mmte oxigeno y nittógeno. Puente dlsulfuro: Puente d&U entre closál:omos de azufre. Puente o protuberanda: Rl!gión del tronco cereblal que contiene los tentros de la resplrad6n y 5lrn: comoestadónde relevo. PulmOnes: Ó¡ganos donde se lnten:amblan gases con la

,.,.,_.

Pulso: Onda de p!esión tranSmitida a tnwés del liqll:ldo

dcl aparato ca!dlovaso::ulaL Punto ciego: Región de la retina 5!n fotorreceptores donde elnerl':loóptico y los ViiS05 sangulneoo$a\en de! ojo. Sinónimo: d!sw óptico. · Punto foo:al: Punto en el t:ua1 wnvergen lOl hal:es de luz paralelos que atxavtesan una lente. Q Querntina: Proteína insoluble p¡evalente en el ca.~ y ];;suiias.

Qulasma óptico: Po¡dón del cw:bro en la t:ua1 algunas

fibras de cada a¡o se auzan a -[os lados opuestos del

="'·

Qullomlcrón: Glandes gotas de tr!gllctddos, co!t"SW!l~

p1oteínas y Upoproteínas sintetizadas wlas células del Intestino delgado. Qulmiorreceptot: R~ptor semor!al octlvado por la untón con una S!l5tanda qulmica.. QulmiOrr«eptor cen!!al: Qu!mlorreceptor presente en el bulbo raqufdeo que monif9ri1.a la Pro1p!asmátlta Quim!Om«ptor del corpú5eulo carot!de« Recepto! presente en la arteria caróUda (¡ue responde a una baja PO¡; arterlal, la dismlnudón del pH o el aumento de la

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QuJmloneceptar periférico: Quim!On:eceptor no enconttado l!ll el SNC. Qulmiomceptores del corpúscu!o aórtico: Receptores que responden a una Po21nfW:or a 60 mm de Hg, pH dimllnu!do o PCO¡; aumentada. Qulmlotaxlna: Molkula que aaae dlulas tomo los glóbulos blancos.

G,llhno: Su5tanda ~ produdda por la digestión en el tubod~est!Yo.

R Radiación: Ene¡gía emitida por !Ol isótopos Inestables. Radladón y. Ondas de alta enngía que p€!1etranla materia profundamente, torno !Ol ra)'05 X. Radkal libre: Mol&u!a.!nestab!e con uno o más cle<:trones no pareados. Radiolsótopo: Isótopos inestables que emiten we¡gía: Raíz dorsal: Rama de! nelllio esp~na~·que lleva fnfom¡¡dón 5eruitl'9a Ralz ven!!al: SeOOón de un nervio espinal que trnnsportl !nformactón desde el SNC a los músculos y las glán-

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Receptor inotrópico: Receptor neurotransmisor que altera la función del canal !ónloo. Receptor metabotrópito: ~or de neuro~ res que actúa a través de un s!sttma de segundos men-

·-

Receptor muscarlnlco; Un subtipo de ~ptor coUnét-

.ro.

Receptor nkotínlco: Tipo de ~ptor de acet!lcolina que también responde a la nlootina_ Receptor NMDA: Rettptordeglutamato que se abre sólo cuando la dlula está despolarizada. Receptor orofacinge<:¡: Receptor no !dwtiflcado q~ o::mtrola la 1ngesta mal de agua. Receptor Jll!rlf:bico: Reo!ptor sensitiVo que no está localizado en el cerebro o cerca de él Rama ascendente del asa de Henle: PO!ción de la neftoReceptor ¡nulnbgico: Un ~tot que se une a purlna5 na en la que se prodUCf! liquido dllu!do. romoAMPoATP. l!ama5 fasdo:ulares: Las dos ramas del haz de Hls · Receptor5enSQrdeealdo: Receptor que se encuentrn en que transmiten la 5eilal eléctrlca a cada uno de los ven~ ctlulas paratlroldw y que responde a ca.mblos en ttkule». mcomentradones plasmáticas de ea~·. Ratón con inactivadón g&llca: Ratón en cuyo ONA se Recq¡tor tónico: Receptores de adaptación lenta. ha fnactiVado un gen especiflto. , Receptor-canal de rlanodfna: Canal del ret!culo sarwRatón transg&rlco; Ratón cuyo DNA ha sido modificado plásm!co que !Ibera caldo en los músculOl estriadospara wntener gem":$ adldonale> que normalmente no Receptores de in:!tldón: Estimulados por gases !6xicos están presentes. o partículas Inhaladas en la mucosa de la vía aérea. Reabsorción: MoW!nlento del material filtrado de la luz Reddado de membrnna: Proo:so en el cual la IIIW!b!ade la nefrona a la SMg:te. na celular es retlfada por end o Reflejo de ~6n auzado: RefleJo pos!W3l que ayuda a mant®er el equWbllO: durante lOl reflejosdtl Jlexlón. tonstlltline nuevos enlaces. Reacc:lón revemb!e: Una reacdón qllÍmlca. que puede Reflejo de flexión: Reflejo posts!n.iptico que hace que desatrollam en ambas direl:dones. un bruo o una p!ema se aleje de 1111 estimulo doloroReatt:!ones acopladas: Reacriones en las que la energfa . !iberada por 1111a reacd6n tmpu!sa una segunda reacReflejo de InsuflaCión de Hering-Breuet: Reflejo q~ ción que requiere energ!a. evita que lOl pulmones se Inflen e=tvamente. Receptor; 1) protelna celular que se une a un ligando; Z) Reflejo espinal: Un .tdlejo Simple que puede~ lntegncélula o grupo de células que monitorizan continuado en la mMula espinal sin lnformad.ón desde el (etebro. . mente loo cambios en el ambiente Interno o extémO. Rmptor !11-adrenérgico: Receptor de memb!ana que se Reflejo fotomotor. Conttao::ión deJa pupila en respuesone a la noradtenallna y a la adtenal!na. ta a !a luz.. Receptor 1\-adrenérgico; Receptores de membrana que Reflejo latgo: Reflejo digestivo que .se 1ntegta en el<,WC SI! unen a n013dtemllna y adrenaJlna y trnrudu<:en la más que en el sJstema netV!oso enthlw. Reflejo inlolálito: Vfa refleja en la llla1 el estltamlento Receptor AMPA: Receptor-canal de glutamato que petde! mWculo lnlda una respuesta de contw:d6n. mlte el ingreso de Na•. Reflejo monosln!ptlco: Reflejo en el rual hay una-sola Reo:eptorcentral: Receptores sensitiVos loc:ali2ad0l en el slnapsis entre neuronas. eno;Halo o !nllmamente Vinculadól oon o!!. Rd:lejo pollsinápt!co: O.lalqu!er reflejo que tiene !tes o Reeeptor de célula T: ~ de membrana de las más neuronas en -111 vía. tilulas T que SI! unen a los tomplejos antlgeno-MHCReflejos postnra!es: RefleiOl que nOl ayudan a mantenel Receptor de dlhldroplrld!na (DHl'); Receptor 5ell$!e a la posldón de! cuerpo. voltaje presente en los túbulos-tllgados a JI)!; canales de Reglón Fab; Los biaZOS de una mol&..!la de anticuerpo Cal•. . que se unw al antígeno. Reglón Fe: Rama de una molkula de anticuerpo que se Receptor de Metkel: ROO!ptOt de la ptel para la presión une a reCeptores sobre las dlulas lnmunitarlas.. Reguladón por dittnlnntl6n (d!}wn-regnlatlon): Receptor de unión: Rwptot . sensitivo que envía lnformadón sobre la pos!dón relativa de huesos unldOl por Oim:!!nución del niÍU!ero de proteínas o de la alln!dad de unión que 11m a una dlsminud6n di! la respuesta. art!culadones fluibles. Receptor fáslco; Rea1ptores que se adaplall r.lptdamente Regulaclón por Incremento (up-regulation): Aumento del número di! proteínas o af!nl&d de unión que a las condldones cambiantes. aumenta !a rupuesta. Receptor hu&fano: Receptor que no llene ligando conoR~ador trnnsmembrana de la flbrosis qtústlea ddo.

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(canal CFI'R): Canal de doro dependiente de nucleótidos p~nte en !os epiletil)!;, dekctuoso en la fibro5l5 qu&t!ca.. Rela¡a.dón ventricular \sovolumétrtca: fase del dc!o cardiaco tn la cual Jos VetltiÍCu[OS se est.ln relajando peto d volumen de la 5aJ!81e en ellos no varia. · Relaxlna; Hurmona peptídlca prO
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Rtnlna: Péptldo seaetado por las dlulas ~rulares que conVIerte el angiotenslnógeno en angiotensimf. Repolarización: fase durante la cwd la membrana despo!arllada vuelve a su potendal en reposo. Resistencia pmurim: Rel5tenctaalilujosangu!noocmada principalmente por las arteriolas. Resordón ósea: l'ro<:eso en cl cual !Ol l)!;teodastoS dlsuelv!'ll !a matriz de {!)!;fato di! ealdo. Resplladón: 1) utlllzación celular de oxigeno y sustrntos para p!Odudr enetgia; Z) illterca.mb!a de gases entre la atrn6sie!:a y las &lulas. Véase Resplrndón celu!at; Resplladón externa.

Respirndón celular. Reao:ión !ntracE!ulal de!'uxlgeno con moiOCulas mgánlcas queproduceCOzo agua y energla en !a forma di! ATP. Resplradón externa: Jntw:ambio de gases entre el ambiente y las
"·

Respuella inlllunltaria secundarla: la respuesta lnmunllatia más Intensa y Iiip!da qije re produce ton !a segunda o ultertores expos!dones a un patógeno. Retm!o del nodo atrloventriculat o ao¡:iculovmtrlcular: lentif!ca.ctón de la conducciÓll clktrlca a trnvésdel nodo AV que penn!te que las aurlOI!as tompleten la oontrncdón ante; di! que la Inicien los ventrículos. Retículo wdoplásmlco (o endoplasmátlco): Red de túbu!Ol !nteocnne«ado5 ubicados en el cttop1am¡a; e; el lugar de la sínteili de proteínas y llp!dos. Retlculo endop\ásmlco liso: Orpnulo que oo~~Stituye el sitio primario de Ja sfntes!s d~ áddOl g¡asos, esterolda ylipldos. Retículo endoplásmloo rugoso: O¡gánulo que oorutltuye el sitio primario de la síntesis proteica. Ret!culo .sateoplásmlto: Retfculo eno:!Qplásmlto modificado del músculo, que oon<::entta y almao;ena ea?•. R~t!culodto: Eritrodto inmaduro sin núcleo. Retina: Receptores sensitiVOS que ret:ubrEi:i la caVIdad posterior del a¡o. Rcllnal: Pigmento de la rodopstna que abso!be la luz. . Retumo venoso: Volumen. de sangre que entta en el oonz6n desde !a dttulodón venosa. Retroallmentad6n negativa: Bucle di! -retroallmentati6n homoostátlca dlsedado pata mantener el $1Stema en un punto dado o rucano a éste. Retmallmentadón negativa de circulto l;ugo: Retroallmentadón negativa de una glándula enWX:rlna perifétlca al hipotálamo y la adenohlpófu\¡. Re!roallmentadón tubuloglommllar: Proceso por el cual!Ol cambios w el f[ufo de liquido desde el túbulo distal afecta la lllttact6n g!ometU!at. R!bonucleasa: Enzima que deg¡:¡da cl mRNA. Rlbosa: Azúca¡ pentosa. rubosoma: P1:queí1os gránulos densos de RNA y proteína que ensambla proteínas a palllf de los ilm!no!ddW, 1Utmo b!ológiar. Varlzdón dc!lca de un proceso blol6gf~.

rutmo drcadlano: lUtmo biológico basado en un ddo

de24hota$. RNA (áddo rlbonudclto): Nude6tido que Interpreta la lnformadón gen~lica. i!lmaoo!ada en el DNA y la lltlll-za para dfrlg!r la síntesis proteka. RNAde ttansferencta (!RNA): RNA que re une a llll aminoácido en llll extremo y a un RNA rlbol6mlto en el

"""·

RNA mensajero (mRNA): RNA produddo en el núclo:Q a partir de un molde de DNA: ~iaja al citoplasma para dlrlglr Ja síntes!! di! nuevas ptotelnas. RNA polimeresa: Enzima n=rta para la 5Intesis del mRNA a partil del DNA. RNA rlbosómlco (rRNA): RNA citoplasmáUco ®nde se ensamb~ las proteínas.

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G-16

Glosario

Urea: ProductO de desedw nltrogenado ¡mx!uddo a pat· tir de grupos amlno. Un!ter: Conducto que une elrldón eon la vejiga urinaria. U!>'tra: ConductO !1n!ro ~ d¡ena la otina desole la vejl· ga urinaria hasta el medio extw~o. Utriculo: Uno de los órganos otol!tkos del apatato vesti-

ooiM. V Vacunación: Admillistrnclón de patógenos muertos o modificados parn disparar la forn.t.!tión de anticuerpos rontrn dicho patógeno. Vagotrunla: !'l'ocedimlento qulrfugloo qtl\' rnnslste en $0Cdonar el nervio y¡¡go. VálVIII.a aórtica: Válvula hallada entre el ventriculo izquierdo y la aorta. Válvula bicúspide; VMvu!a que se enruentta entre la aurlcula y el nntriculo izquierdo del. cotazón. Slnónlmo: válvula mitra!. Válvula c:atdíaca: V.ftvulas de tejido conecti'.u que evl· tan el rcllujo de sangre al coruón. Válvula lloow:al: ~ón muscular cuya eontiacdón separa e\ Intestino grueso del IntestinO delgado. Válvula pulmonar. La válvula semilunar entre el ventri· culo der«ho y la arteria pulmonar pllnctpal (tronco pulmonar}. Válvula semilunar. V.ftvulas del ror.ll6n entre los ven· trkulos y las g¡andes arterias. Válvula tricúspide: V.ftvula que se encuwtra entre la . aurícula y d ventritulo deredto del cor.ll6n.. Válvulas atrioventriculates o awiculovenlrttulare {AV): Válwlascmiía~ que repanm las aurirulas de los ventrículos. Variable depmdientt: La variable del eje, y que resulta depend!entt de la variable manipulada o llldtpend!en-

•·

Variable independiente: Parámetro manipulado por el Investigador en un experimento; graf!ada en el eje X. Var!cosidad: Reglones dilatadas a !o la!go de !os axoni'S autónomos que al:marenan y llbetan neurotrarumlso'~

Vasculatura: Los vasos sanguineos. Vaso quUifuo: Proyección del s:~mma lln!átlw que se ut!ende dentro de las veUosfdadei Intestinales. Vasoconstdcdón: Conttacdón de la capa dro.!lal del músculo llio varodar q~re estrecha la lti.Z de un Y
Velocidad de flujo: Distanda que teCO!re un volumen fijo en un detmnlnado periodo de tiempo. Vwac Vaso sangulneo por el que retorna !a sangre al

romOO. Vena cava ínferlor: Vena mayor que retoma la .v.~ngre del werpo inferior a la auri<::Uia. dereclla. Vena pulmonar. Vaso .san¡_:uúleo que transporta .sangre oxigenada desde el pulmón hasta el lado l
ro-.

Ventana oval: Membrana entre el O!do medio y la cóclea E'll la cual d wntdo se convierte de ondas sonorns en ondas de \íq,uldo. Ventana redonda: Membrana E'lltre la cóclea y el o[do medio que d!mlbuye enttgfa a partlt de ondas de \!qu!· do E'll el conducto. Ventilación; Movimlento de aire entre la atmÓ'Sfera y los pulmones. Ventilación alveolar: Volumen de aire que !lega a los alvéolos por minuto. Ventilación pulmonar total: Volumen de aire Inspirado y exhalado de los pulmones por minuto. Ventlladón voluntaria máxlma; Veloctdad y profundidad máximas a la que una persona puede teiplnll: en forma voluntaria. Ve.ntñculo {cardíaco): O.vldad baja del oorazón que bombea sangre hada !os vasos sanguineos. Ventrículo (ruebtal): Espacios huecos del enctfalo Henos con liquido cefa!onaquídeo drollante. Ventriculo deteeho: amarn del COiaZÓ1l que bombea.Ia.

sangre a !os pulmones. Ventriculo izquienio: amara del cmazón que bombea sangre a !a eúruladón sls!émlca. Vénula: 1m vasos de menOr ~ de la circulación

-~ Olgánulo unido a !a memb!ana, ron founa de Vesfcala: .saCo· o bols!Ilo, ron función de almarenam!ento y

-

"""'""

Vesícula billar. órgano que almarn!ll y Cllnrentrn la Vesícula de transporte! Ves!culas que ttansportan su

contenido desde el reticulo endoplism!tó al aparato de

"""

Veicu!a stnáp!iea: Pequdlas ves[rulas secretol'as que l!brnn neurotrarl.mllsorei en la sinapsls. V~cnlas .seminales:: Glándulas aecerortas mas<::U!lnas que aportan enzimas y otras scaectones al5a!!en. Vía aérea: E:strectu.ruanatómlcasdesde la boca hasta los bronquiolos que Umn aire a les alvéolos, Vías o rutas: Red de reacdones químicas ln!erco.nectadas fonnadas porreacc!ones ern:!mátlcas del metabo!fsmo. Vía aferente: Vla queronecta un receptor con un mltro

Vasodllatadón; Relajación de la tapa drcu!ar del músculo llio vascular que dilata la luz de un vaso .sanguíneo. Vasos rectos: Capilares perltubulares del ti!lón que descienden hada la médula y lu~o regresan a la cotma, VIa de control tefleja: COntrol homtoStátlm a larga dl$!orn.t.!ndo una elttllctur.l en ho¡qu!lla. tancia en el cual la decisión de la n~&.d de envlal: Vaults {batrlles): Orgánulosde rtbonudeoprotcll)as cuya una respuesta se reall
"'-~

Vigilancia Inmunológica: 1l:oria que estable.;e qu,e las

células =cerosas se desarrollan wn regularldad pero que urualmente son derectactas y destruidas por d sis· tema Inmunitario. VISI:OS!dad: Densidad o resistencia al flujl:l que presenta una solución. VIsión binocular: V!Slón trtdimensional rompuesta por la supe!poSlctón de la rel="nofollow"> campos visuales de los dos ojos. Vitamina; Nutriente necesat!o en. pequtim cantidades para desempeilam: como c:nfactor o coenzlmil. VItamina Bw Vitamina necemia para la slntes!s de glóbulO> rojos. Vitamina 01: Véase caldtrtol. Voltaje umblul; Mínima despo!arlzadón req~rerlda pata !nielar un potendal de acdón. Volumen corriente (Vy): Volumen de aire que se lntet· cambia en una inspilación o e5piladón no!lllal únlca. Volumen de fin de diástole: Volumen máximo de la .sangre que !os ventrículos contienen dur.mte un dcio

-ro.

Volumen de fin de Mole: Cantidad de .sanye que queda en el ventriculo al finalizar una wntracdón. Volumen de reserva esp!ratorlo {VRE): Cantidad de aire que puede set exhalado tras flnill!zar una exha!adón normal. Volumen de restt~~a inspirntorlo (VRI): Volumen de aire que puede ser Inhalado en adldón a ll!la lruplra-dón nonnal. · · Volumen minuto {VM): Cantidad de sanire bommad.a por ventrlcuJo en wí minuto. Volumen residual (VR}; Volumen de aire en los pulmones \utgo de una apl!ación máxima. Volumen .sistólico: Volumen de sangre bombeado pm un ventrlc;ulo durante la (OIItraedón. Vulva: Gl!nltales femeninos externos. y

Yeyuno: Secdón media del ilitestlnO delgado. Yll!lque: Uno de los tres huesos pequeltos que hay en el ofdo medio, situado entre el martillo y el estribo.

z

Zona fasdrnlar. Zona media de la c:nrteza supranenal que sintetiza glucooortlmldes. Zona gatillo: Reglón del axón donde se integ¡an los potenciales escalonados y 1e !niela un potencial de aman de la sedal pm encima del umbral. Zona gtomerular. Zona externa de la wrtm wprarrenal que sinttllza a!dosterona. Zona H: Reglón del saK6mero en !a qtl\' únlcamente se encuen!ra!J. filamentos gruesos. Zona monocalat; l'orrlón del campo visual en la cual la v!slón es bldlmerutonaL Zona pelúclda: Capa de gluwprorelnas protectoras alrededor de un óvulo. . Zona reticular. Zona lntm~a de la cort= -111prnrrenal que slnretlza esteroldes sexuales. Zona tennoneutra: Escala de temperatwas dentro d~ la cual la enttgfa del metabolismo normal es suficiente para numtener la temperatula ro¡potol normal. Zónn!a ciliar. Fibras~ fiJan el a!stallno del ojo y a!tt-

ransu.fonna.

La e después del número de página indica_cuadros y la {indica figuras.

A a-bungarotoxlna, 270, 273c, 385c, 391 a<etog!utatato, 668 So((·reduetas:!, SZS, S29f Abdomen, SI Absotc!ón, \Sl, 517,678, 678f, 693, 700f, Véase tan!· biénD/gestfdn

capllat,Sl7 de grna.;, 696, ó97f, 698! de hidratos de catbono, 693, 695f • de péptldos. 695, 696! Abstinencia, 846, 84~ Acddeote cerdlrol'aSCII!ar, 506, 508 Ace!tl! hldrogenado, 2Y Aoelte{s), Véase Upiios Ace!etadón Unea!, 3SS, 357f Ace!eradón totadoru.l, 355, 357[ Acetil CoA. Vf.aseAatilroemima A Acetikoenrima A(atelil CoA), 101, 107, 108!, 272 • en síntesis de !lpldos, 113, 114f Are!!loollna, 185, 191,272, 273c, 274f,382, 382f, 384c en acoplamiento exdladón-contrntdón, 407, 408f agonistas y antagollina; 3861: asma y,SSl como vasodllatador, 511( efecto sobre !a frecuencia Clldíaca, 476, 49<1, 4901' !nactw.!tión, 274f, 278 tt~:eptor, 2731'., 215 • enl'l!lasten!agmre,274 • unión de la a-bungarote:dna, 270, 386c, 391 secrectón, 3!2, 312f, 313c, 383 • en control de m(lscu]o liso, 428 -lintesls axón!ca, 383 en unión net~~oOl\ISCUiar, 391, 39lf, 407, 408f AcetlkoUnestttasa, 27-k, 278 • en unión neuromuscular, 391 Ácldo(s}, 37, Vézrue también los tipos espedfiros • fuentes, 664 • secredóngasttolntestlnal, 685, 68Sf, 702,703, 703!, 7U4f Áddo atl!tilsallcilfw, Véase Aspirina Áddo~co, 727 Áddomquld{intw, 188, 188f Áddo betahldroxibutlrtw, 727 Ácido carbónico, 37, 600I, 664 Áddo ótriw en el semen, 8361: Ácido dolhldñw g;istrtoo, 702 • seaetión, 685, 68Sf, 702, 703, 703f, 700 Ácido desoxlnibonuclelco, Véase DNA ÁddofóUw,97 • de!idenda, S46c Ácido y-am!nobut!rlro (GABA), 30, 273<, 275 • reeepto¡es, 273c Áctdo gástrloo (HCI), 702 • sea«ión, 685, 68Sf, 702, 703, 703f, 704f Ácido Mctico, 664 Áddo l!nole!w, 29f Ácido n!COtín!W (nladna), 7'l.7 Áddo olelco, 29! Áddo palmítlco, 29! Ácido pantoténlro, 97, 107 Ácido .dbouudelco, V~ RNA Ácidoúrlro, 146, 614,618,630,636 Ácidosblliares,689 . Ácidos gtaSQS, 27, 29f, 103, 104f, 696, 696!; 697 !ruatutados. 28, 291 libres, 696, 696~ 122, 723f metabolismo, lll, 112f • para omtracdón lU1lSl:Ular, 410, 808, 809f monolnsatutados, 28, 29f polllnsatwa.dos, 28, 29!

• salmados, 28, 29f • s!ntesls, 113, I14f • . • en reticulo endoplam!átlm liso, 66 Ácidos nucielros, 33, 33f • digestión, 697 Acidosis, 599, 601, 663, 664,670, 670<; células Intercaladas, 669, 669f compensación renal, 667, 667f, 668f, 669f compemadón respitato!la, 666, 666f desequllibrto de potl'iio y, 664 diabetes meUltus y, 736 láctlca, 664,670 metabó!lca, 670 • diabetes mellitus y, 736, Véase también

..

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resp!tatotia, 601, 670, 670c Áctnos • glándula salival, 689 • pancreáticos, 685, 686! • liro!deos, V~ Folícu1u tiroi&o Adlmatadón, 198. • a la altma, 588,596 • alejW:!doendcalor,815 Aromodadón, 362, 363f

Aroplam!ento a:citadón
para el:ldodtosls, 148 pan exodtosis, 150 pm fagocttosis, 148 pwducd6n.I03, 104f, 106c por catabollimo de protclnas, 111, lllf pordtlodeláddod!tiw, 104!, 107, lOSf • por giucogenóllm, 110, llOf

po¡ g!uclum, 104, 104f, 105f, 106c, 80S por metabollsmo aerobio, lOa,!OJ, 104, 106c,

"'

por metabolismo anaerobto, 103,106, 10&, 107!,808 en m!too:mdrlas, 65 movimiento de h!drogenlones y, -109 rendimiento máximo de energi:a a patt!t de la g.luwsa y, 106c, 110 por sistema de transpoite de eltttron~. 104f, 108, 109f en Rar:ctones acopladas, 95, 95f para reacciones anabóllcas, 112 en reacciones exagónkas, 94 de reacciones metabólkas, 101, 103, 104, 104f, liUif relactón ATl'/ADPy, 103 transferencia de energía E'lllre reacciones y, 103 pata el transporte aalvo, 14S,l4Sf Adenoslna, 273c, 275, 315 • wmowsodli<.tador, 511c, 512 • ~ereptores, 273c Adhesión plaquetalia, 548 Mhes!ones lntmelulates, 69 Adlpoctto, 77, 7&, 78f, 79f, 80f Adrenalina, 189, 190, 190f, 193, 21Sf,222, 223f, 274, 731, 73lc agonistas y antagO!ilitas, 386c efectos vasoactivos, 5llc, 513 ftoolenda cardiaca y, 476, 476f, 489 seaedóndelnsullna y, 73\ sinergia que afecta, 231, Z31f Afasia, 320 • de comprensión, 320 • de expre5lón, 320

_,

• factores que akctan, 40, 40f Agregadón plaquetarla, S48 • a;p!tlna qu€ afecta, S54

'"'

absordón por el aparato digestivo, 698, 699f wmo mol€cula polar, U, 24<: corporal, 154, 154c, 643 • dlsttlbudón, 154, ISSf • total, 154 =ctón en la orina, 644, ó44f • . pqrtldo natriurétlro atrlal que afecta, 656, 657f Ingreso, 644, 6441', 658, 662f, 663 movimiento, 130, 13Jt 153, 1S4c, lSSf, 1S6c, 157c, 158~ 15~ 1S9f, 160c pérdida !nsem!ble, 644, 6441' mbsordón tubular renal, 626, 6Z6t, 645, 646f • vasopreslna y, 646, 647f, 64Sf .>earo:ón por el aparato digestivo, 685 soludones, 3S, 35f tensión superll.clal, 25, 2Sf transporte en el aparato cardlovaso;ular, 45&: vasos rectos en laelimlnadón, 551 Agudeza. v!sua!, 366, 369 Alantoides, 849 A!bfunlna, 220, 536, 531k • desnaturafuaclón, 42 Alcalosis, 663, 670c, 671 ct!ulas Interol!ares, 669, 669c • Cllmpen.sadón renal, 667 • metabó!lca, 670c, 671 • reo;pilatotla, 670c, 671 A!CilhoL me. 282 Aldosterona, 215f, 221!, 652, 653, 6S4f, 65Sf, 656f, 665, 829f • seaedón supmrenal, 7Sl, 752f, 753f Ale¡geno, 797, 797f

1-2

Índice analítico

Índice analítico

Alergia, 777,797, 797f - ooslnófi!¡¡s, 782 Alergia al gluten, 696 Ale¡gia alimentaria, 696

Algoritmo, 525 Al!mentad6n, Véasehigesll'l dt aUmen!OS - materna (lactancia), SSO, 852, 853!, 854f • • oxitoctna y, ZOS, ZZ6, 854, SS4f Almacenamiento de enetgla a rorto p!aw, 719 A!nlacenam!wto de energía a !atgo plazo, 719 Almidón, 27, Uf, 693,694. 694f, i06

A!teractone; del ~1nlo ;leido-base, 663, 669, 671k, Vé= tamb!énAddllSI5; Afc.aiQ.!is • anorexia y, 721, 745

Ahlo!oo, 560, 561, 563f. S&!f Amenmrea. 855 Amígdala, 780f, 182 - cmbra!, 30Sf, 303, 3081, 315 Amilasa, 97c, 694. 694f, 699 - salival, 699 AmlJlna. 728, 738 AmJnactón, 101 Amlnasa, lOOc Aminoáctdo{s), 30, 30f, 695, 69Sf, 724 catabolli.mo protmro y, 103, 111, lllf, 695, 695f

como neurottarumisor, 27k, 274 esttuctura, 30, 30f Uberactón de f,lucagón y, 734, 735! .seat:dón de 1ruulina y, 130, 733 síntesis de amJnG honnona!, 222. 223! sínteili de glucosa y, 111, HZ, 113!, 7Xl, 723f. 7'1.7,

"''

s!ntesis p:otelcay, 30, 30f, 100, 722, 723f. 724 5U51ituclón, enfermedades heredltatlas y, 114 tra<.I\ICdón de mRNA en produ«ión, 118, l:Wf Aminopeplldasa, 39,. 695, 6951

Amnesia anterog¡ada, 318 Amnios, 849, SSlf Amonlaro, 111, lllf Amortiguador del pH, 33, 664, 665, 667, 667f

- amoniaco, 667 - b!ta!bQnato, 38, 665 - "en semen, 836c

AMPcidlw, 33, 181c, !SZc. 184 • acción de las honnonas peptldl~ y, Zl9 Ampllfitadón, lSO, 1801 - de la Sl!l'ial, 180, 180f - en ttan>ducctón del sonido, 3SO Amplitud - de onda. so!l%1, 349, 349f • depotmdalgradua.do, 255,256, 256! Ampolla, 7l - apanto vestibu!a~ ~5, :!561 Anabolismo, 101, 112,721, 7Z3 • Insulina y, 131, 732!, 733f, 134f Analgesia, 275, 342 Análisis de orina, 614 Análogos de la amillna. 739<: Ana!OllÚ3, Z ·• Anclaje mwcular, 4Z6 Andmson, Ben¡¡t, 658 Andtóge.no(s), 215f, 219,825,829, !136 =~~ ftmenlnos:;o¡amdarlos, 843

- ~ptores, 825 . • • an6mla!es, Z33 • ruprnnena!es, 752, 7531 Andropausla, 8SS •. Androstenodlona, 751. 752, 7S3f Anélido, sistema nervlow, 293, 293f Anemia, 546, S«M:

ap!ási<:a, S46c de ctlulas faldfonnes{drepanodtosls, 114, S43, 546,

"''

ferroptn!ta, 546<:, 547 hemolitlca. 546, S46c pe.rnldosa. 702. Anémona de nm, 216, 690 • red nerviosa, 292, 690 AnestésiCO \oca!. 269 Angina, 513 Angiogénesls, 503 Angiogr.úfa CQlll1lalla, 489, 494 Anglcplastla. 489

Angiostatlna. 504 Anglotensina 1, 654, 655f Anglote.nsina 11, Sllc, 512,513,653, 654, 655!, 66Zf, 663 • Allg!oteruinógmo, 21Sf, 654, 655! Anbldrasa a.rbónlta, 599, 6001, 664 - en secrectón de bicarbonato, 685, 686! Anillo de porlirina. 595, 596! Anl6n, 22, tz.: • ~bsotdón tubulat renal, 626, 626! Ano, 619, 708, 708f Anorexia nerviosa, 111, 718, 719,121, m, 740, 745 Anquitina-l!, 484 Antagonismo, 41, 41f, 189, 190f, Z32 Antagonista, 41, 41f. 189, 190f - lrrel'l!IS1ble,41 - neurou=nñsot, 273c, 215, 386, 396<:: An!Mctdo{s), 703, 704, 710 • al¡;ajo!ls metabóUta y, 671 Antiblótlro(s), 778 Anttooagulante, SSl, 5531: • aunarlnl"" 552

Antloodón, 118, 120! Antlcolinesterasas, 386 Anllconapc!ón, VWe O:m(l¡¡l de la. natalidad Anticonceptivo o!al, 846c, 847 AntiCOnceptivos hormonales, Implantes. 846c Anticuezpo(s), 38,537,779, 786c, 1S8, 789,7891,790, 7901, 79lf antlespomnatozolde, 847,849, 856 ant!oñrtco, 847 antitiroldoo, 236, 800 estructura, 790, 790! fundones, 790, 79lf grupos sanguíneoo ABO y, 798!, 799 en lnfecdón bactertana, 794f, 195 en infección viral, 19.5, 796! en Inmunidad pasiva, ·788 en inmunocltoqulmim, 216 en ledl~ materna. 853 en mJastenla g;aV!s, 274 obtendón medlmte ingen!u!a gen~tlca, 800 en tea«<ónal&gita, m, 7971 transporte • po! endodt~ mediada por I!"Cepto!eS, 149 - en sWm~a cardlovascular, 458, 451k - po! trarud.tosls, 153 unl6n;790, 79lf Antldepreslvo>, 317,3$6 - t!lddlcos,317,3S6 Antígeno[s), m, 797 antiruerpos que pmducen agrupamiento, 790, 79lf eritrodticos, 798, 7981, 799c • Jeucocttarlo humano (HLA), 798 - pépt!dos, 695 - piOStátlro especif!o;o, 97c Antlhipertensivos, Sl3, 528 Antihlstamlnlro, 787 Antilnflamatorlos para la gota, 631 Antllnf!amatortos no ~eroldoos, 189, 755 : mrna. péptlca y, 703 Antioxidantes, 22, Z37f AntiprotGsas, 786 Antlto:til1a tmmca, 447 Antitromblna m, SSl, 553c - folkular, 840f, 841, Mlc """' • gásttioo, 679, 6SOf

Aorta, 459!, 460, 466!, 467f, 502 - presión, 460!, 505 Aparato cttcu!atorlo, 2, 3!, 4c. 52, 457, 4591, 5011, Véase también f/tqo smguinea; Vasc ~ Aparato dlgestlvo, 2, 3f. 4t, 676, 679 anatomía, 678, 680!, 681f romo batrera de &Cmsa, 778, 784 control autónomo, 3801 epltcllos, 73, 73~ 679, 68lf, 685 función y procesos, 677, 678! hoanonas, 689,691, 692c, 693c, 730 Inmunidad y, 7f1J motllldad, 678, 678!, 682, 683f. 684!, iOOe pared, 679 reguladón, 689, 690!, 691!

• sroedón, 678, 678f, 684, 6841, 6851, 68tíf, 687f,.

"'"

Aparato genitourlnarto, como bamra de defensa, 784 Apanto lagñma!,. 359 Aparato urina.t!o, z, 3f. 4c, 61.5, 616! Apatato vestibular, 348, 3481, 355, 356f Apatato yuxtaglomerular, 6171, 618, 624, 624! Apéndice, iOS, 708! Apetito, 717 Apnea, S79c - del.sueM,314 Apolipop¡otcina, .526;725, 726! ApoprotclnaA. 725 ApoS, .526, 725 Apoptosis, 81 de célu!M Infectadas por Vinls, 785 • células T dtotóxlcas y, 193 • del OlelpO amarillo, 843 - en enfisema. 59<\ Aprend!za¡e, 317 asociativo, 317 hipocampo, 308, 308! noasoclativo,317 potendadón a latg:o plazo y depresión a !argo p!aW,

'"

stsrema lí!nblro, 308, 308! ~añas,

nomrotoxlnas producidas por, 270 Alea de asociación, 309, 309! ·

auditiva, 3091 mo'..Ota, 309f, 311 prefrontal,.3091 senslt!va, 309f

-""'

Áre;J.deBroca,320,320f

1rea lntelGpsulat, gtaSa parda, 743 Area preganglionar, 379, 379!

Área de Wemltke, 320, 320! Aleas motoras, 309, 309f · Ateas sws!tiVas de !a ~rrez:a. ceteblaJ, 309, 309f Ailitóteles,Z,302 Atomarn>a, 7531,829, 829! Arritmias, 2S4, 483, 484, 528 Artel\3.{1), 458, 459f, 501, SOlf, 502, 50U an:uata, 616f

hepática, 459f, 460, 68Sf pres!6n. 4.60f, 505! pulmonar, 4S9f, 460, 4661, 467!, 561 reilal, 459f, 460,615, 616f, 618 retlnlana,3S9f ~ronarta.;, 459f, 460, 465, 467f Artedola{s), 501f, 502, sou, 503 aferente, 617f, 618, 619f,62.0f • re;tstenda, 623f, 624 control !oca!, 511,511c, Stzt: • por o:dgeno y diMdo de o;:a;bono, 580, 580c,

""

rontlol simpático, 380!, 509, .512, 5Hf • termonegu!ad6ny, 74.2 efurente, 617f, 618, 619f;620 • reslslw.da, 6231, 624 p¡es!6n, 460[, 505f resimndapertfálm, 464,507, 508~ 509,510! - distribución =guinea y, 514 • ta;a de .filtradón glomeru!ar y, 6Z3, 623! Arterlapatía COl"anarla, SM, S25, Véase también ÚI{I11W
Astlgmatismo,363 Astroctto, 250f, 252 Ataque canfuro, Véase JnfiUIIJ de mioamil<J Aterosclerosts, 150, 525, 52if colesterol y, 525, 725, 727! - diabetes y, 526 • hlpo;rtw¡ón y, 528, 528f - músculo Uro y, 422 Átomos, 20,201, 160 • comblnad6n, 27, 27c "ATPslnta;a, 109f.UO ATI'a$a, 142, 143c, 143! ATPm de sodio y pomlo (Na+-Kt-ATPasa), 14, 131, 142f, 143, 143e, 143!, 145 glucósidos catdiaro$ que aW:tan, 492 mantenimiento dcl gradiente elktrtco y, 165 po!endal de ao:Jón y, 262 · en trnruporte ttansep!te!la! de glucosa, 152, 152f, 153 Anes!a, 1M2 AtriOpEptina, Véase Pépti.:O natriwitico ab"ia! Atlofia, 67, 233 - multWstán!m, 3fl7 • músculo, 420 Atropina, 273c, 386t Audi.ct6n, 32&:, 347, 349f, 3SOf, 35lf,352f, 3S3f - !OC".lllzactón de! estímulo y, 333, 334f - receptores sensitivos, !96, 196f, 329, 329f Aurlcula, 459!, 465, 466 - derech3, 459,4591, 460, 466~ 467! • Izquierda, 459f, 460, -%6!, 467 A=ltactón, 486, 580 Autiml.o,226 Antodigert!óD, 6n Autoiregulac!ón mlogénlta, SIO • de la tasa de filttadón glomerular, 624 Autoooma, 822, 823f Autoto!ernncta, 777,799, 799c Axón(es}, Z44c, 246,2471. 248f, 249 canales de sodio, 259, 260f conducdón de potendales de acdón afectados • m!ellnlzadón y, 266, 2671 mielín!ros, 266, 267! neurona motora somática, 388!, 390 neurotransmiso¡es autónomos sintetizadas, 383 regeneractón, 284 Axopla;ma, 244c Ayuno, Véase&mdo~ alma<:enamtento de ene:Ig!a. y, 722 - aminoácidos como fuente de glucosa durant€,

"'

• COOWJttad.ones de glucosa y, 729 AZT, 779 Azíltar de la ledle, Véase Lad!lsa Atufre, 21

B

llactet~as, m, 778, nsc co!ónlcas, 709 • encapsuladas, 778 • teSptlestllnmune, 783, 785, 78Sf, 790, 791, 791!, 794, 794f Balance de caldo, 614, 642,766, 767f oontrol hormonal, 768, 768!, 76~ 770c, 770f cortlsol que afetta, 754 hlpe¡paratlrto!dlsmo y, 752, 759, 165, m homeomm de fosfato y, riñones en la reguladón - vasopres!na y, 64{;, 647!, 648! llalancedeca!or, 740, 741f BaJan(e de electrolitos, 642, 643! Balante h!drico, 614,643, 644~ Véase tamb!én&lllmce

no

"'""'

contzc!lntegrado, 659, 660c, 66Zf mecanimtos conductuales, 658 tli!.ones en la regu!ad6n, sos, 509f, 614, 644, 644f, 661, 662f asa de Hen!e romo mnlt!pl!cador por conttacoirl.entey, 649,650, 65lf concentrndÓII de orina y, 634, 646! Ingresos y txcredón y, 644, 644f ptes!ón arteda!, volumen. osmolarldad y, 648,

'"'

BalaUOl de poWlo, 614, 642, 656, Véase también Hipetpol=m/o, Hipopotasemia anorexia y, 721,745 fjetdctoy,812

equilibrio átido-base y, 657, 663 paráfuls periódlca y, 412, 419, 430 potendal de a«ión afectado por, 269, 269!, Véase ta.mbién!ánpataslo potendal de membrana en reposG y, 163, 164f, 253, 269, 269f, 656 =eción de al¿osterona y, 653, 656 Balante de sal, 614, 642, 652, 653! - hi.¡xl!lltremla y, 642, 645, 658 • mocanlsm~ ronductuales, 658 • ·secredón de. aldostwma y, 653 Balance de sodio, 614, 642, 652, 653f, Véase tambtén

Bakw.adeagua - ttiponattemi.a y, 642, 645, 658 - mecanismo ~nductual, 658 - secrectón d~ aldostetona y, 653 Banda A. 399", 401~ 402! - durante la conttao:ión, 403, 404, 404! Banda 1, 399, 401~ 40Zf - dutante la conttao:ión, 404, 4G4f Bantlng. FrederitkG., 213,236 BarlllWrlro, Z73c Baro~ptores, 196, 5Zt, sm, 660<: - aórticos, 521, 52lf, 660<:, 661, 66Zf - aurictl!are;,660c

- del cuerpo CMOtídeo, 521, 522!, 660c, 661, 662! Barrera hematoencefállrn, 69,299, 299f. SQ3 llarreta hematotest!cular, 833 llarrera !llOro-bicarbonato, 703, 705! Base del comón, 465, 466! Base nitrogenada, 32, 3Zf • C"Odlfitact6n de aminoácidos, H4, llSf &se del pulmón, 562! Basófilo, 5371, 538, 539f, 541f. 782, 783f, 787 Bastones, 365!, 366, 366f. 367f, 368f .Bayllss, w. M., 691 !lazo, 780f, 781, 7Slf Beaumont, Wll!iam, 677 Beoroato,615 Benzoato de potasio, 138, 254 Bemard, Claude, S Berthold, A. A., 213 Ses!, Charles H-, 213, 236 Betab!Qqueante, 191. 386{, 528 - pan-Infarto de miocardio, 479,495 B!tapa fosfolip(di.cl, 53, .53f, S6f B!guanldas, 739<: 8Ulmlbina, 545, 5451, 68Sf, 689, 705 Bills, 545, 545~ 689, 693, 705 Bi~tka,93

B!oesfera, 2, 2f 1l\oma,.6 Blamolkula, 27 Biotlna, 97 Blsfosfonatos, 771 Blanqueamiento del pigmento vtsua~ 367, 368! B!astoctsto, 849, 850! Bloqueante de los canales de ¡;a!Qo, 191, 521, 528, 529 Bloqueante ·del receptor d€ hlstamlna, 191 · Bloqueantes de 1~ receptores de angloteru!na, 191, 528 Bioqueantes.de los recq¡tore; Hl, 191 Bloqueantes de los receptores HZ, 704, 710 Bloqueo aurirulovent!lcu!ar,. 4SO, 483, 483! llorn,678, 679, 699, 700f Bocio, 212f, 213,761, 761d. 762f Bolo allmentldo, 684, 684f, 699 Bomba respiratoria, 491, 494!, .506 !lOl'de en cq¡lllo, 693, 694! Botón slnápt!ro, Véase Tmnlr.adM a.>:énica Bayl.e, Robert, 566 Brad!canli.a, 431, 760 Bra
,_,

Bronquios, 561, 562f, 5631, .564! Bronqll!Ol primarios, 561, 562!, 5631, S64f Bronquitis aónlca, 559,561, 569,581,582 Brown-Séquanl, Charles, 213 Bucle de respue>ta, 195, 195f, 198f • bucle> de 1etroilim~ntad6n que m!XIulan, 199, f99f,

'""

Bude de rettoallmentadón, 195, 1951, 199, 199!, 200!,

151 en control de la reproducción, 829, 83{lc, 830! positiva, 199, 200!

- en control de repmducctón. 829, 830c, 630! • en potendal de acción, 259, 26li, 265 - en shock, 510 para VÍa hipotllamo-hlpofi.saria, 227, 22Sf Bulbo olfatorio, 331, 3f3, 344! Bulbo raquldoo, 295f, 296, 304!, 305, 305f, 311,337, . 337f,338c • · pro<:esamlento sensitlvo, 331, 333f 1lul1mla nerviosa, 745 Bulla, 81,573

e

Ca2+, Véase JM calrio CaZ+-ATPasa, Vtase Caldo Kfl'as4 Czdena alfa, 595, S96f cadena beta, 595, 596f cadena delta (óJ, 595 Cadena y, 595 Cadena liviana (lnmunogiotullna), 790, 790! Cadena liviana (mloslna), 423 Czdena. pesadas {lnmunoglobulina), 790, 790f cadhertna, 69c, 70, 7lf Cafeína, 282,315 ca¡a torádrn, 560, 562f Calambre muscular, 420 Caldfetol {1,25-dJhldroxl-l'itamina D3), 2151 Caldflcadón, 79 Caldo, 21, 766 absordÓII, 698 • hormona patatlroldea que afecta, 769 romo fuctor de coagulación, 552, 553c, 766 «<no seda! Intracelular, 180, 181, 1811, 182c, 184, 1851, 186, 187!, l88f, 766 para liberadón de neurotransmisores, 271, 271! medidón, 188 potendodón a largo p!aw y, 282, 282! transduo:ién del gusto y, 345, 346f, 3471 en unión llEIIIOIDII5rula!, 391, 39lf ton0111trad.ones sanguíneas, 766, 767, 767!, Véase también Balm!a de rold11; lfrpm:alamla; lfporo!atrJ4 en conmo.:ión m~ 4061, 407, 408, 408f • dutad6n, 412 - múscnlocanifaro, 471,472, 472f, 473, 473f - mfuculo Uso, 425, 4.25~ 426, 427f, 502, 683 oorpo!al total, 767, 767f

aec:!mlento óseo y, 765 fundonesfu!o!óg!cas. 766, 767c hlperparali!Oldismoy, 752, 759, 765,772 Ingreso, 767 monltortzadón paratiroldea de la concentrndón, 224, 2Z4f, 768, 769<:: - anormal, 192c osteoporos!sy, nt ~bsordón tubular rena~ 626f • honnona paratlrto
_,

Caldo ATI'asa, l4:k, 408 Caldtonlna, 2151, 236, 756, 757!, 770, 77{lc Caldtdol (vitaml.na D3), 215!, 769, 769<:: Cálculo renal, 618, 633, 636 - de áddo fulco, 618, 633, 636 - de¡;ajcto, 759,771 Caldesmona, 427 Calmodulina, 18Zc, 186,425, 42Sf, 426

"""

agotam.lentopot, 744,812,818

balance, 740, 74lf entrada de, 740, 74lf golpe de, 744,808,811,812,814,815, 816, 818 !ndice de, 743

,.

Índice analítico

Índice analítico

Compensación ~iratolia en tnmlltllo dcl equilibrio ácido-base, 666, 666f COmpetencia, 40 - !
H6f Complejo de ataque a la membrana. i86c, 787, 7S7f, 794, 794! Complejo~ Golg!, 60f. 66, 661, ltlf, 122 - en s!ntesis/aJmacenamlentojllbemjón de hormonas peptidir.as, 213, 2191 Completo mayor de bistorompatlbilldad {MHC), 7S6c. 791, 79J~ 795, 7%f, m Comple¡o motor ffiiQatorio, 683, 702 Complejo QRS, 4&1, 4811, 4S8f Olmplejo ~itamínkO B, 97 • alr,orctón, 698 OlmplemenWldm mo!ewlar, 39 COmplemento, 78&, 787 • activadón, 790, 79lf, 794, 79Sf Compuerta de !nactivadón, ZS9, 260~ 261! Comunicación intetttlul~ 9, 175,1751, 177f • en el aparato emliovaso.dar, 4SS en el sistema nervkm, 176, 117f. 270 • • !nt
- atocinas, 176 •

~!esnema!es/homiQIW/neurohonnonas,

176,

177f Comunlcactón loca!, 175, 17Sf, 176 - dt<Jctnas, 176 Ccnrentladón, 35, lSS, 156 • ósmosis y, !Si, 15Sf, 156c • tonkidad y, 157, 158f. 159<:, 1S9f C0ncenttad6n iónica . - potmctal de acción y, 261 • potenctal de membraDa y, 162,252, 25k Omcentradón de orina, 645, 6%f Condencta, 312 · Condón, 846c, 847 Condón femenino, 846c Condrob!astos, 78c Condrodto, 765, 766f - implantado, 77 Omducdón deealor, 741, 741f ConduOOón del potenctal de acción, 263, 263f, 264f,

"''

- ene! rornzón, 4n, 477f, 4781 - m!elinizadón ammea que afecta, 266, 267f - tomado de axón, 266, 266f Conduo:ión .sa!tatoria, U7, Z67! CondUcta, 292, 302 ad..'ttlva,316 - nicotina y, 377,390,392 balance de .sa! y agua y, 658 cognitiva, 292 - aprendWjey,3l7 - !engua[e y, 320, JZOi -. - memoria y, 318,3181, 319t· !ngesta de liquidas y, 658, Véase tamblén.Agm!,

"'""'

motivada, 316 ptevenctón de desh!dratadón y, 658 Conductanda, 254 Conducto arterlt110 pemstente, 533 Conducto aúdlttvo, ~47, 348, 34Sf Conducto cetlttal, 2%, Z97f, 298! Omductu codear, 350, 350f, 3511 Conducto colector, 617f, !>18, 61?, 61~ 619f• roncentr.ldón de or'.na d~, 645, 646! - cortical. 652 Conducto defurente, 83Zf - desarrollo, 82\\f, SZS, 82Sc • ligadura en la vasecomla, 847 Conducto eyaculaOOr, S32c Conducto hepátiw común, 63Sf~ _ COnducto lacrimOnasal, 3S8f Conducto de Miil.ler, 8241, 825, S25t, 8Z6f Conducto de Sctllemm. ~SS. 359f Conducto timpánico, JSO, JSOf, 3Slf Omducto vestibulill, 350, 3SOf, 3511 Conducto de Wolff

O:mductos ~emtruculares, 348, 3481, 355, 3561 Conexlna. 69, 70~ llf, 176 C0n&6n, 176 Cono, 365f, ~66, 366f, 367! Cono o promontorio
• captldón de glucosa y, 732 eventos eléctrlros mednleos, 409, 409f evento$ moleculares y, 404, 405! !:somfulca, 417, 4l8f, 419f !wt6ntca, 417, 418~ 4191 . metabolismo y, 808, 809f, SlOf músculoca!d!aoo, 397, 429, ~ 470, 470f , .oonduo:ión eléctrica en roo!dlniD6n, 477, 477t 478! músculo esquelético, 397, 402 o:rúsrulo liso, 397, 424, 42Sf, 4Uif, 427f, 428f, soz • apruatO óigestivo, 682, 683f. 684f sumadón, 413, 415f _ teoría del desliz;lmlento de los filamentos. 403, 403!, 404f, 4051 tipo y cantidad de unidades mototaS y, 416 troponlna y tropomloslna en la regnladón, 406,

"'' "'

Contracción segmentarla, 684, 6841 Contracción tónica, en músculo liso gastrointestinal, Conllacrlón ventricular, 480, 482f, 48$, 485f, 4Sllf • extrasíslo!e,484 • iwvolumMca, 485, 48Sf, 4Sllf - presión arterial y, SM, S04f Contt:acd.ones flisl.cas, del músculo liso gastto!ntemnal,

"'

Contt:a«iones ut!!rlnas, SS1 - oxitoctna queafeaa, 199,2001, 21St 226,851, SS2f, 854 - retroalimentación positiva en e! control, 199, 200! Contr.lctilldad, 490, Vél.se también MIÍWIW oudfaro - • oontro! neutal y endocrlno, 491, 491f, 492f Conttaste, en p¡ocesa¡nlento de ~eilales retinianas, 369 Control, lO Control-antagonista, 192, 194f, 198,232,246,379, 380f - de la frealenda cardfa.o:a, 489 Control del dolor, 342, 343 COntrol !oca!, 194, !9Sf Control de la natalidad, 846, 846~ Control nemoso, 194, 195f.. 202, 202f, 203e, 200', 205c Control neuroendocrino, 202, 205, Véase también

--

Control tónlro, 192, 1931, 198,379 - deartW.olas, SI3, S14f • de la frealencla ardiaca, 41)9 - de másculn liso, 428 Conrngencta neuronal. 278, 278f, 437 - neurona sensitiva, 331 - en !a retina, 364, 365f Conmgencta de ondas luminosas, 361, 36lf Coruón, 459f, 465, 46Sc: actiVidad eléctrica (electrocatdlograma), 480, 480f,

4SU, 4S2f, 483! anatom!a, 459f, 465, 466f, 467f, 46Sf, 469f ronducdón, 476c. 477, 478!

- control antagonísta, 193, l94f. 380f - desarrollo embriológioo, 465, 46Sf - lrrigactón, 465, 466f Con16n umbilical, 851f Corion, 849, 85lf Córn~ 359,3591 Corona radiata, 848, 848f Corpúsculo de MW:mer, 339c, 339! Oirpúsculo de Padnl, 329f, 339, 339c, 339f Corpfuculo renal, 618,620, 62lf Cotpúsculo de Ruffinl, 339c, 3391 Corriente e!ktrlca, 271 eomenre !ónlea, 254 COrte y empalmealtwativo, 116!, U8, 119f

'""~ auditiva, 309!, 310 cerebral, 307,3071 áre1s funcionales, 309, 309f • ln!ormactón sensitiVa procesada, 310 - lnregtactón del movimiento y, 448, 441k. 4!9, 4491, Véase tamblál 01/tWJ, motora gwtativa, 3091, 3ll motora, 309f, 311 - fntegtadón del movim!enw, 449, 449f . - primaria, 309f, 311 o!latOria, 309f, 310,331,343, 344f ovúlo:a, 837 promotora, 309f renal, 615, 616f, 617f SOmato!EllSitiva, 3G91, 310,337,3371, 338c, 338! - prlmarta.309f,310 supratrenal, 214f, 21Sf, 219, 221f, 228!, 385, 385f, 751,7521 visual, 3091, 311, 359, 3601. 370, 370f • organlzadón Wpográfica, 370 Co!ticotrop!na, Véase HormotU~111iwwrollic~ Cortiw~~· 29!,-130, 21Sf, ~lf, 752, 753, 7531, 754<", e!erddo que afecta, 810 esOO y, 753, 762, 81)2 exógeno, 232, 232f, 235, 755, 800 neutolnmunomoduladón y, SOl secredón, 752, 753, 7531, 754f <:antro! ponetroallmentadón, 227,2281, 753, 7531 • hipemqeclón, 232, 2321, 234. 2341, 755, 755! - blposeaectón, 233, 235, 2351, 756 - ritmos dro!dlanos, 201, 20lf, 753, 753!, 754f sinergia que afecta, 231, 231f vida media, 220 Q¡~diplttoíae,791

~6n,218

COtransportador, 139, 140!, 144, 14-k • reabso!dón tubuhr renal y, 627, 627f - de tracto Gl, 6SS Couansportador bid.l!ecdonal hidrógeno-potasio, 144c - en secredón de áddo gártrlw, 6SS Cotransportadorbldlreo:ional NKCC, 144t, 145,165, 6SO, 65lf, 652 • en seaectón de NaCl, 686, 687f • en uansporte ~tellal de gluw;a, 153 Cot:tanspOrtador b!dlre<:clonal sodio y amon!aw, 667 Cottaruportador b!dlrecr:ional de sodio y caldo, 14-k CottanspOrtadot b!dlrecdonal sodio e hidrógeno, 144c,. 557,667,68$, 686f Cotransportador de captadón de sod!o y oollna, 144c Cotramportador de captadón de sodlo-neurotransm!sores,l+k Cotraruportador o cotransportador b!ditel.tional, 139, 1401, 144, 144c Cotransportador o cot:ransporto.dor biditecdonal b!carbonato
en transpOrte ~pite!ial de glucosa, 153

Cráneo, SI, 296, 297{ Creat!na, 30 Creatinctnasa, 97t, lOO, 410, 410! • eil Infarto de miocardio, 479, 495 Creatlntna, 614, 633 Crecimiento, 761, 764,854 oono de, 283, 2831 factores de, 216 • deriV<~dos de !a glla, 2-50 gtáflcos, 764 hmmooaz hipolliar!as antetio1es que afectan, 229, 230f, Véase tambJWHcmltilla de aeclmiem;; hmmonas tiroideas que afectan, 759, 765 hueso, 764, 765, 765f, 766f monttomadón, 764 tejldo, 764,765 Crenaóón, eritrocito y, S4lf Cresta (aparato wtibu!ar), JSS, 356f, 3S7f Crestas mitocondrlales, 64!, 65 Cretinismo, 760 - aeclmtento y, 76S CRH. Véue Hl!ml011a liberadora
• X. 822, 823, 823f • Y, 822, 823, 823f CSF, Véase FrutrJT estimu/adQr Mo;lo1!ias Cuarto ruido catdiaco, 486 Cuel!outtt!no, 67, 75, 199,837, 838f, 839f • desartollo, 825t Cue!da nervio$!, 293, 293! . Cuerdas tendinosas, 467f, 468, 469f Cuerdas vocales, 561, S62f CUeq¡o alb¡cms, 840f, Mle, 843 Cuerpo aórtl(!), 604, 60S Cuerpo de Barr, 823 CUetpo basal, 62 Cue!pO callOlO, 304!, 31)(if, 307, 307f, 308 CUerpo carotldeo, 604, 605, 60Sf Cuerpo celular, 244c, 247, 247! - lesión neuronal y, 284 Cuerpo t
Cuerpo del estómago, 679, 680! CUerpo estriado, Véase Ganglios basaks Cuerpo lUteo, 837,839f, 840t 841c, S42f, 843,850 CUerpo polar, primero y segundo, 827, 828, 8281, 842 CUerpo vítreo, 359 CUetpo/n(¡deo gen!cu!ado lateral, 296,359, 360!, 370, 370f Cuerpos cavernosos, 833 Cuerpos densos, 424, 424f Cuestiones Meas en experimentos en~= h = , 11 ~.273c

Cum de dlsoctadón de la oxlhemoglob!na, 597, 597f . - factores fuico:; que afectan, 598, 598! Cum presión·volwnen, ddo card!aco, 486, 41)7f, 4Sllf Cun•a de Starllng, 490, 491f Cushlng, ~mey, 75S

o l-desantino-8-arglnlna vasopres!na (DDAVP), 696

1,25-dihidroxivitantina D3, Véase Caki{frol l,ZS-dihldroxtco!~, Véase Cakifriol 2~ (2,3-DPG},598,599f Dalton, John, 21 Dalton (Da¡, 21 DatWpoyetina, SS!, 555 Datos, 10 Dedbcl (dB), 349 Dtcllltrp(dL),36

Ddecadón, 679 • rellejo, 679, 708 Defidenda de factor IX, SS4 Oefidmda de factor YU, S54 Defidwda de factor VIII, 554 Defidendade oxigeno, 810 Deglud6n, 699, 701! Oegtadad(m de protánas, 43, 61 Dthl~p!andtosterona (DHPA},

752, 753!

DemWUa,319 Dendrita, 246, 247[, 248, 248!, 270 Depresión, 282,317 - slnáptlca a largo plazo, 281

Dermis. 83f Desaminad6n, 101, lll, lllf, 727 Demninasa, lÓOC

OesaríoUo embrlológl.:o, S24f, 825 Desarrollo fetal, 824!, 825 Desarrollo sexual, 822, 824f - femenino, 823, 824f, 826 - masculino, 823, 824f, 825 Derechos melabóllros, uarnporte en sistema ca!diovasOl!al, 4SS, 4S8c Deseru!bll!%a
-"'

- dln!m[(!), 130

- elktriro, 131, 160, 161~ 162 - quím!<:O, 130, 13lf, 161! Desfosforiladón, 181 - en relajiDón de múso:ulo !!so, 426 Desgranuladón, 782, 787 Desl!!dratmón, 154, 159, 657,659,661 conducta de wttadón en la pmenct6n, 658 diabrttes me!Utus y, 736 diarrea y, 709 e¡erddo y, 8IS ~tas renal y ca!diovas¡;uiar, 661, 662f Deshldrogenasa, lOOc Desmayos, SOl Desmopreslna, 648 Desmosoma, 70~ 71, 7lf, 83 - en disco interca!Ollo, 470 - en clntutón, 71 Desnaturallzadón, 42, 42f, 97, 702 Deroxinibosa, 321, 33 Despertar sexual, 844 Oesplatamlento de doruro, 601, 665 Despolar!z¡¡dón, 165, 166f, 423 en
__ ,

~n,27,28f

·

Diabetes lns!plda, 192c Olabetesmellltus, S, 115, 175, 179, 183, 191, 193, 197, 201, 206, 212, 213, 722, 734, 73Sf cet¡¡¡¡ddooJs, 736, Véase timb!in Cetoadd!Js4 cromoy,23 dimeili osmótio:a y, 546 e¡ero.ctoy, 816, SI6f enfamedad canl!ovascular y, 526, 738 enfermedad renal y, 623, 738 evacuadón gástrlc:a ta!d!a y, 702 fámlacos en el tratamlento, 738, 739c gasttopawla, 702 g<s~adonal, 850 lnsui!liodependlente monttorlzadón de hemoglobina y, 545 neuropa~

• tipo 2, 179, 183,206, 735, 736, 739 - ejetddo y. 816, 816! - • rawnes ogutl como modelo, 757 Diad!g!icero! (DAG), !81c, 182, 184, lSSf Diáfisis, 765, 766f Diafragma (control de la -natalidad), 846, M6c Diafragma (músrulo), 51, 521, 560, 562f, 569, 570, S70f, 571, 511!, 572 Diafragma de Wlggm, 487, 488! Diilisis, 628 • peritonea~ 628 - - ambulatoria continua, 628 Diarrea, 192c, 621,644, 709 • osm6tica,709 • secretora, 709 Dlmole, 484, 485! - auricular, 484, 48Sf - ventrlrular, 484, 485!, 4881 mencrnlo, 295f. 296, 305!, 306, 306f Dieta(>) - cetogén!cas, 729 • credmlentoy, 761 - metabolismo y, 720 Diferencia de potendal de membrana en reposo, 160, 161f, 165f. 166f de dlula autorritm!o:a mlocltdlca, 473, 473! de célula. contrictil mlocárdlca, 252 definldones de remrlnología y, 162, 165, 166f eruactón de Goldman·Hodgkln-Katz que predic~,

252 med!dón, 162, 163f permeabilidad tónit:a que afecta, 165, 252 potasio y, 163, 164f, 2-53,269, 2691,656 potmda! de acdón y, 258, 259, 259f, 2601, 2611 sodio y, 163, 165! Dlferendadón, 58, 59f, 82 - célula nerviosa, 2-52 - sexual, 824!, 825, 825<: Difteria, 791 Difusión, 132, 1321, 133f, 134<", 136f equilibrio y, 133, 133f fadlltada, 1321, 137, 140f, 141, 142f d~ gases, 588, SS9f !ntettamb!o .:apilar, S17 ley de Flck, 135, 136f, 588 propiedades, 133, 134<: ritmo, 135 simple, 132, 13Zf, l34c, 135, I36f

• degases,58S

a través de membranas, 132, ~. 135, 136! Digestión, 678, 678~ 693, 700f, Véase también Aparato dlgi!$11vQ tasecefál!e.~, 6~9,

701f. 704f

fasegástrit:a, 700, 70If, 7031, 700, 705f

fase !ntet!nal, 704, 705~ 706f, 7071 hidratos de cazbono, 693, 694f

y abson:ión de grasas, 693, 696, 696(. 697!, 69Sf, 707

Deyodlnasa, 758 DHT, Véase Dihidnirnlllstmma Dlabele$ de lnldo juVenil, 735, Véase Dklbm; mellitus detip!Jl

1·7

702

neuropatía autónoma, 387 no llml!lnodepend!ente pruebasdeotina, 614 retinopatía, 503 ti~ t, 179, 191, 73S, 737c, me, 800

Dlgltal, 492,525 Dlgltoxina, 492 Dlgllctrido, 29f D!bldrotestosteron~, 753f, 825, 829, 829f; 833 D!morllsmo sexual, 822 Dlnel:na, 62, 63 O!nolfina, 342 Dióxido de C
efectos va>Qact!VOS. Sllt

cllminiDón en !o:; pulinones, 601 hemoglobina y, 601 Intercambio, 588f

iones blcatbonato y, 599 mod!flcadón del pH po~ 664, 666, 666f, 670, 670C, 611 presión parcta!, S66c, S89, S89f, 590, S90c alveolar, 578, 579f. 59<1, 590f arterial yvmOS3, 590,5901: control arteriolar y bronquial y, 580, 5&0c, 581f curva de dlsodadón de la oxlhemoglobina • afectada por, 598, 598f · en edema puimo-nar, 593 hiperventiladón del ejerck!o y, 811, 812f monttotl:/.ación por qulmioneceptores centrales, 604, 605, 605f, 606f

1-10

Índice analítico

Índjce analítico

F.rnmulo (Cont) intensidad, 3:H - o:odlfkadón, 203, 203<:. Uit, Ui3f, 334, 336! loca!luctón, 333, 334f modalidad, 332 SWSitivo, 328, 32&: supraumbral, 258 Estirnmlento cemcal, 1151, 852f Estómagn,679, 680!, 68lf, 700f ~ gástr!ta de la digestión y, 700, 701f, 7031, 7041, 7051 - hormona;produddaspo¡; 214~ 21Sf • pH, 685 Fstradlol, 22tt 753!, 829, 829! Emeil.lmlento, 709 Estteptoctna.sa, SS4 Estrés, 130, 225, 802 cort!so! y, 7S3, 751, 762, 802 =ientoy, 762 - ejetddo que afecta, 817, 817! • fundón inmunitaria y, 802, 802! • ~.ormonas afectadas por, 225 Estrlbo, 348, 34Sf • en tzan.sdu:oción de sonido, 349, 350f Estrlcnina, 273c Esttógeno(s), 21St 219, 22If, 829, 829!, 843 ambiental, 831 romo ~denante del trabajo de parto, 8Sl deficiencia en manopausla, 855 • O'!!OOpotO$iS y, 771, 8SS durante el ddo meosttual, S40f, 841, M2, 842f,

"'

plao!ntatio, 850 sup¡arrenal, 752, 753f Estroma,S43f • médula ósea, S43f - ovárica, 837, 839f Estrona, 829 Estructura cuatemarla de una ptot~, 30f, 31 Estru«ura primaria de una protelna,' 30f. JI EstntdUl:a serundaria de una protefna, 30f, 31, 122 Estructura tm:iaria de una proteína, 30f, 31 Estudio d!nlco ron grupo> auudrn, 10 Estudio clinlro con grupo> OUD.drn y doble \'.ltlllAS(2r3• miento, 11 Estudio ron enmascl;tamlento, 11 Estudio doble enm=ramimto (ciego), 11 Estudio longitudinal, 11 Erold!oprospect!vo, u. Estudlo~vo,ll

Eupnea, S79c Evo!UI;l6n • del sJsttma nervioso, 292, 293! - de lrn $iStemas fts!ológlros, 7 E:<.amen de conduo:ión nervlom, US, 270 E.mnen de densidad ósea, 771 1'.1:dtabilldad, 252, 258 - caldo y, 766 . __ . . Excredón, 130,614, 619f, 620, 631, 632f, ~

""

Exen'.!Jna-4, 738, 739.:: Ex~.

149!, 150 en llbeiadÓJl4e neuronas pept!dkas, 218, 219f en neumnos, 271; 27lf • en ¡eguiactón de receptores, 19(1, 191 • S«re:Jónd.einrulinay, 166, l67f • en trarudÍlcdón de sedal~ por caldO:, 186 . Exoftalmo,¡, 761; 763! ' 1'.1:ón, 118, 119! Exopeptidasa, 695, 69Sf Expansión dooal, 788, 789

-"'

con animales, !4, 236 ronsldeiadones MO!S, U • dlsello, 9 - formatos, u • lnterpretadón, lO

Extendido de Papan!colaou, 51, 67, 81, Slf, 84 1'.1:tenst6n (mov!mlento), 398, 398! Exttasístoles ventrtc:u!aiá, 484 E¡.lcu!adón, 845 · Eyoo:lón ventrlcular, 485, 485f Eletlm!be, n1

F Facilltadón presináptlca, 279 • tknkas de V!sualizadón y, 438 Facto! l!nd"udble ¡m hlpo.W {Hl:F-1), 541 Factoractivadorp!aquetarto, 549, SSOC Factor de ctlula mame, 54Gc Factor de la coagulación 1, Véase Fibrina factot de ta cooguladón lL V!ase Trom!lrna Fadcr de la coaguladón liT, V~ Ftutcr ti!ular Factor de la coogulad6n IV; V!ase Calcio factor de la ooaguladón Vlf, SS!, 552f ~Factor de la coagu!adón xn, SS!, SS2f Factor de la coogulactón XIII {factor etabililador de la fibrina), 551, S52f, SS3c Factor de credmlento den"vodo de las plaquetas, SS\)(; Factor de cw:imlento endotella! vascular, 504 Factor de aedmlento de llbrob!astos {FGI'), 504 Factor de aedmlentosem$nte a la Insulina, 21Sf, 227f, 230!, 763, 763f - credmlento óseo y, 766 Factor de .teia¡act6n derivado endotelio (EORF), 429, Véase también Ó.rldc ni/Jiro Factor detean!nante de lrn testltulrn, 824f, 825, 826f Factor estabilizador de la fibrtna (úctor XID), 551, SS2f,

""

Factor estimulante di ro!oPlas, 540, S40c, S42, 793 Factor lntrúueco, 698, 702, 703f Factor de necrmis tumoral, flcllre y. 743 Factor neumtt6flw, 283 factcr tisular, 548, 549!, 551, S52f, 5531: Factcrde transcripción, 3S, 116,221 Factor ttansfonnadm de credmlento ~. 829 Factor tr6Jiro, dero>ado de la glfa, 250 · ¡:aqo(. de von Wll!ebrnnd (vWF), 550<:, 553 FAD (Jlavina adenlna dinucleótldQ), 33 FADH2, 95, 95f, 101, 103, 108, 109f Fagocito, 148, 148f, 538, 782, 783f, 784, iSSf, 794f, 795 fagocttos!s, 148, 14Sf, 538, 782,784, 785f, i94f, 795 Fagosoma, H8, 148!, 7SS, 786f Faringe, 561, S62f, 678 FAnnaw fibrinol!tko, 554 Fám!Kos analgésicos ~275,342

FAnnams antid!Wétlcos. 738, 739c Fármacos antlplaquetartrn, 554 FMmaoosantltre!roVItales, 777, 779,803 ·Fármacos antiv!rales, 778 Fármacos hlpolipemiantes, 727 fimta<:OS.lnottóp!oos, 491, 491! Fármaoos urlcosfu!cm, 631, 636 ~.793

Fasc!tul!), 398, 400f F3.le de ca!da del potenóal de acción, 258, 259f Fase cef.llica, 699, 701~ 704f Fase credente de potendal de acdón, 258, 259! Fase de l'Xdtadón de la respuesta rexua!, &« Fase foUcu!ar, 837, 840f, 841, 84lc, 8421 Fase follru!H ta!dla, 841c, 842, 842f · Fase foli<:ntu"temprnna, 841, 84lc, 842! Fase gástrica, 700, 701f, 703!, 7041, 70Sf Fase lnt<stinal, 704, 70Sf, 706!, 707f Fase lútea, 837, 840f, 84Z, 843 Fase de meseta - potendal de acdón miocirdlca, 473

• respuesta sexual, 844 Fase ¡xmvulatolla, Véasef= /úta Fase proliferatlva, 837, 840f fase dewo!udón de la. fase sexual, 844 Fase S«<etora, 840f, 841 Fatiga periférica, 411, 4llf Fecundación, 822, 827, 828, 828!, 848. 8481 Ferundadón In Vltro, 847,853 Fenilefrlna, 3S6c Fenómeno de todo o nada, 258

fo;romona, 216, 343 Fer:ritina, 544, S4Sf fGF, Véase Fnctlir dt aa:imlenro k ¡ibrob/IU1J)S flbta alimentarla, 694 flbradecontratd6n lenta, 41Z, 4131, 414c, 416 Fitrradeconuatdón n\plda, 412, 413t 414c, 416 Fibra dktétlca, 694 · ffora glurolltica de contracd6n rápida, 412, 413f, 414<:

flbra intrafusa!, 439, 4401, 441f Rbra de la. mall:iz, 77, 78c Ftbra mUSCillar, 398, 39&:, 4Óof, 412, 413f, 414<: derontracdón !mta, 412, 412f, 414 exttafusal, 439, 440f, 44lf glucoU!kas dewntracdón l<'iplda, 412, 413f, 414c glurotíticas-oxldatlvas de rontra<:ctón r.íplda, 412,

413 del mUscuJ.o canl!aro, 470, 470! del m(&u]o Uso, 422, 423f m llllldad motora, 415, 416f Fibra nerviosa, 244o:; vese también Az6n

• SOmatoserultiva, 340, 340c Fibra proteica, 61, 61c, 69, l!Of Ftbra de Pu.!!dnjr. 417, 478f Fibras A¡l (A·beta), 340, 34!k, 341 Fibras Ali (A-delta), 340, 340c

flb¡as

c. 341), 340c, 341

Fibras efutleas, 77

• en arterias, 502, 502f fibm S~amatosemlt!vas, 340, 340c Flbrntos, 727

f"Ibtilatión, 479, 483f Fibrilaó6n auricular, 4831 f"tbllla.dOn ventricnlar, 479, 483f fibrilllla, 77,80f Fibrina, 548, 549f, 551, 552f. 5531: Fibrin6geno, S36, 53&, 551, SS2f, 5531: Rbrlnóliili, 551, S52f, SS3c F!broblasto, 76, 78c, 78f, SOf, 150 f"!bronecttna, 69, 77, 80f fjbrosl; quíst!ca, 14, 129, 139, lSl, 157, 161, 168,254, 568,685,686 F!tbre, 744, 787 Fiebre de aguas negras, 614 Rjadón de oxígeno, S95 emuctura de la hemoglobina y, 595, 596! factores ffslros que afectan, 598, 598!, 599!. 600! ley de acctón de masas y, 595 P02 pla.su!~tlca y, 594, 59Sf, S%, 597, S97f porcenb]e de saturadón de la hentoglobina y, 596, 597f Fi]adón de prote!nas • factores que afu;tan, 40, 40f, 4lc • modulad6n y, 40, 41c, 41!, 42f - selectividad,39,39f Filamento delg;!do, 399, 400f, 40lf, 402f - durante la rontra«!6n, 403, 404, 404f Fdamemo grueso, 399, 400f, 401f, 40Zf • dutante la contracdón, 403, 40f, 404! filamentoltltemedio, 61, 61o:; 62f l'"rlgr¡l$tlm,S42.

f"dtrad6n de aire, 568, S69f capllar, 517, S18f glomerutar, 618, 619f, 620, 620f • presión hlcko;tátlca caplbi y, 621, 6221 en nefrona, 618, 619f, 620,6201 autoneguladón, 6231, 624, 624f, 625f COtpÚS<:UIO renalfbaneras para la filtración y, 618, 620, 62lf, 622f ho!lllona!/neuron3.l autónomas, 625 prulón artellal/!lujo sanguíneo renal y, 622, 6231 presión hidJO$l:átlta capilar y, 621, 622f fllllbrles, 837, 839!

f"masterlda, 833 Hslolog!a, 2

dencta, 9, 12 como denda integradora, 6, 7f evoludón y, 7 lunctón y procesos, 3 hollleO$!aSiS y, 3, 4f, Sf mapas, 6, 7f~ all~ del genoma, 6 niveles de organl!ad.ón, 2, 2f renal, 615 twla$ (con~os.dave), 7, 7c

l'"l$lopatología,S fJStu!a.677 fitoestrógmos,831 FlagelO$, 62, 62f, 63

Flato, 709

flaVina adenina dlnucleótído (fAD), 33 F!t'llling. Alexander, 41,631 Flexión (movimiento), 398, 398f Flujo, 136 aire, 565, 569 axoplámlico, 244c, 249 delíquldo reiadon~ entre presión, volumen, res!stenda y, 460, 461!, 462f, 463!, 465f. sos, sos~ so1, 5081, SlQf, 514, SlSf . . tasa de !íltradón glometu!ar y, 623, 623!
Fósforo, 21 Fos!tas recubiertas de datrina, 149, 149i fotorre;eptores, 330, 33Qc, 364, 365f, 366, 366f, 367!,

""

Fotosíntesis, 90, 91f Fototransducd6n, 364, 364f, 365f, 366t 367f, 36Sf fóvea, 359, 3S9f, 364, 36Sf, 366f fucctón de eyecdón, 493 Fracción de !íltractón, 621, 622! Framir.glmm Heart Stlldy, 11 Frank, Otto, 490 Fm:uenda catdlaca, 193, 194f, 479,481, 494! • control autónomo, 475, 489, 490f Fm:uen:da de las ondas sono¡as, 349 FteCUenda resplnnorta norma~ 5791: Fricctó¡t, pérdida de presión y, 461, 461f

Ftío, respueswdel cue1p0, 743, 744f fructosa, 2Sf, 146,694, 707 semen, 836c fSii, Véase Harmana {ollculoestimulanu Fuerza de van der Waals, 26 fue.-m de Sbrling. 517 Fugu, 270 Fundón integrada, 6, 7f Fuochgott, Robert, 188,513 furosernlda, 651

G GAJ!A, Véase Áddc 'f"'>riiiOblltiriaJ

Galacrosa, 146,694, 707 Galanina, 718<: G3!eno, Claudli>{lle Pérgamo), 377,536 GALT, Vfase Tq1dc lfu(oide /I!Wtinal Gameto, 822, 826, 827 Gametogénes'.s femenina, 827, 828f Gwetogénesil maso.ilina, 827, 828f, 834, 835, &3Sf Gametos prtmar!rn, 827, 8ZSf Gameto; seomdatios, 288~ 827 Gammag!obullna, 786c, 788, 789, Vfase tambifu

..,._.

Ganandadecalor pot radladón, 741, 74lf Gangllo{s), zso, 293, 293!, 379,380! autónomo, 379, 379f, 381 basal~. 30Sf, 3071, 308 - en enfermedad de Parklnson, 450 • in~ón lid moVimiento y, 448, 44&, 449,

4<91 de la raíz dorsaL.302b, 310 linfáticos, 519, 780!, 781 ¡maslmpát!oos, 381 simpáticos, 381 • modilkaÍlrn, 386 - paravertebrales, 389 Gangllfuido, en enfmnedad de 1lly-Sacbs, 96, 98, 123 Gangrena, 526 G= a1te como mezda dr. 565, 566c romo moléculas reiial, 187, Z73c, 275 wmo neurotranmlisores, 27.k, 275 conducta, 566 difwtón y so!ubll!dad, 588, S89f presión patcta~ 565, 566c Gastrina, ZlSf, 692c, 693c, 702, 703, 703f, 700 Gasttoparesla,7QZ GDP, VéaseG~tJJ Gen obtse (ob), 7.17 Gen regulado, 115, 116f GenSFl, 144 GenSOX9, 825 Gen SRY, 825, 8Uf, 827 Gen WT1 (protcina del tumor de Wr!ms), 825 ~nerador centra! ·de patrón, 445, 448, 602, 603, 603f C~neradot de pulso, 830 Genitales, 822 ambiguos, S27 • desarrollo, 824f

fen!eninos, 836, 838! • masculinos, 831, 83lf Genoma, 6

• del ratón, us • lrumano;6 Gestación, 849, Véase tamb!é!!Embrmw;l GHRH, Véase Hcrmor.a Ilbaa.Wra d~ 111 lwrm/11111 de aed-

-

Gigantismo, 764 GUman, A!fred G~ 183 G!P, 692, 692c, 693c, 705, 706f, 730, 738 Giro óngular, 304f, 308, 308! Glande perdano, 833 • desanollo, 824!, 82Sc G!!ndula apocrtna, 83f Giándulá bulbouretral {de Cowpa), 832!, 833, 836 Glándula er¡docrtna, 75, 71f, 213, 214f, 215~ 216 • origen ep!teiJBI, 76, 71f • ltllll.Ore>,232 Glándula exocrtna, 75 • origen epltellal, 76, 711 Glándula hipófisis, 214f, 2151,225, 2251, 30Sf, 3Q6, ~f, Véase también AdenQhip6flsl5,· Neurohip6jis1s

1-11

tumores, cortiso! secretado por, 2341, 235, 7:5$ Glándula lagrimal, 358!, 359 · Glándula mamzd3, 852, 8S3f, SS4f Glándula paratiroide;, 214f, 215!, 224, 768, 7681 - seruordeca!óo, 224, 224!, 768 • • anonna!, l9Zc Glándula pineal, 214!, 215!, 225, 236, 2371, 305f, 306, 3061

Glándula salival, 678, 68Qf, 689 Glándula sudorípara, 83!, 743 - control autónomo, 3801 G!ándulasuprmena!, 219,385, 385~ 751, 75Zf - tumor, cort!sol produódo po~ 235, 755 G!WCulas ma>cutinas acooorlas, 833, 836 • d-:sarrollo, 824f, 825, 82Sc Glándulas sublinguales, 678 G!!nduJa! rubmandibu!ates, 678 Glauc0ma,359 GUcerlna, 709 GUcao!, 27, 103, l04f, m, ll2f • en síntesi>deglurosa, 112. 1131, 723, 727, 728! • ms!ntemdet4Jidos,l13,114f

GUdna, 273c, 275 • receptores, 273c Gllw:onas, 739c Globlna, 543, 595, S96f G!obullna, 536, 538c , Globullna ligadom de hoanonas tiroideas (JBG), 758 Gl6bu!.o blanco, V!asel.eoo1ciro G!6bu!.o rojo, Véase Eritrocitc Gloméru!o, 616f, 617!, 618, 619f, 6201 GLP-1, Véase Pépt!IW 1 S!~Mjallll al gi!Kag6n G!ucagón, 193, 723, nst 728, 734, 734c, 735! como honi\ona antagonl$!a, 193, 734, 734c, 735f diabetes de tipo 2,. 738 metabolismo controlado, 728, 731t 734, 734c, 735f • ejmtdoy,810 secreción por las células (1,- 728, 734, 735f ~inergla que af«ta, 231, 231f Glucocál!z, SS G!uroctnasa, 100 G!l!«lCCrtlw!d~, 751, 7521 suprarrenales, 751 - uso terapétttico, 755, 800 G!ucógt!lo, 27, 28f, 91,694, 694! energía almacenada, 113, 721 gluo:ólliil, 104, tost 106c hlgado, n7, 728! metabolismo, no, uot, 722, 723f, n7, 77.81, 733, 733f músculo, 399, 727, 728f sintesls, 112, 722 G!ucogenogéne:;!s, 112., 722, 7231, 733 Gl~n6Usls, 110, UCf, 722, 723!, 727, 728f, 733 G!urolfp!do, 32, S4f, SS, 58 - en enfumedaddeTay-Sachs, 67,96 Gluo:ólli'.s, 1Q3, 104, 104f, lOSt 106c, 410, nt - anaerobla,410 • e¡erddo y, 808, 809f • :;ecred6¡¡ de !nrullna y, 166, 167f, 733 G!uroneogén~il, 112,.113f, 722, 723, 727, 728t 733f • rortiso! y, 754, 754c - efm:ido y, SQS, 809f G!Urop!Oteín3, 32, 54!, SS, 58, 69, 122 Glucosa, 26f, 27, 28f, 694, 7()7 acdón del glqón y, 734, 734c, 7351 dearanre, 634, 634f corno fuente de energía, 103,104, 104f,"10Sf, 106c,

m

722

diabetes y, 115, 175, 179, 191, 193, 197, Z01, 206, 213,722,735, VéasetambiénDia!lete3111f/litllS •

gestadonal, 8SO

fosforllaci6n,H2 . insulina que oiecta las concentraóon~ p!asrnát!O!S, 731, 732!, 133!, 734f metabolismo, 722, 723f, 729, 731f • defictwcia de lnsullna y, Véase tambi&!Diaretes mdlirus • ejm:ldoy, 808, 809f, 810, SlOf, 816, 816f mollna, 629,646, 722, 723f, 736 teabsorctón tubular renal - Ugad.J.a!sod!o, 627, 621f

fndice analítico

Índice analítico

1-12

Glucosa (Ct!r.t) • saturación y, 628, 6291,. 630f sec:rect6ndelllS'.illnay, 166, 167f, 197,203, 204f, 205,217,223, 2Z4f, 730

sinergia en el amtrol, 231, 23lf

"'""'

a partir del gllc:erol ode los aminoácidos, 112, 113f, 722, 723!, 724, 727, 72Sf • a partir del glucógeno, 110, HOf, 722, 723t 727,

-

""

en síutesls~glurogeno, 112, nz

ens!nteslsdepúuvato, 104,100, lOSf, 106c

wmpetenday, 146, I46f

por difusión fadl!tada, 141, t41f, 142f, HS, 146, 14& qectf!cidady, 146, 146<: tranwpltellal, 152, 152f

para uansporte activo, 145, 145f • para ronttacdón m~ 410, ses, 809i, 810, 810{

para neuronas, 112, 300, 301 umbral tena!, 629, 630f, 646, 722 GlnCQSa 6-fOlfatasa, 113, ll3f Glucosa 6-fosfato, 142 • en glucogenólisls, HOf, lll • engludi!lsis, lOS, IOSf, 142 Glueól!do cardlaro, 492, 525

Glurosiladón, 122 Glucosuria, 629, 646, 722, 723f, 736 Glutamatn, 273c, 274,

zn

· gusto umaml ásoctado ron, 345 • m procesaml.ento de mlale!i tet!nlanas, 369 Glutamato desltldrogenasa (GDH), 97c Glutamtna,. 668, 668!, 694 GMP ddlco, !Sle, 182c, 183, 188 Glllgl, Camlllo, 66 · Golpe fuma o tltón, 404, 405 • troponlna y tropomlooina en la. reguladón, 4116, 4061

Gónporteactlvo.seairidar!o,-144;144c, 144f • en transporte tran.sepltcllal de g!uwsa, 152; 152! Gradiente eléctr!co, US, 161!, 162 · • escala relativa, 16lf, 162 Gt3dlente de presión, 460, 460f, 462, 46Zf, SOS, SOSf - solubilidad de !O!J gases y, -589, 589f Gráfico de barras, 12 Gráfico de d!spetslón, 13 Gráfico de flujo, 6, 7{ G!áliro lineal, 13 . G!áficos, 10,12 Granuloclto, 538, 782, 783f Gránul!» corticales, 848 Gtamima, 786c, 793 Grasa bhnca, 7&:, 79! Grasa parda, 77, 78t, 74Zf, 743 . Grasasttans, 29 Gre!Ina, 690, 717, 71&:, 719 Gtipe, 79S G~Upoamlno, 27c, 30f,31, 111, n9

n,

- en reatctón de Intercambio, 101 Grupo talboxllo, Z7c, 30f, 31, 119 Grupo fOOatn, Z7c, 100, 1Z2, Véasetamb!él Foo(tm?dn - en reacdon~ de !nte!t"
Grupo funcional, ZJ, 27c • en reatctone.; de !ntettambio, 100 Grupo hemo, 543, 544, S95, S95f Grupo sang¡únen ABO, -58, 798, 798f, 7991: Grupo sanguíneo Rh, 798 Grupo sulfhldrllo (úSH), 31, 31f

GTP, Vé!se Guai!O$Intrl(ásf¡¡t¡¡ Guanili\dcl~ 18tc, 183,188 Guanina, 33, 33f - rodificadón deruníno.lddosy; llS, ll6f Guanoslndifosfato (GOI'), 183 Guanos!nmonofosfato, ddloo (GMP ddirob:GMP), !Sic, ll!Zc, 183, 188 Guanoslntrlfasfato (Gll'), 103, !Sic, 183 Guillemtn, Roge~ 229 Gustdudna, 346 Gusto, 309f, 32&:, 345, 346f, 347! ácido, 345, 346, 347f amargo, 345, 347f dul~ 345, 347f receptores sensitiVos, 196f salado, 345, 346, 347f

H 21-hkknxllasa, 7-53f S.hldrox!trlptamlna, Véase Serotorrlna 5-HT, Véase Serollmina H+, Véaselfulrogení61! Habllldade$fS!!adales, !atefallzactón rerebnl y, 309, 3!0f Hablll.dades verbales, !aterali¡;ad6n cerebt3l y, 309, 310f Hambre, 717 Haplo!de,822 Hatvey, Sir Wllllam, 457, -536 Haiutros, 708, 7081

HazdeHls,477 HbA (hemoglobina A), 595 HbAlt (hemoglobina A1t), 545 HbAZ {hemoglobina AZ), 595 Hb1' (hemoglobina f), 40, 546, S95, 599, S.99f HbS (hemoglobina S), 546 Hebe!er, l'eter, 608 Hebtawdifi.cmte, 116, 117f Hebt3 no rodlflcante, 116, 117f He«:s, 679, 707,708 H~ n, 30f, 31, 122 Hdlrollacterpy/M, 671,682,687, 703, 710

Hellrotrema, 3-50, 351f Helio, 20f; 21 Hematocrlto, S4lf, 542 Hematopoyesls, -538, S39f, 54(lc, 543f Hl'lllldestnQSQma, 71, 7lf, 83 Hemlsferectomía, 321 Hemisferio <mbnl, 297f, 307 Remod!állsis,628 Hemofilia, 554 Hi!~~!ogloblna, 40, -540, S93 amorttguadones de H+ y, 601, 66-5 ;monnal, en drepanocltos!s, S46 ron«ntradones sanguineas, S41f, 594 dlóxl.do de <:a~bono y, 601 d!ngas en sangre y, 542, 547, 555 estructuta, S9S, 596! - CIIM de 1ilsocla®n de la oxlhemogloblna akc· tada por !OS cambios, 599, 599f lllpe¡gluoon!a y, -545 lsoformas, 40, 595 s!nWis, 543, 54Sf ttan.sporte de oxígeno, 593, 594f, 602f • trastnmm de Jos e!ltlodtos y; 546 Hemoglobina A, -59-5 Hemoglobina Ale, 545 Hemoglobina A2, -595 Hemoglobina co¡puscula! medla, S94 Hemoglobtna f, 40, S46. 595, -599, 599f Hemoglobina fttal, 40, 546, S9S, 599, S99f Hemoglobina glucosllada, 545 Hemoglobina S {HbS), 546 Hemograma, 540, 541f Hemorragla,54S,66I • O!fcllnl,506 • hemoglob!na/tlansporte de oxígeno y, 594 Hendlduta de IDtractón, 620, 621f ·

Hendidura sinápHa, 247f. 249, 27(1f, 271 • lmctlvadón del neurotrarumlsor, 277, 277f Heparlna, 471, S5l, 782, 786c Hepatocitn, !30, 688f, 689, 706 • transportadores Gun; 145, 733, 7331 Hettt{l:k),349 Hexoctnasa, 733, 733f Hexosa, 146 HexosallllnklMa A, 96, 98, 101, 123 Hldr.!tode <:a~bono, 27, 28f, 693, 723 como fuente de enetg!a, 103, 104, 100, 10&, 723, 72<1 - p3!3 másotlo esquelélko, 113,410 digestión y abson:lón, 693, 694f, 695f, 706 membrana, -54c, -54f, 58 metabolismo, 722, 723, 723!, 724f, 72Sc • defídenda de !nsullna y - eje«:!Oo y, 808, 809f, 810, 810! en mo!&ulas combinadas, 32 Hldrogenlón, Z2c, 37, 37{ ~n alteracton~ del equilibrio áádo-base, 670, 670.,

671 ~n equlllbllo áddo-base, 237, 642, 663, 664f produtdón, 664 .secrectón tubular renal, 667, 66Sf sÚl*Sl.s de ATP asociada al movimiento, 109 Hldro!asa, lOO!:: HidróUsis, 100, lO!k: Htdrox!a~tita, 765, 767 HldroJdurea, S46 Hlenu, 698 • del henlo, 698 • en sfntest:s de hemoglobina, 544, 54Sf Hígado, 679, 680f, 688f, 689, 706, 7(17f g!w:agón, 734, 735! b.ormGnM produdda.s por, 214f, 21Sf producción de glucosa en-estaOO de a:mno y, 727, ·

'"'

proW:inal plasmáticas p1oductdas por, 536, 53St uansporte de glucosa y, 733, ?33f ~ra,459f,460

Hillary, 5lr Edmund, 608 Himen, 837, 83SI Hlperblllm!blnemta, 19k, 766 Hlpercalcemla, 192c. 766 - hlperparatirol!llimo y, 7-52, 759, 765, 772 Hipercapnla, 590, -599 Hlpercolettero!emla, ISO, 725 Hlpercortlw!lsmo (hipe=eción), 232, 23U, 234, 234f, 755, 7S5f Hipercort\sQUsmo tatrogútlco, 7S6 Hlpetcorti:soll.smo primario, 234, 755 ffipercortlso!lsmo sromdar!o, 234, 755 ffip
__

,

ffi~73S

- hemoglobina y, 545

Hipermetropía, 363, 363f ffiperparnt!roldlsmo, 71, 7-51, 752, 7-59,765,772 Hipetplasia, 765 Hlperpnea. 5i9c, 811, 81Zf Hlpelpolarltadón,l65, 166f, 253 Hlperpotaseznla, 269, 656, 657 • famJJlar, 192c • potenctaldeaedón afectado por, 269, Z69f ffipe¡prolact!nemla, 854 Hipme:redón prlmarla, 234 Hlpe!SenS\b!Udad - alautígeno, 797 • por dem.emclón, 387 ffipertemla maligna, 254,744 ffiperteruión, S01, 506, 507, 508, -510, -513, S21, S28,

"'

• enferm!!dad caniiovasctlla!y, -528, SZ.Sf ffipelW!Slón esencial, SOl, 510, S28, 529 - enfermedad o;ard!ovaseu!ar y, 528, -52Sf lnperttmtia, 7-44 - maligna, 254,7-44 Hl_pertlroldlsmo, 212,231,23-5,236,238, 760, 761, 76Zf, 799c, 800 Hipertrofia, 765

• cardiaca, hipertensión y, 528 • prostátka benigna, 833 Hlpennltwia, 618 Hlpemntlladón, 579<; 601, 606 actdosl.s y, 666, 666f alcalOSis y, 671 - porejeldtio(hipe!pflea),-579c,811,812f • hlpoxia pot a!tuta y, 601 • P02 y PC02 afectadas. -578, S79f H!poaGlSia. 3-54 centra1,3-54 • dai\o por ruido y, 349 • de conducción, 354 • neurosensortal, 3-54 Hi_pocalcemia, 766 Hipll!:alllpo, 30Sf, 308, 308f, 318 Hlporortlsollsmo (hipow::recl6n}, 233, 235, 23Sf, 7-56 Hlpócrat5. 2 Hlpoaetlna, 71&, 719

Hlpoderm!s, 83f Hipoglucemia, 300, 729 cortt:sol y, 754, 754! - gtucagón y, 734, 735f - respuesta endocrina, 73-Sf • tejido nemal/encffa!o y, 112, 300, 301 Hlponatrerola, 642,645,658,659,661,665,611 • dHudonal, 658, 665, 671 Hlpopotasemta, 269, 656, 657, 659 • anerexla y; nt, us - potenctal de acdón afe«zdo, 269, 269f Hlpopro!act!nen:da, 854 Hl~ll, 213,233, 23-5,235! - secundarla,234 Hipotálamo, 30Sf, 306, 306!, 311

funciones, 306, 306c, 311 !ngesta de alimentos y; 717, 718c, 7181 lngesta de bebidas y, 658 !eSpllestl.S autónoi!W y, 378, 379f, 3SOf ~ón hormo~l y, 214f.- 215f, 225, 2251, 226, 226!, 2Z7, 227f en tetmonegulaclón,-741, 742f

Hipotensión, 506 · - ortostállca, 523, -5241 Hipotermia, 744 Hipótesis, 9 Hipotiro!dl.smo, 760, 761 • creclmlento y, 765 Hlpoventilac!ón, S79c, 591 • P02 y PC02afectallaspor, 578, 5i9f, 591, S9lf Hlpox!a, 458, 590, 59lc, 6(16 por a!tuta, 592,-593,596,601 an&n!ta, S9lc aónlca, -598 efu:tos vasoactlvm, SU

hlpóxlca.- 59tc hlstotó~ca.. 591c !squémlca, S9lc en shock, SU sintesls y llbetact6n de elitropoyettna y, 541 Histam1na, 176, 273c, SU e, 512,S76, 786c,-787 asma y, 581 ~emay,S20

• Hbetadón de basólilos, 782 - .secrectón de dlulas similares a las enterocromafines, 7(12, 703, 7(131, 700 Hlstiod.to, 782 Histograma, 12 Hlsto\ogfa, 6S Hlstoplasmosis, 178 HMG CoA rWuaasa, 727 Hodgldn, A. L., 258 Homeodlnámlca, s Homeostas~s, 3, 4f, 51, S. 9f, 130, 131€, 191,548, -549f, celular, 130 coaguladón, 538, 549f, SSOf, 551, 552f, S-53<: control local y, 194, 195f o;mnol metabólico y, 728 control !dlejo y, 194; 195! control de la tem.peraturawtporaly, 741, 74U • ejetddoy,8l5 deshldt3tadóny, 154, 159,657,659,661 dlencéfaloy, 306 ~6n autónoma, 378, 378f, 379f

Hqu!dos y electroHtos, 614,642, 643f postulados de Cannon que describen, 192 reguladón de pH y • rlñones,614 - sistema resp!tatorlo, S-59, 664, 666, 666f sal, 614,642,652, 653f, 658 mtemasde contto\,8, 9f, 191,1921 tapón plaquetarlo, S48, 549, 549f, -5-50!, S51 v:osoconstrttctón, 548, 549f Homeotenno, 74Q Homods!eína, 30, 526 Hongos, na HO!lD.ona, 75,176, l77f, 197,202, 204t- 212,2141, 215f, 692 · actiVidad enzimátlca y, 723, 724f, 725f am.lna, 214!, 21Sf, Zl&:, 222, 223! antagonista, 232. illl~teshlstórlcos, 212 pata anllron~ón, 847 balance de calcio y, 224, 224f, 768, 768f, 769c, 770c,

nor

cM.sica,213 dasiftaclón, 2.141, 21Sf, 217,2181: conrenttactón,216 en control de !lli1sollo liso, 429,-512, 514f mntrol de !a reposidón y, 829, 8291, 83(1c, 83Qf creclmlento, 21Sf, 227f, Z30, 230f, 761 delldentia,/hlposecredón, 213, 233, 23-5, 2351 definldón, 213 dlgmtva, 689,691, 692c, 693c, 730 ejen:lcloy,810 ~teroldeas, 214f, 2151, 21&:, 219, 22lf, 222f evolución, 23-5 exruo/hlpersecredón, 2!3, 232, 232f, 234, 234f lng~ deallmentos y, 717, 71&:, 718f lnmunodtoqulmlca en el estudio de, 216 lntencdones, 230, 23!f, 23Zf lnten!«iones dcl sistema Inmunitario/sistema nerVIOSO, SOO, SOlf, SOZf mecanismo O!lular de atctón,. 217 metabolismo afectado por, 720

neurolnmuno!lloduladón y, SOl patn\og{a; endocrinas y, 212, 212f. m, 234!, 235f pépt!do, 214f, 2151, Z17, 218c, Z19f, Z2llf, 22lf pennlstv!dad, 231 p~tarlo, Z141, 21Sf, 2.19, 849 producdón renal, 2141, 21Sf,61-5 recq¡tores, 176, tnf, 211,219,221,2211,751 • ili10!IIIale$,233 wlstenda artertolar y, 509 sew::ión, 216

- amtroJ. 222, 224! - emodón qu~ afecta, 225 • ritmos mtadlanos,.201, 201f sexuale;$, 2.01, 213, 214f, 21Sf, 219 sinergia queaf«ta, 230, 231f tasa de fi!ltadón glon¡etutar y, 625 Impla de reposición. 213 tennlnadón de !a acdón, 217 tiroideas, 212, 215f, 218c, 2Z2, 2Z31, 228 ttansporte, 216 • en sistema ca.rdloYa5cu!ar, 458, 4581: v!as metabóllca.s controladas pnr. 723, 724f, 7isf Hormona a!kenocortirottóplca, 215f, 227f, 228f, 230, 232, 23Zf, 234, 2341, 235, Z3Sf, 753, 753€, 756 • para esp3SlnO!J Infantiles, 300,315 - tumores seae~antes, 234f, 235, 75-5 • uso terapfutlro de esteroldes y, 755 Hormona antldiUiéHca., 21Sf, 226, 27-5, 6%, 647f, 648f, 662!,663, ~ am.Jogo .siruWco, 696 anglottllS!m ll que afecta, 655, 6S5f mmova=nstrlctot, 511c enuresls noctuma y, 648 sea«<6n, 648, 649f, 662f, 663 secred6n inaproplada, 671 Hormona antimül!erlana, 824f, 825, 8261 Hormona cláth:a, 213 HO!lD.ona c:oncentradora de melanina (MCH}, 71& HoiillOna de crecimiento, 2t5f,227 ,230, 230f, 761, 763c, 763! crecimlento óseo y, 766 - eje¡ddo qrnl afecta, 810

1-13

~Óll, 205, 227f, 762, 7631 • rltmosbiológkos, 201,762, 763f Honnona de ll!!ctmiento humana (hGH) recomblnante, 764 Hormona de o:ectmlento humano, 764 Hormona e:.:ógena,-232 Hormona fo!ícrioesfimulame (fSH), 2ISf, 2271,230,

'"

• en ddo merunuat, 84llf, 841, 84Zf · en espenn.ltogtl'.esls, 835, 83-Sf Hormona lnhi.bldora de la hormona de o:ectmiento, VéaseSw.atostatiJm liormona inhlbldora de !a prolactina, 227f, 853, Véase tambl~ Dc¡mmin¡¡

ijormooa l!berado!'3 de CO!tlcotroplna, 227f, 232, 232~ 234,235, 23-Sf, 71&:, 753, 753~ 756 - placentaria, cnmo desencadenante del trabajo 4e parto, 851 Hormona l!beradot3 de g:omdotrofina (GnRH}, 227f, 829,1330

en ddo menstrual, 1341, 842f en espetmatogénesls, 835, 835f llberadón pulsáHt 830 pubenad y, 854 Horm.ona llberi!dora de la homtona de crecimiento (GHR!f), 227f, 762, 763f Horm.ona libtrado!'3 de hormona lute!nlzanre (U!Rll), VélseH()f11liJn(l/lbmldcm de $G1UIIfotropina$ Ho¡¡¡¡ona llbetadora de la prolact!na, 2.27f Hormona llben
""

- bucles: de retroallmentadón, 227, 228f Hneso, 79, 76S, 765f, 7661 caldo, 766, 767, 767c, 767f • -movillzadónpori'TH.768 compacto, 765, 765f, 766f

-~~ 765 reron:!ón, - osteodastos, 7fi!, 768f • osteoporosls y; 711, 77lf ~765,765!

Huevo, 827, SZ.S, 8281, 842, Véase también Omdto fertt!lzact6n, 822, 827, 828, 828f, 848, 848f, 849f,

~·

--r 1~14

Índiceana!ítico

Índice analítico

Humedzd, 811, 8HI • golpe ~e cdor y, 808, SU, 812, 818 Humot aro=, 359, 359f • ~n glauooma, 358 Huro mu.~dar, 439, «
la!Iogenia, 232 !bu¡nofeno, 189 rcterttia,S45 !den.tidad.$&Ual,827 activad6n, US, l16f • • por hormonas estero!dea>, ZZl, 222f • ¡epreslón, us, 116f - • por hOm\OlJ,lS estero!deas, 221, 222f !gA. 790 !gO, 190

,..no

• en wacd6nalélglca, 797, 797f lgG, 789 • en tmcd6nalé!glca, 797, 797f !gM, 790 !gnam¡, Louis, 188,513 tioon, 679 Imp!antadón, 849, 850f Implante codear, 354 rmpotenda, 387, 845 lndus!ón, 59,591,61 lnrontlnenda lllllwla, 387 lncretlna, 70S, 730, 738, 739 lndl~ de masa wrpotal, 764 fndl~ metab6llco, i20 Inducción, HS, 116f Tnern.dón, 24S • antagonistl doble, 379, 3SOf Infarto de mlocardlo,341, 457,461, 4n, 479, 484,489, 494,527 • diagnóstico, 411,479,484, 494 · • tratamiento, 461,479,484,493,494, SS4 lnfe«!ón porHIV/SIDA, m, m, 793, 795, 798 - tratamlwto, 777,779, SOI, 803 lnfecdón urlnarta,. 615 Infertilidad, S2Z, 834, 843, 847, 849, 853, sss lnf!amación,519, 779, 186, 786c, 794, 794f • ant!ruerpos, 190, 79lf • ateroesdewsts y, 525, 5Z7f • neaomy,81 !nfurrnadón auditiva, Véase también SOni® • !ocall2adón, 333, 334f Infund,lbu!O; hlpoftsatlo, Z25f fn5en!erla gmWca de hOllllona de credmlento humano, 764 • metabollsnm y, 720 • potendill de aectm\en!O y, 76Z en tratamiento del duro, 800 !ngm¡de alimentos, 7l7, 7l~ 71Sf Ingesta de sal, 65Z, 653f · Inhibición latml, 334, 33Sf por producto final por retroalill!entadón, 102, lOZf ~tica,279,280f,ZSlf presln~('.a. 279, 281f

redpmca, 4:13; 444 en reflejo ile müseulo esquelético, oP,9, 442. lnhlb!dor alostérioo, 41 ' !nhlbidor de !a bomba de protQlW. 7M, 710 lnhib!dorcompetit!vo, 41; 4lt 232 · • s!rlema de trarupottedeghloo;a, 146, 147! Tnhib!dor de la COX2, 139 lnbíb!dor de !a emima ronwrt!dora de angtotensilla, $13,521,528,655 . fnhibldot de !a proreasa, 1n, 779, 803 Inhlbldor ~ectivo de !a ~§u .¡Je serotonlna (ISRS), 191,311,386 . . InhlbldOies, 41, 41f, 102, 102f lnhlbldores de la alfa glucosa, 73~ Tnhib!dores de la n.gtuOJsidasa, 739c fnhlb!dores de la colinestetisa, 3S6 Tnhlb!dores de la monoamlnooJddasa, 386 !nhíblna, 21Sf, 8Z9

• m ddo menstrual, 840f, 841, 842! lnldado: (c:odónde !nido), 114, 11Sf Inmunidad, m actl'v:a, 788 adaptativa, 779, 784, 787 adquirida, 779,784,787,795 aparato digestivo y, 709 humoral, 779, 789, 794, 794f Innata o coo.génita, 779, 784 mediada porcllulas, 779, 791, 793!, 795, 796f pasiva, 788 lnmlll'.oci!O, 538 !nmunocltoquímica, 216 lnmunodeflcienda primaria, 777 lnmunodclictmctas adquiridas, 777 • región en bisagra, 790, 79Qf • región Fab, 790, 790f !nmunosupresor, cortiso! como, 7:55, 800 !nos!tol !Iifosfato, 181~ 182c, 1&4, 18Sf.186 Insecticidas orgar.ofosforados, 386 Inseminación lntrautertna, 853, 856 InsErción muscular, 398 !llS(}mnlO, 314

!nspiladón, 560,570,5701, 571f !nsuficlenda can!!aca, 492, 508, 565 • edema y, 520 ~ péptido nattllnético encefállco como marcador, 656 lnmfldenda caid[aca «Íngertiva, 528, 565 Insuficiencia renal • d!állil;,628 • hipertensión y, 508 • neiropatfa diabética y, 623 Insulina, liS, 179, 191, 193, 197, 206, 21Z, 128, 728c como hormona anal>óllca, 731. 732f, 733!, 734f como honnona antagonista, 193 contentractones de glucosa reducidas po~ 731, 732!, 7331, 734! aectmiento tisular y, 765 deficiencia, 735, Véase también Diabetes mellfM descubrimiento, 213, 236 d~tes de tipo 1 y, 735 d.iabetel de tipo 2 y, 736 Inhalada, 739\: metabolimlo conttolado por, 728, 73lf, 736, 737f origen animal, 236 producción por las células p, 728 proho;mona, 218, Z1.0I secred6n, 166, 167!,197, 203, 204f, 205, Z17, 223, 224!, 728, 729, 73lf • elerc!doqueafecta, 810,816, 816f VÍa de uansducción de sellales, 183 Tntegrodón po;tslnápt!~ 279 !ntegrtna, 69;:, 70, 71f, 179f, 184,283,549 plaquetarias • • antagonistas,- SS4 • • defectos, 554 • rer:eptores, 179, 179f, 184 lntellget«ia artificial, 292 Intensidad del. estímulo, 334 • _ codlftcadón, 203, 203~ 261, 263f, 334, 336f Intensidad del sonido, 349 Intera~ón ment~XUeq¡o, 800, 80lf, 802f !nteracciones encéfalotnmunlta&s, 800, aolf, 8(}2f Interacciones nem:oendocrlnolnmunltarias, 800, 80lf,

""'

Interacciones no'cova!entes, 26,56 Interacciones de proteínas, JS Tntettamblador de calor por contrnorliente.. 650, 650f Intmambio de gases, 559, 560, 560f, 588f, 589 en los alvéolos, 561, 590f • Cl!llb!os de la membrana alveolar y, 592, 5nf • en !os pulmones y los tejidos, SSSf, 589 • tras!Qmos qtt~ alb!ran cl, 591, 59lf, 592 Tntelfuón, 78$, 7~ • fiebre y; 743 lnterfetón 1.1,- 785, 795, 796f Tnterferón p, 786 l!)tetferón y, 786, 793 Interleucina (IL), 540, 54!k, 787, 793 • fiebre y, 743,787 • secredón del timo, 79Zf tntedeudna·l (IL-1), 786c, 787 Intermediario, 101

!nterneurona, 24-k, 246,247, 24St 296 • lnh!bitoria, 439,442 • en 1eHe¡o de flexión, 444, 446f !ntemlo P·R. 41!0, 4Slf, 482! Intervalo Qi: 481f Intestino delgado, 679, 6S(}f, 700!, 706 Tntest!no grueso, 679, 6S(}f. 7001, 707, 70Sf Íntima (tíinica Intima), 502 !ntolernnda a la lactosa, 707 lnto:ticadón por hlrno, S44 lntron, 118, ll9f lnulina, 632 Tnvaginadón, en endoclto% mediada por ~ores, 149, H9f lnvestlgadón en animales, 14, 236 • modelos de ratón mutante, 268 Tnvet!gadón traduccional, 7 lnye
Lact<m, 694, 694f, 707,709 Umlna basal, 72, nf, 83f capilar, 503 • ctluLl, eyitelia~ 72, 72! • folkulo ov.lrico, 8401, 841c • nefrona, 620, 621f Lámlna externa, 80 Lámina propia, 679,6311, 682 Lamlnina, 69

digestión y allio!Ción, 693, 696, 696~ 697f, 6981, i07 estructura,27,Z9f hldtato; de carbono de la membrana unidos, 53 membrana, 54<:, 54~ SS, :S6f metabolimlo, 71.2, 723f, 72S, 72Sc, 726f • defl.cimda de lnrullna y, Véase también DWbdts mellitm • ejetdtio y, 808, 809f, 810, 810f en mo!&ulas combinadas, 32 sinteili, 1!3, 1Hf

Langerharu, Pau1,:J28

la!lZopraso!, 704 Laplate, !eyde, 575, 575! Laringe, 561, 562!, 563! Latenda (l'ital), 779 tawalizactón cerebral, 309, 310f Leche materna, 853

• insulina y, 733

"""""'""

• receptOies sensitivos, 1961, 345, 346f Lroguaje, 320, 3201 • !aterallzadón rerebia! y, 300, 310! Lente cóncava, 361, 361f !.rote convexa, 361, 36lf Leptlna, 215~ 717, 718~ 855 Wón de !a médula espinal, 284 Leutem!a, 541

""""'"'

en pa¡álisls periód!~ 412,419,4-30 potendal de acción y, 258, 259f, 261, 261~ 269, 2691, 656 respufSta al dolor y, 341 16n sodio, 22c, 24, 25f • potendal deaectón y, 258,259, 2S9f, 2601,261, 261f • • nrurotolánas que afectan, 269 Ión sulfato, 22c !m, 358f, 3S9f Islotes de Langtrharu, 685, 728, 730f !;oerulmas cardiacas, 96, 97c !soenzimas del citoaomo p450, 706 lsoenz!mas COX (COX 1 yCOX2), 181lf, 189 • aspirina y efecto sobre, 554 !sofotma, 40,96 • de conulnas, 176 • de !os canales iónleos, 254 • re:eptor, 189, 1901 !soproterenol, 386<: Isótopo, Z1 lso;:ima, 96, 97, 118 !squemb, 341, 461

Leucocito, 537f, 538, 539f, 78Z • po!!morfonudear, 783, Véase también Nrutro(ilo Leucopoyes!s y, 539f, 540 Leucotrieno, 188!, 189, 581 Ley de acdón de masas, 99, 99f equilfor!o iictdo-base y, 665 transporte de gases y, 593 - trarupOrte de horrno!lilS y, 220 • • - transporte de gases y, 593 • unión de !a oxlhemog!oblna y; 595 Ley de Boyle, :S65t, 566, 5661, 570 Ley de conset'llldón de !a cazga e:lkttica, 160 Ley de conservación de la ene¡gía, 93 Ley de Dalton, 565, 565c Ley de la difus!6n de F!d,-135, 136f, 588 Ley de equUibrio de masas,129, l29f, 500, 652, 653f, 677 Ley de F!ank·Starllng del corazón, 490, 491! Ley de !.aplace, 575, 575f Ley de Po!seullle, 463, 576 Leyes de los gases, 565, S65~ S61k, 566f. 589 Libido, 836 Ugadura tubilrla, !!47 Ugamento, 77, 79f Ugando, 39,137, 138f, 178, 179f agonistl y antagonista, 189, 190f esp«::ficidad y compe_tenda de w:eptores y; 189 gustO, 345, 346t 347f ml1!tiples, para un receptor, 189 receptores ml'lltiples, 189, 190f, 193 veloctdad de la mcdón afuctada por la concentración,43,43f Unea M. 399, 40lf, 402 Linfa, 519, 781 Linfocito, 537~ 538, 539t 541f, 782, 783f, 784, 788, 788f, Véase tambl~ Lin{odlil B; alu/a 1!4bm1/

K

• en Inmunidad adquirida, 788, 789f

K+, Véasel6npct¡W.o Ka!icrelna, 553c Klloca!oria (kcal o Caloría), 101, 719 Krnkauer, Jon, 588 Krebs, Hzru Al, 100 KristetiSSO!l, K., ?'J4

Linfocito B, 783t 784, 787, 788, 789f • en Infección bao:terlarul, Z94f, 795 • en lnfecdón Vlra!, 795, 796f • en reacdón alélglc:a, 797, 797! Linfocito natiVo, 788, 789f Linfocito T, 783f, 787, 791, 792f, 793f • en ~ón por HIV/SIDA, 777,793,795,801 • en rea«:i6n de hipersensibilldad retardada, 797 Lipasa, 100c, 111. 112!, 696, 697f • gástrica, 702, 7(}3f ·- !Jpoprotelna, 725, Wif • salival, 699 Lípido, Z7, 29!, ns, 726f como fuente de energía, 103, 111, 112f, 721,

• receptores NMDA afectados por, 277

Ión potas!o, 22:( aumentado, como vasodilatador, 511c fatlgam10CU!ary,411

l L-dopa, 300, 451

Laberinto, 348, 348f Labios mayores, 837, 838! • desa1t0l!o, sur, szsc Lab!osmenore;, 837, 838! • desarrollo, SW, Szsc Lactación, 850, 852, 853~ 8S-4f • oci!Odna y, 205, 2.26, 854, 854! Lattasa, 694, 694f, 707 Lactato, 106, 106c, 107f, 727, 728f LaC'.atodeshldrogenasa (LDH), 96, 97c, 106

ki/ler;Lin{ildtoT

.

725

• ejercido y, 113 como neurotransmisor, 275 como seilales paraainas, 188, 18Sf ror:tenldo de ene¡gía metabólica, 719

· en retfrulo endop!asmátlro liso, 66 solubilidad, 35 • batiera hematoencilllica y; 300 • d!fwión muple y, 132. 135, 136, 136! en tej!do adiposo, 77, 79! Lípogénes!s, 722, 723!, 733 Lípólisis, m, nu, 723f, 733 • rortiso! y, 754 Upoproteína, 3Z, 122, !SO, 525 U¡ioprotelna de alta deru!dad {HDL), :525, 725, 726, 726f Upoprote!na de baja densidad (IDL), ISO, :525, 725, 726, 726f Upoprotelna de muy baja densidad (VLOL), 725 Upoprote:lnllpasa, ns, mt Uposoma, SS, 56 Upoox:lgenasa, 188~ 189 Uquldo amniótlco, 849, 851f Líquido <:efalonaquídoo, 296, 298! Uquldoextracclular,4, 4f, 5Z,52f, 130, 13lf, 155, 155! caldo, 767,_ 767~ 767f cazga eltctt!ea y, 161, 16lf equillbrio/desequilibllo y, 130, l3lf osmo!uldad, 642 • oocrectón de aldosterona y, 653 potasio, 656 ' regulación, 614, 652, 653! del sistema nemoso tentral, 296 Líquido inte!$ticlal, 52, 52f, l3lf, 1S4, 1S5f aaneai,296 • presión hldr~tlca, 518 • rlftón, 650 • s!5!ema llnfátlco en movimiento, 519 Uq!lldo lntrace!Wu, 4, 4f, 5Z, 52f, 130, i31f, 15( 155f • carga el&:trlca y, 161, 161f !.fquldo plewa!, 560 Usosoma,S1, 60!, 66, 66f, lZl~ 122,148, 148f • fusión de fagosomas ron, 785, 786f • en !eguladón derece¡¡tores, 190,217 Usozima, 784, 78&: • ensaliva, 699 Utetaturacientlfica, 14 Lóbulo frontal, 3041, 3o7, 309t Lóbulo oo:lpltal, 304f, 307, 309f tóbtdo pilrletal, 3041, 307, 309f Lóbulo tenipora!, 300, 307, 309! l.owu, IUchard, 225 Lupus erltenJatoio sistémico, 7%c Lutelnlzad6n, 843 fm,51

fototraruducdóo, 364 lnfruro¡a, 364, 364! en te:flejo pupilar, 360, 3601 refrncd6n, 361, 36lf ultravioleta (UV}, 364, 364! v!slbl~ 364, 364f .

M Maaófugo, 7Sf, 538, 782, 783, 783f, 784, 784f, 795,

n6f - alveo"!ar, 563f • en reacción al&g!ca, 791 Máuda,-355, 356~ 3:S7f Mku!a densa, 624, 6Z4f, 625 Magnesio,21 Malp!gh!, Man:ello, 457 Maltasa, 694, 694f Maltosa, 28f, 694, 694f, 706 Mama, Véase también Ghfnd¡¡f¡¡ 1lriZ1I1IJtit¡ • desarrollo, 853 Manganeso, 21

l-15

Maniobra de Valsa!va, 709 Manosa, 146

Mantenimiento de! medio ambiente lntemo, 192 Mapeo, 6, 7f, S Marcapasos, 452, 470, 479 • meclnlro, 480

• • cardiaco, 470,479 Marlhwna,275 Martillo, 348, 348! . en !Iarnducctón de mUdo, 349, 350f Masa atómica, 21 Masa mo!OOJ!ar en g¡amos, 36 Mostlcad6n, 699 Mastoc!to, 78f, 538, 576, 782, 783f, 787 • activactón de anticuerpos, 790, 791f Matriz extracclulat, 53, 68, 82c calcificada (hueso), 765 o:é!ula q¡itelial, 72, 72c, 72f, S2c hueso, 79 • calcio, 766, 767, 767~ 767f protclnas eruucrurales, 141 san~. 78 rejldo conectivo, 76, 7&, 78f, 80f, 82c tejido mi!Südary nervioso, 80, 82c rej!do mllSCil!ar y ntnn~ 80, S2c Matriz fosfolip!dka, 83f Matriz mi!Q({lndrial, 64f, 65 McGw!re, M.uk, 751,752 McKhann, Guy, 244, 248, 270, Z75, 283, 285

Meclnlcade:lmov!mientocotpotal, 417, 4l8f, 419f, 420f, 42lf Meclnlca de la respiración, SSS • leyes de los gases y, 565, 565c, S66c, :S66f • sistema respiratorio y; 559, 562!, 563f, S64f • wnti!adón y, 560, 567 Moom15mo cclular de acción de !a hormona, 217 • hormonas <St®!deas, 221, Z22f • hormonas pepúdlcas, 219, 22lf Me<:anon=ptor, 1961,330, 330c MedladOies químicos, de repuesta lnftamaloria, 786,

""

Medldna nudear, 22 Medio ambiente • externo, 4!, 51 • • reproduo:lón afectada, 831 • Interno, 4, 4f, 130, 192 MEDLINE, 15 Médula espinal, 245, 24Sf, 29St 301, 31JZf anatom!a, 301, 302f desanol!ofembrlo!ogia, 295f, 296 lntegradón de la lnfotmadón sensitiva y, 197, 301, 302f, 310 !ntegllltión del rnovlmlento y, 448, 44&, 449, 449! neiV!os ruvlcales, 297f, 301 neiV!os lumbaies y, 297t 301 neiV!os saaos y, 297f, 301 neiV!os tor.k!cru y, 297{, 301 Médula ósea, 538, 543~ 765, 780!, 781 amarilla, S40 • desarrollo de linfocitos 8, 788 • hematopoyesis, 538, S39t 540c, S43f • mja,540 MMu!aov.lrica,837 Medula !ella~ 615, 616f, 617 MédulaSilprarrena~ 2Hf, 21St 385, 385f, 751, 752f • control autónomo, 380f, 731, 73k · Medusa, red nm>iosa, 292, 293f, 690 Megactrioclto, 538, 539t 541,547, 548f Meg!ltln!das, 739\: Me!osls, 822, 827, 82Sf Melaninas, 364, 756 Melanocitos, 78f, 756 Mclanooortlna, 756, 757 Meiano¡mna, 369, 370· Me:latonina, 21Sf, 222,236, 237f, 315 • reproducción y, 831 Mem!JTana, 9, 53,:S3f, 54c, S4f alveolar, Intercambio de gases afectados por los"Gill· bíos, 592, S92f ar;tCllOidea, 296, 297~ 298f basilar, 35If, 35Z • codificad6n ~enslti~-a para el tOllo, 353, 3S3f bicapa, :53, SJt 56! .

~~·

Índice analftico

Índlce analítico

Membrana {Qmt) rornp<>Sidón, 53, 541: dinámica, 128, 13Zf difusión y, 132, 132f, !33f, 13-k, 136f

equilibrio de masas y b.omeostailiy, l:t!l, 1Z9f. 131! ómlo>IS y toniddad y, 153, 15-k, ISSf, 1561:, 151c, 1581, ts9t. 159!, 160c. potencial de membrana en re:poso y, 160, l61f, 1631, 164f, 1651, 166f pnxesos !nt

hidtatos de carbono de la membrana y, 54c, 54f, 58 !lpldos de la membrana y, S4c, S4f, SS, 56f moVimiento a ttavés difuslón y, llZ, I32f. ll4c, 135, 136f espesor y, l3S ósm()S!s y ton!ddad y, 153, 1541:, lSSf, 1S6c, 157c, 158f, lS9c, 1S9f, 160c . potencial de men'llaana en re¡mo y. 160, l6li, 163, l64f. 165~ 166! p!OCesQS integrados y, 166¡ 167f haruporte media!fa por proteínas y, 132f, 136, 137f transporte transepltellal y, ISO, lSlf, lSZf, 153f transporte veslculary,-13Z, 132f, 148, 148f, 1491' permeabilidad, 13Z • ley de fiel< y, 135, I36f, S8S • potrodal de membrafia aftttado pof, 165, ZS2 prote!nas de la membrana y, 38.·S4c, S4f, 55, Sif reparad6n de cargas elktri<:as, 161, 16li Mendnana ron permeabilidad selectin, 9, 131, 132 • captlar encefálita, 299f, 300 - leyde.Fict
Menstntadón, 837,843

• anemia ferropénica y, 547 Mewncifa!o, 29Sf, 296, 3Mf, 305, 30Sf • procesamiento sensitivo, 331, 333! Mesenterio, ~f, 682 Messner, Reinho!d, 60S Metaan.llisls,H Metaarterlola, 503, S03f Metabollmlo, 101, I02f, t03f, 121, nu, 724 aerobio, 103 ddo deláddodttico, 100, 106<:, 107, IOSf ejeltlcto y, 808, 809f - glutó!isls, 104, 104f, IOSf, 106<:. • sistema de transporte de electrones, 104f, lOS,

l09f

aoabóllco, 101, 112, 721, 723 anaerobio, 103, 106, 106c, 107f - e!eltlctoy, 103, 106, 106c, t07f basal,72fJ calor producido por, 740, 741, 74lf, 743 CltlbóUro, 10!, 103, 104, 10-lf, 721, 727 celular, 101, lOZf, 103! ejatictoy, 80&. 809t 810f equ!librto de masa y homeostasls y, 130 g!urolitlro, 808, 809f hormonás de la adenohlpófuls que ~tan, Z29,

~·

insuUna en el rontrol, 728, 731!,736, 737f inWmedlo,lOl músculo, 808,8091, 810f rea«iones 1evmlbles e lrrevtlsibles, 102, 103f regulación homeostátlca, 728 requelimlentos encclá!lros y, 112, 300, 301 temperatura corporal y, 739, 740f, 741f,_742f, 744f

Metabo!!to, 130 Metalopro!clnasas de la matrl?., 11 Metástas!s,SS.69 • \llllones
Mimético, 738 Mínetalorortlcolde. 751, vm wnblén A!dcsteroM Mlnkowsi, Ozkar, 213 Mlocatdlo, 465, 476! - dlulas madre parn el da!1o, 493 Mlofibrilla, 398,399, 400f. 123, 424, 424f Mloslnfosfata>a, 426, 426f Mltoomdrla, 60f, 61, 64, 64f

d~743

ONA,65

en libra contráctil cardíaca, 471 mattll.64f,6S membrnna, 54<:, SS, 64, 6U • sistema de trampmte de electrones, lOS, 109f muscula~81

Mltógeno, 504 l\.fitos!s, 81, S!H, 540,827, 828! Ml:!;e&ma, 760, 760f

Moco, 75, 76f, S68 ruvlca!,. 843,844,849,856 en defensa del roe¡po, 784 exodtosis en la liberadón,. 150 en fibroili qufstlca, 157, 686 secredón del sistema digestivo, 687, 694f, 703, 703f, 705, 70S! en el semen, 831íc Modalidad, 332 Modalidad sensltlva, 332 Modelil del mosaico fluido, S4f, SS • filttadón glomerulaty, 622, 622f Modeloteólico, 10 Modelos del mones mutantes, Z68 Modifl01ct6n postro.du«ional, US, 116f, 120, 12lf • de prohormonas, 218, 219! Modu!ad6n alost&!CJ, 41 Modttlal:!ón !nhlbltorta, 41,232 Modulación portslnápt!Cl, 278, 279!, 280f Modulactón pres!clptita, 279, 28lf Modulador, 41, 102. 102!. 382 Modulador alostMro, 41, 52f Modulaoim covalente,. 41 Mcduladorqulm!co, 41, 190 Modu!:ador sel~vo del reo!ptol" de ertrogenos (Sil!iM), 191, 771, 855 mol (mol), 36, !SS • dtaperona, tzz

.Molar!dad "'""'2{M),3 36, 155, 156 Molécula, Z3 comp\ementar!dad, 39

""""""'"

de adhesión celular, 69, 6~ 283 del MHC de clase 11, 792, 793f, 195, 796f forma, 26, 26f, 13Z, 133, 133f, 13-k forma y fundóll, 26, Uf llidtóflla, 24, 35, 35! llldlófoba, 24, 35, 3Sf lntera«iones, 9,19 lipólilas, 135, 118, 178! Upófobas, 13Z, 135, 178f, 179

_,.

no polar, :M orgánlta, 27 Olddada, 100, l!Kk permeabilidad de la membrana y, 132, 136, 136f polar, 24,241" - transporte a través de memblanas.141, 141f polar y no polar, Z4, 24f reductda. 100, l!Kk sedal, 38, 186, 188f • como honnona, 216 $0lubtlldad, 35 . • d!fus!6n limpie y, 13Z, 135, 136, 136! transfmnda de enetg!a paza reacr!ones químicas y; 93 Molibdeno, 21 Monoamlnooxidasa {MAO), 278 Monoc!to, S37f, 538, 539f. S41f, 782, 783, 783! Monog\lctr!do, 29f, 696, 696! · Monosacálido, 27, 2Sf, 694, 694f, 706 Monóxido de Cl.lbono, 188, 275 Monoyodotltosina {MII}, 758, 759! Morllna, 342,343 Motil!dad, 678, 67Sf, 682, 683f, 684f, 100! • en Intestino grueso, 108 - regulac!ón,. 689, 690f, 691f Molillna, 692c, 693, 693c Motlvadón, 316 Movimiento energia, 92 • lónlco, 135

• en potendal.de acd6n, 258, ZS9, 2S9f, 260f, 261,261f • en transporte transepltellal de glucosa, 153 refle¡o, 446, 447c, 449 tipos, 446, 447c a tlilvés d~ las memimmas ttlulares, 13Z, 132! voluntario, 447, 447c, 449 • ~antro~ 449, 449f, 4SOf Movimiento ro¡poral aparato vestíbu1ru: que propo¡ctona lnfonnadón · sobre. 355, 447 · COntrol, 435 • rerebelo,30S • Integrado, 445 • newa~ 448, 44Sc, 449f, 4SOf, 4Slf mednlca, "417, 418f, 419f, 420f, 42lf p!Oducdón de calor y, 743 tipos, 446, 447c Muctna,687 Mucopollsa.<:átldos, 760 MU«1$a_ 679, 680f, 68tf - como bamla de d~ 784 MU~;osagásttica

- actividad seaetota. 702, 703f • protttctón, 703, 70Sf Muerte telular p!Og!amada, VWe Apopmsi; MultipllCldor por contrn:orrlente, 649, 650, 650f, 651! Murad, l'erid, 188,513 Muscatina, 273c, 275, 386f Miisculo, 80, 82c, 396, 4Z9c antagonista,. 398, 3981 Cltdlaro, 397, 397f, 429, 429c, 465, 467f deruso, 420 esquel~tlco, 304, 397, 397f, 398, 429c !n~ metabólico y, no irlemct6n por nruronas motmas, 388f, 39íl, 390! llso, 397, 397f, 421, 4Z9c en mtemas de palanca y ponto de apoyo, 417, 420~ 42U tipos, 397, 397f, 429c Músculo bkeps braqulal, 398, 398f - en sistema de palana y punto de apoyo del brazo, . 418, 420f, 4211 Mfuculo ca¡d{aro, 397, 397f, 429, 429c, 465, -%71', 470, 4701 acoplamiento exdtadón-contra«ión,. 471, 472f oontm:ctón, 397, 429, 429c, 470, 470! conducdón elktr!Cl en roordlnadón. 47, 4nt,

""

control neural y endocrino, 491, 4911', 492f escalonado,4n fuma,. 47Z, 473f control autlmomo, 382, 475, 476f COIU{o\ del mo'litnlento, 4St periodo refractario, 413, 474! potenctalde acct6n, 472, 473f, 474f, 47Sf, 476c • ECG encomparad611, 481, 48U reladone:s longlhld-ttnstón, 472, 473f Mtísmlo ctUat, 359f, 362 Mfuculo diana, 41Z Músculo escaleno, S60, S62f, S69, 570,571 Míisculo esquel€tlco, 80, 304, 397, 397f, 398, 400~ 40lf,429t anatom!a, 398, 400!, 401f, 429c claslflcactón. 412, 413! contraQ;!ón, 397, 40Z elementos elásticos en serta, 417, 418! fatiga y, 113,411, 41tf fibras, 398, 400f lnemct6n de las nruronas motoras, 3S8f, 390, 390f meclnlcadel mol'imlento corporal y, 417, 41.8f, 419~ 420f, 42lf metabolismo energétlto, 113, 404, 40Sf, 410, 410! potrodal de acd6n, 476c en mtemas de palanca y punto de apoyo, 417, 420f, 42lf

...,_.,.

Míisculo estemodeldomastoldeo, 560, S62f, 571 M(isrulotnvo\untarlo, 397, Véase tamb!W Músculo liro Mús<:ulo llso, so, 397, 397f, 421, 42'k anatomía, 422, 423f, 424f atqoscteros~s y, 412

contracdón, 397, 424, 4251, 426f, 427f, 42Sf, 502,

68Z, 683f, 684f control autónomo, 382, 42S control hol1llona! y patacrlno, 429 control de movimiento, 451 filamentos de actlna y d~ míos!na, 423, 424f ga.rtrolnttstlnal, 682, 683f, 684, 684f potenda!e:s de membrana, 427, 428f ¡e]ajadón, 426, 426! sedales qu!m!tas en la reguladón, 428 utenno, 837

vaseular, 502 Músculo liso de unidad Unica, 422, 4Z3f, Véas~ también M(/Sar/o llsJJ viswa/

Músculo !!so de urlldades milltlples, 423, 423f Müscu!ollso Vasculat. 502 auton:eguladón mlogénf01, SlO • rontrol slmpá!lro, Sl2, Sl4f • para.crtnos que afectan la «~nttaedón, 511, Sllc, S!U

Mfuculol!so visceral, 3ll, 422, 423f • conttoldemo'limlento,4Sl Músculo pap~ 467f, 468, 469f MÚSOI!o rojo, 412 MUsculo trfteps braq!ila~ 398, 398! Músculos abdominales, en la respimdón, 562f, 512 Músculos espiratorios, 562f, S72 Músculos estriados, 397 Músculos lnspiratorios, 562(, S71 Músculos Intercostales e~os. S60, S62f, 569, 570, 57! Músrulos lntarost,lles Internos, 560, 562f, 571, 572 Músculos oculares utrínseros, 358f, 3S9 Músculos plloerectrues, 83! Músrulos lesplra!otios, 560, S62f, 569, 571. S72 Mutlladón, 1Z2

N NAD {n!cotlnam!da adenlna dlnucleót!doJ, 33 NADH, 95, 9St 101,103,108, 109f NADPH, 95, 95f, 101 Nattiuresls, Sllc, 656, 657! Náuseas. 710 Nebullna, 399, 400f, 4011', 403! Neqos~s, 81 Nefrona, 61S, 616f, 617! cott!cal,615,616f dlstal,618· • en equilibrio áctdo-base, 668, 669f ertructuia, 615; 616~ 617f funct6n. 618, 619c; 619f, 620f Nefoopatla dlaWtlol, 623 Nervlo(s), 80, 82c, 247, 347 Nmio abducens, 303c • Nervio ac:ceso¡f(¡ (XI¡, 303c Nervio rodw, 350, 350f, 351c, 353 NUV!o cranea~ 29Sf, 303, 303c Nervio espinal, Z97f, 301 - ~o,303C Nervio fadal, 303c Nervio trenlro, 197, 241 Nervio glosofatíngoo, 303c Nervio hipogloso, 303c Nervio mixto, 247, 3n Nervio motor. 247 Nervio oculomoto~ 303c Nervio olfatorio, 303, 303c, 331 Nervio óptico, 303c, 359, 359~ 360f, 364, 365f, 369,

""

Nervio sensitivo, 247 Nervioltigémlno, 303c Nervio trodw, 303, Nervfo vago, 197, 303, 303c, 380f, 381, 3Sl! Nervio vestibular, 355, 356f • secctón, para enfemed.!.d de Ménlm, 363 Nervio vestlbu!OOJC!ear, 303c, 348, 358! Neumonfa, 710 - asp!rallva.710 Neuto€pltel!o, ZS2 Neurofi!amen!O, 61, 6Ic Nrurohlpófuls, 214f, 21Sf, ZZS, ZZSf, 226, 226f, 300, 306,30{if

~17

Ne.n:ohot1llona.(s), 176, 117f, 202, 204f, 216,225,272,

3!! - de la hlpófisls poste!!Or, 225, Z26 • hlpolaláml.tas, 225, 226, 227f Neuroinmunomodulactón, 800, 801f, 802f • prolactlna y, 854 tokuromodul~or, 176, 27Z, 278 • en sistema nm-imo en!ériro, 691 Neurona(s], 80,176, 241,246, 247f, 2481,296 Cllc!o y afectación de la w:itabil!dad, 766 de la cortm cetebtal, 307, 307f cue¡po celular romo omtro de controL 247, 247f desequilibrio del pH y afectación de. 663 fuente de energ!a.llZ. 300, 301 función, 245 leslón, 247,283, 284f mültlple. en vfa r.eural, 278, 278f, 279f, 280! p¡op~des emergentes, 244,. 292 seilaleseléctrtcas, 176, 177f, 244,252 tamaño, velocidad del potendal de acción y, 266,

""

!\'enrona adrenálglta, 274 Nrurona anaJ:ón!Cl, 246, 248f Ne.uonaautónoma, 245f, 246, 247,377 Neurona bipolar, 246, 248f • de la tetina, 364, 365f, 369 Neurona colirl&glta, Z72, 274, 38Z • llmpátlca, 382 Nruronacortlcal, 615, 616f Ne.n:ona dmnw, 245, 246, 247, 24Sf, 296 Neutona lrupltatoria, 603, 603!, 604, 0041 Neurona motora, 246, Z47, 390, 390f, 391~ 409, 409f (!, 439, 441f. }'; 439, 440, 440f, 442f

.somátlta, 246, 377, 388f, 390, 390f, 391, 439 • en l'ille¡o de lllÚSWloesquelWco, 439, 440f • en unidad motora, 415, 416f en unidad motora, 415, 416f Neurona mulllpolar, 246, 2481 Neurona no adrentrgl01, no coUntrglca, 38Z, 691 Neurona noradren&glca. 274 Neurona posgangllonar, 379, 3791 Neurona de primer o!den, 330, 33lf Nemona de segundo o!den, 330, 33lf Neurona sensitiva, Z44c, 245, 24Sf, 246, 249f, 296, 330, 33lf primaria, 330, 33lf, 334, 337, 33Sc en retlejo del músculo esquelffico, 439, 440 secundaria, 330, 33lf, 337, 338c tetdarla. 337, 338c Neurona S!:Udounipolar, 246, 248! Neurol\3 s!mpát!Cl, 24Sf, 246 Neuronas lnttíluecas y exrtfmeCls del slnema nervioso en¡¿¡tcO, 691 N~-

Neuronas respir.I!Orlas, 603, 603f Neuronas yuxtamedulares, 61S, 617f Neuropatfa aut6n01113, 387 , Nruropéptldo, 275 en rontroldeíngi'Stade alimento, 717, 71Sf • nrurolnmunomoduladón y. 801 • Y, 717, 718c, 118f • • anorexianuvl.osay,740,745,746 Neurotoxlna, 269,270 • derivada de los eoslnófilos, 782 ~Neurotransmisor(es), 176, 17if, ZOZ, 244, 270t 271,

:mr,m

autónomo, 382, 382!, 383, 386, 386c • en el rontro! del míi:sculoliso, 428 • en la moil!!lad6n de la frecuenda canlfac:a, 47S, 489,49tlf lnactlvactón, 277, 2771 mU!tlples tipos de receptores, 273c, 27S receptores, 273c, 27.5 • agonlnas y an!aglllllstas.. 386, 3S6c seftal de calc!o y Ubetactón, 271, 271f en sistema nervioso entérico, 691 sistemas moduladores difusos que seaeran, 3JZ, 312f.3lk en ttaruduccl6n del gusto, 346, 347f en varlcosidades, 247 Neutrófllos, S37f, 538, S39f, 541f, 18Z, 783, 783!, 784 Neutrón. 20, 20f

1-26

Índice analítico

Venopuntuu. $03 Ventana oval, 348, 348f, 3$1f • en ttamdua:lón msonido, 350, 3SOf Vmtana redonda, 348, 348f, lS!f Ventilación, 560, 567 alte acondicionado (calentamlento/hum!dlfkad6nifilttado) y, 5€8, 569f alteÍ"adones del pH y. 664, 666, 666! alveolar, 577, S7Sf, S79c • patrón ~i!atorlo y, 577, 578, 57&, S79f, SSOc, 581d cambim de volumen pulmonar durante, 567, 567!,

5681

romposld
suñwantes y, 575, 5751 tlpos <¡patrones, 579c valores notmales, 579c voluntartomáxlmo, 577, S79c Ventrlculo deredlo, 459f, 460, 4661, %7f Ventt!cu!o !zqul~, 459f, 460, 466f, 467 Ventt.culos descendentes, 296, 29Sf Ventrlculos latelllles, 296, 298! Vénula,. 502f, 503. • pre;ión, 460f, SQ5f Vértebtas, 296, 297f Vértice del corazón, 465, 466! Vértice del pulmón, 562f Vértigo, 332, 334, 357 Vesícula, 56 • dt¡¡plasmU!a, 66 Vesfrula de alrnaWlamlento, 66, Ulf, 122 Vesícula billar, 680f, 688f, 689 Vesfcula secreto¡a, 66, Ulf, 122 • b:mnonas de la neurobip6flsls, 22& 2Ziíf • hoimonas peptfdlols, 218, 219I Ve:!cula swlnal. 83Zf, 833, 836 • desarrollo, 8Uf, 825, 82Sc • VesíCula sináptlca, 270f, 271, Z7lf, 212 Vesítulas dtoplasmátlcas, 66 Via aérea, 560, 561, S62f, S63f, S64f • ep!tellos, 73f, 74, 75! • funciones, 568, 569f • músculo liso en asma, 429 Vía aferente, 19S, 19Sf, 197, 198, 198f, 200, 2.0Sc V'~a

auditiva, 353

Via de control !dleja, 194, t95f, Véase también Sllt!m4 ~-/

budedÚespt:es!ll, 195, 195f, l96f, I98f bucle de retroal!men!llción, 195, 19Sf, 199, 1991, 200f

.

-

.

clasillcatión de las hofmonas y, 222,'22«

'~-,--~·~.. --=.;-'-"'--''"'--'>"'.. o~-~ ••• ~....=-__,___,:~""'~"-~'"=-•-oc•-;.=~·--· ~~=,=·--==·-•'=~=•="'-~'=""-=~•=·,•=~>=~

• en el encéfalo, 308, 308! Viaefemttt, 195!, 196, 197, 198, 198f, 2.04f,2.0Se

Vitamina E, Wsonión, 698 Vitamina K, 552, 553c

V'~a extrime:a, S51, 552f

• abso!dón, 698 • bacterias rolónleas que producen, 709 . Vocallzadón, sistema respiratorio, SS9 • -umbral, 254 Voltaje umbral, 2.54 Voltím~uo, 162, 1631 Volumen celular. 642 Volumen comente (Vl), 567, 56Sf, S78c Volumen erttrodtico medio (MCV), 543 Volumen mfin de dlMtole, 487, 493 Volumen de fin de sfstore, 487 Volumen de líquido ext!acelulal. balance de sodio y, 652, 6S3f Volumen minuto, 464,489,493, 494f, 502,507, S!Of ejercido que afecta, 812, 813f • en Infarto de mlocatd!o, 495

Vla hlpotála!OO-hipófisls, 227, 2281,751 • puberti!dy,854 V~a intereodal, 477, 478f Vm intrinseca, 551, SSZf Vía metabóUC), 101, Véase twbién Mdabo'.hmo • coclenteATI'/ADPqueafecta, 103 • oontrolltotmOna!, 723, 7241, 72.5f

• regulación celular, 101, 102f, 103! V'm motora somática, 388f, 389,390 Vían~ral,302

• múltiples neuronas, 278, 27&, 279!, 280! V~a oxldatlva, 103 Vía pamelular, 517, 626,679 Vla parulmpitlca, 380!, 381, 387, 38St 389c Vla ¡efleja, Véase Vla de comro/ refleja Vía secreto¡a, 1Zlf,.122 Vta sedal, 177, 177f, 187f, Véase también Tmruducci6n ~....

.

wntto!, 191, Véase también Hcmeart®s enftrmedades/fám!aros dirigidos a, 191, 19Zf moduladón,189, 190! mol~lasseñalnuevas y, tU, 188f !ermlnadón,191, 217 toxinasqueafe<:tan, t92c ~a sensitiVa, 328,331, 3.33~ 337, 3371; 338! Vla limpitlca,. 380f, 381, 383, 38M, 387, 388!, 389c Vía simpática su¡mmnol, 388! Viagrn® (sildenafll), 846 Vías autónomas, 379, 379f, 3801; 382, 38Zf V'ras deo:mtro~ 191 • enreproducdón,829,830f · Vlas de respuesta lnmunlta!la, 794, 794f, 796f, 797! V'rassilitéticas, 112 Vías vi=les, 359, 360f, 369, 370f VIgllancialnmtmltarta,177,800 VIrus, 777, m, 778c, 778f • respursta !nmunlta!la, 785, 795, 796f

VUtlSDNA,778

Vlrus~la, 777

VIrus Hanta, 777 vtrush~,m

Vuus de la lnmunodefictenda humana (HIV), 779 VIrus oncogénlco, 778 Virus varlcela·ZOSter, 778 Vlscostdad, 463

• flujoa«ooy,576,577( Visión, 32Sc, 358 biooollar, 369, 370f de colores, 366, 367 defectm vi=les, 363, 363f reteptores sensoriales, 196, 196f, 329, 330, 331k,. 358, 364, 36Sf, 366, 366t 368f vias, 3S9,360f, 369, 370! V!tulllm, 97

• absOidón, 698 Vitamina A, abw!dón, 698 Vltlmlna B12, 698 • _defidencía, 546c Vitamina B3 (niadna), 727 VItamina_ C, 97 • abs01dóli, 698 - en semen, 83&: Vitamina D • absoldón, 698 • balante de caldo y, 769, 770f Vrtamína 03, Véase Cakii'Tful

· riñones que re::iben, 615 • m shock, 510

Volumen plasmátlco, 519 Volumen de reserva espiiatorlo, 567, 568! Volumen de rerern lrupitalorio (VRI}, 567, 568f Volumen residual (RV), 567, 568f Volumen sanguinoo alteraciones, 659, 6S9f • respuesta ln.da, 643, 643f, 660c, 661, 662 ba!ance.deagua y, 648, 6491; 661, 66Zf regulación renal, 51)8, S09f, 514 relaciones entre presión, Hujo, resistenda y, 460, 461f, 462f, 463f, 46Sf, 508, S09f,S!Of Volumen s!stóUro, 487, 490, 490f, 494f Volúmenes pulmonates, 567, S67f, 568[ Vómitos, 710 • alcalosis mmbóUca y, 671, 710 vr, Véase Valwnm~ Vulva, 836, 838f

w

Warf3rina,5S2

X Xenobiót!ros, exaectón, 130

y Yeyuno, 679

Yodo, Z22, Z31, 757, 758f • defloenoa, bipotlroidlsmo y, 761, 762t • ra"diactivo, Z3L 761


de l¡¡¡~ iil.i~trad©ft'l@l~

Autora! Dee Si!verthom

Capítulo 1

Página 1: Niki Sianni/Photoni~/Getty Images.

capitulo 2 Página 19: Edy Kieser, www.edykieser.ch Página 50: Todd Derksen; 3-8: D. E. Saslowsky,J. Lawrence, X. Ren, D. A. Brown, R. M. Henderson, J. M. Edwardson, Placental alka· line phosphatase is effidently targeted to rafts in supported lipid bilayers,}oumal of Biological Chemistry, páginas 26966-70, voL 277:30, 26 de julio de 2002. c.2002 Joumal of Biological Chemistry, AmericaJlSodety for Bi1Xhemistry and Molecular Biology, Inc., Bethesda, MD, 20814. JBC Online, http ww.jbc.org; 3-13c: Robert W. Riess; l-14a: Fawcett/Hirokawa/Heuser/Sdence Researchers, Inc.; 316: CNRI/Sdence Source/Photo Researchers, Inc.; 3-17: Robert W. Riess; 3-17: Robert W. Riess; 3-18b: Brad J. Marsh, David N. Mastronarde, Karolyn F. Buttle, Kathryn E. Howell, and J. Richard Mdntosh, Inaugural Artide: Organellar relationships in the Golgi region of the pancreatic beta cellline, Hf.T15, visualized by high resolution electron tomography. Proceedings of the National Academy of Sdences.of the United Sta tes of America. Figura 2, páginas 2399-2406, voL 98:5, 27 de febrero de 2001. c2001 by the National Academy of Sciences; 3-19: doctor Don Fawcett{Photo Researchers, Inc.; 3-20 Biophoto Associates/Photo Researthers, Inc.; 3-21 (top): profesor H. Wartenberg/doctor H. Jastrow's EM Atlas, www.dljastrow.de; 3-21 (bottom): Photo Reseatehexs, Inc.; 3-23: . Todd Derksen; 3-26b: Custom Medical Sto<:k Photo, Inc.; 3-27:Todd Derksen; 3-29: Ward's Natural Sdence Establishment, Inc.; 3-30c: John D. Cunningham/Visuals Unlimited; 3-31: Frederic H. Martini; 3-33a: SPIJPhoto Researchers; 3-33b: SPL/Photo Reseatehers, Photo Researchers, Inc.

Capitulo 4

Yunque, 348, 348! • en ttansdi.u::d.ón de sonido, 349, 350f

Página 89: Photo Researchw, Inc.

Zona binarular, 369, 370f Zona de disparo, 256, 263, 264f, 265 Zona «ógena, 844 Zona fasdr:ular, 752, 752f Zona glomerolar, 752, 75Zf Zona H, 399, 402f, 403f

•

dunnt~ la cont:~acclón,

404, 404f

Zona monoodar, 370, 370f Zona pclúdda, 84lc, 848, 848! Zona -retlculat, 752, 75Zf Zona termoneutta, 741

Unulas, 359, 359f, 362

Página 396: University of Texas at Austin: 12-1a: Wa!d's Natural _Sctence Establíshment; 12-1b: Phototake NYC; 12·1c: Todd Derksen; 12-15 (left): D. Comack, ed. Ham's Histology 9th ed. Philadelphia: j.B. Uppincott, 1987. Con autorizadón; 12--15 (top right): Frederic H. Martini; 12-15 {bottom right): Frederic H. Mart!ni; 12--26: Biophoto Assodates/Photo Researches, Inc. cap~ulo

14

Página 4§6: Carole L. Moncman, Ph.D.

Capítulo 3

Yoduro, 757, 759f

z2ironotlda, 343

Capítulo 12

Acerca de la autora

Capítulo 15

Página 500: Amy Brock and Don Ingber, Harvard Medical School/Children's Hospital; 15-20: World Health Organization.

Capítulo 16

Página 535: Dlane Gray Molecular Probes, Inc. Eugene, Oregon, . USA; 16-Sa: Todd Derksen; 16-6a: Visuals Unlimited; 16-6b: VISuals Unlimited; 16-M: V!SUals Unlimited; 16-3: Photo Researchers, lnc.; 16-9b: Todd Derksen;.I6-9c: Todd Derksen.

capítulo 17

Página 558: Barbara A Danowski, Department of Biology Union College Scll.enectady, New York, USA; 17-8: Frederic H. Martini. cap~ulo

18

Página 587: Phototake NYC.

Capítulo 19

·

Página 613: ~uben M. Sandoval, Indiana Center fui BiolOgical Microscopy, Indiana University School of Medicine, Indianapolis, Indiana, USA; 19-1f: Todd Derksen; 19-4b: Todd Derksen.

Capítulo 21

Página 676: Mark L. Tamplin, Anne L. Gau2enS, and Rita R Colwell.

cap~ulo 22 . Página 716: Roland O. Marsh (h.), Madigan Anny Medí cal Center Tacoma, .Washington, USA; 22-Sc: Ward's Natural Scten!:e Establishment, Inc.

Capítulo-s Página 128: Alex Gray(fhe Welcome Trust Medical Photographic übruy,

cap~ulo23

Página · 243: Peter Brophy/The Welcome Trust Medica! Photographic Ubrary; S.17a: Todd Derksen, S.17b: DaVid M. Phillips/VlSUals Unlimited; 8-31: Timothy. M. Gómez, University of Wi,Sconsin-Madison. ·

CapítuloS

Página 750: CNRI/SPL/Photo Researchers, lnc.; 23-1c: Ward's Natural Sctence Establishment, Inc.; 23-5a: Biophoto Assodates/Sdence Scurce/Photo Researchers, _Inc.; 23-Sb: Biophoto Assoctates/Photo Researchets, Inc.; 23-11: Martin Rotker /Phototake NYC; 23-13: Alisan Wright/CORBIS¡ 23-15: Ralph Eagle/Sdence Source/Photo Researchers, In.c.; 23·17: American "Joumal of Medicine; 23-17: American Joumal of Medidne; 23-17: American Joumal of Médicine; 23-1& Ralph T•. Hutchings; 23·24: doctor Michael Klein/Peter Amold, lnc.

Capítulo9

Capítulo24

Página 291: McGill University/CNRitphototake NYC; 9-12b: Rob11:rt Brons/BPS/Stone; 9-17: Marcus Raichle, Washington University Sdlool of Medicine.

Capítulo26

capitulo 7

Página 211: CNRI/Phototake NYC; 17.01: Dee Silverthom.

Capítulo 10

·

Página 327: RS. Lein, X. Zhao, F.H. Gage Defining a molecular atlas of the hippocampus using DNA microarrays and highthroughput in situ hybtldization. Journal of Neuroscience 2004 .Abril 14:24 (15):3879-89, (i); 10.15b: Todd Derksen; 10.28: Web-vision, John Moran E-ye Center, UniveTSity of Utah.

.Capítulo 11 Página 376: doctora Flora Love.

Página 776: doctor Dennis Kunkel/Phototake NYC.

Página 821: Vanessa Rawe, Ph.D., Laboratory of Reproduttive Biology and Spedal Studies Center of Studies In Gynecology and Reproduetion, Viamonte, Buenos Aires, ARGENTINA. Photograph at Pittsbmgh Development Center, MWRI, University of Pittsburg Sdlool of Medicine, Pittsburgh, PA; 26-01: CNRI/Science Photo Librarytphoto Researchers, Inc. 26-16a: Frands Leroy/Biooosmos Sdence Photo Library/CustoMedical Stock Photo, lnc.

-.;ozo;:so-.-,.·_'0-~-,----:-.._.---

Medidas y comrersiones

Índj

1-26

Venopuntura, S Ventana oval, 3 • en trn1Sdu9 Ventana redom Vent!ladón. s6 alrearoudlc (olw 569f

PREFUOS

·-· alveolar, 57 • patróni

"

cambiOS de

de9-

(d)

centimilimicronano-

(e) (m) (p)

pico-

(pj

kilo-

(k)

Q,1

1/10. 1/100 1/1000

om 0,001 0,000001 6,00000000!. 0,000000000001 1000 . .

úi iJoó 000

1/i oóo ooo ooo

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1/!oooiJoiioóo iíoo

J X JQ-1 1 X '{ó-i 1)f 1iJ4

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Txw·

i X"i(i-ii-

íX!oi

,~,

romposidó wntrolpor rontrolrefl efldencla,;

SISTEMA MÉTRICO

1 metro (m)

elldeodan

e¡erctdoy, enO!qllillbr:

100 centímetros (cm)

=

1 centímetro (Ql1),_ ... 1 milúnetro (mm)

"""''" flttjOsangtl

gtad!entes

""'m"'

langstr~m (Á) 1 nitó (i) ····· ·· ··

-dón

1 cteciliiro ( ciíbiCO-(cri11f- .

resistencia

1iniliíii:i~JñiLf

'"''"""' t!postpat mores no

~

.. ....

1 kilogramo (kg) 1 ¡gr •· .· 1nlÍJi~o (riig)

Ventrfculod~

Ventrn:u!OIZI Ventrfeulosd Venttículosli V-SOZ(

=

1 x 10-7 milimetros

¡ oooiíiiíiliitos (mi)

Jooñlíúiitiüs(iíiü ····· ·.

. 0,1litrO (L)

lll1ililitro.(iíiij · ·· . !. o®!DíCi!i.lL~\li wtl·.·.· 1 000 gramos (g) .

·¡iiófJ~~os(~J

ziaíiio

voluntarto

0,01 metros (m).

· 1 000 micrómetros (~~-~~~~--~f!lo~a~o _micrón~ p) 1/10 000 micrómetros

"'""'"

pre5!6nalv presión In! pmebas de pulmonar

1 000 milúnetros (mm)

·---·----" . <---·lO.IIlÍ~me.tr,os _(flln1) ..

.....

1 OOQ I!lÍ~~&"'ffiOS(~~) .

,,_,

• presffin,4, Véttl.cedelci Vért!cedel.p:

·Vértigo,332; Vesfada,66

Ves!obde< Ve:siollabllli Ves!culaseci

• normoná

• hminollll Vesf¡;u\asen: ~

.

"""".

Vesículaslni Ves!culasól VIaaérea, si

. -.

•

~itcllos,

• fundOU!

.

CONVERSIONES 1 yarda (yd)

VALORES NORMALES DE LOS COMPONENTES DE lA SANGRE

0,92 metros

""'""''

SUSTANCIA O PARÁMETRO

íceíiifuiitro ~· ii,39pülgaCfi:s 1 cuarto
-Cal~o (Ca2+)

¡ onza(oi) · -· -· ~ -·8'diáCñiaS~z9,s7 mííillitoi(illi¡ doruro (Ci·j ¡ ut;ó- - · · ·· -· ·--·-·--· ···· · · · · rótasio (i<•) ·-- ~~P~--9-!~.~ _de_g#~~ !libra (lb)

iklló~;~o··>

·-

""""'

Vía audltlv¡ Vla deront deam. budede buOede

z,s¡·-centtmetrOs i;ó9¡.ara-.s

1¡Júr&ada (hi¡

.rmetro-····· ·

~

südí0iNá~¡·

..4~3,_§ _giarri_OS_ . 2,2libras

·p¡¡· ·• .. ...

ro;

reo~---·--

TEMPERATURA

MEDIDO EN

4,3-5,.3 mEq/L . .

Su_ero

100:10s iíiEq¡L · ·· suero -3,s:s mEq/L ·· · slieio_.,_ - Tis:i4siiiEqJL ··- súefó. ·. 7,Js-7;45 . sáiígiéiíiie!a ·?s:íoo miíi ili salli< arié;;;;r

. '", - · . . 3wmm-¡¡g,.··--

··sang;é-arterta~

ósmoYáifJá
CONGELACIÓN

Ogrados Celsius ("C)

INfERVALO NORMAL

32 grados Fahrenheit ("F)

273 Kervm (K)

óiircosa; e;; ayunas

agua

70-iióJng/
éréatilliíia ·· · · ó,6:r,s miíííC p;;;,éitíái, !otaies 6-siíctc -··

. Plasma

"-suero· · Suero

1

Para convertir grados Celsius ("C) en grados Fahrenheit ("F): ("C X 9/S) + 32

Modificado de W. F. Ganong, Revíew o{Medical Physiology (Nmwalk: ApPleron & Lange), !995.

Pi!'a convertir grados Fahrenheit ("F) en grados Ceisius ("C): ("F- 32) x S/9 ¿:.

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¿Qué es un "enfoque integrado"? • :~

·t

Cómo

"'

r~gn$trar$~

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Para ingresar en el sitio web es necesario registrarse. Por fav(!r, Siga las instrucciones siguientes: · 1. Ingrese en http://WWW.medicapanamerica~ na.com(fisiologia 2. PulSe el enlace "Sitio web complementarián aliado de la cubierta del libro 3. Pulse ?Sitio web para el estudianten 4. En el reéuadro Registro, pulse "Ingresar/Registrarme~

In lhls th3¡!lw, you learnMVtfrtt!lrnll!!lgM!. Evereslls.sut~a resplf

andwh')'people'l>i!ll em~h)'$ema om:e!lw!ce!he sama re~¡ye

5. En el forTJ.lulario Registro (nuevo usuario) ingrese el código que está debajo de la cubierta protectora y siga las instrucciones en pantalla:

1

6. Después de finalizar el proceso mencionado podrá acceder al sitio web del libro. le sugerimos que incluya la dii'eccióñ eritre sus "Fcivoi'itas" para ingresar más fácilmente en ocasiones posteriores.

.

(*)

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Si es docente, le sugerimos que se registre también como tal para acceder a materiales específicos. En ese caso, en el punto 3 seleccione "Sitio web para el docente" y siga las instruccion_es en pa~talla.

11 ll Uno de los temas_prindpales de este libro es que el cuerpo humano es un conjunto integrado de aparatos y sistemas. Amedida que avance en la lectura1 una de sus tareas será construir su propia perspectiva global del organismo1 sus aparatos y sistemas y los diversos procesos que mantienen su funcionamiento.

.

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Tabla periódica de los elementos

Periodo O Elementos esenciales pr!nclpa!as Cl Elementos esenciales menores D No considerados como esenciales para la vida

2

Número atómico ..

número de protones

13

Nombre

Sfmbolo

Masa atómica

3

4

/:::Pq~~¡;;l.~~·:b~·¡¿¡¡;_:_·:J

5

6

7

Nombre moderno Cobre

Hierro Potasio Sodio

Nombro

en lalfn Cuprlum Ferrum KaUum

Natrlum

--·--·----·-··

srmbolo

,,

e, K Na

------Nota: Jos n(lmeros entro partlntesls corresponden al niJmero másico (el número total de protOnes y neutrones en e! nüc!eo) del Isótopo más estable o mejor conocido de Jos elementos radiactivos.