P r i n c i p i o s de
Fisiología animal www.medilibros.com
C r i s t o p h c r D. M oves P a tric ia M . S c h u lte
PEARSON Addison
YNtedey
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Biláteros ] Cenoforos
Cnidarios ] | Eumetazoos
[ Metazoos Conoflagelados
Ser unicelular
Filogenia de los grupos de animales principales. Este árbol filogenético pre senta una de las dos hipótesis principales respecto a las relaciones entre animales, basada fundamentalmente en la evidencia molecular y de desarrollo. La filogenia de los animales es un área de investigación activa y algunas de estas relacionesx han sido intensamente rebatidas. Situar a los Nemátodos como grupo hermano de los artrópodos en un grupo llamado Ecdysozoa es el asunto más controvertido. Al gunos científicos consideran que los nemátodos son organismos simples que se bi furcaron de otros animales antes de la evolución de los protostones y los denterostones.
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ti P R I N C I P I O S DE
Fisiología Anima
ZZZPHGLOLEURVFRP Christopher D. Moyes, Ph.D. Universidad de Queen's
Patricia M. Schulte, Ph.D. U niversidad de British Columbia
PE A R S O N
San Francisco B oston N ew York C apetow n Hong K ong London M adrid M exico City M ontreal M unich Paris Singapore Sydney Tokyo Toronto
i
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Principios de fisiología animal
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Principios de fisiología animal
CRISTOPHER D. MOYES, PH. D. Queen’s University
PATRICIA M. SCHULTE, PH. D. University of British Columbia
Traducción María González Moreno Doctora en Ciencias B iológicas
Beatriz Gal Iglesias Profesora Titular de Fisiología Universidad Europea de M adrid
Elena Sanjosé Román Traductora profesional
PE A R S O N
Boston • New York • San Francisco • Mexico City • Montreal • Toronto • London • Madrid • Munich • Hong Kong • Singapore • Tokio • Cape Town • Sydney
Datos de catalogación bibliográfica
CHRISTOPHER D. MOYES; PATRICIA M. SCHULTE PRINCIPIOS DE FISIOLOGÍA ANIMAL PEARSON EDUCACIÓN, S.A., Madrid, 2007 ISBN 10: 84-7829-082-6 ISBN 13: 978-84-782-9126-7 Materia: Fisiología, 612 Formato: 215 X 270 mm
Páginas: 800
Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con autorización de los titulares de la propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código Penal). DERECHOS RESERVADOS © 2007 PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 Madrid (España) Christopher D. Moyes; Patricia M. Schulte Principios de Fisiología Animal Authorized translation from the English language edition, entitled PRINCIPLES OF ANIMAL PSYSIOLOGY, 1st Edition by MOYES, CHRISTOPHER D.; SCHULTE, PATRICIA M., published by Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2006. ISBN 10: 84-7829-082-6 ISBN 13: 978-84-782-9126-7 Depósito Legal: ADDISON WESLEY es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACIÓN, S. A. Equipo editorial Editor: Miguel Martin-Romo Técnico editorial: M arta Caicoya Equipo de producción: Director: José Antonio Clares Técnico: José Antonio Hernán Diseño de cubierta: Equipo de diseño de PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Composición: JOSUR TRATAMIENTOS DE TEXTOS, S.L. Impreso por: IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos
Resumen de contenidos P rim e ra p a rte : Las bases celulares de la fisiología animal
Capítulo 1 Introducción a los principios fisiológicos Capítulo 2 Química de la vida
2
20
Capítulo 3 M etabolism o y fisiología celular
66
Capítulo 4 Hormonas y señalización celular
110
Capítulo 5 Estructura y función de la neurona Capítulo 6 M ovim iento celular y músculos
154
208
S e g u n d a p a rte : Integrando sistemas fisiológicos
Capítulo 7 Sistemas sensoriales
260
Capítulo 8 Organización funcional del sistema nervioso Capítulo 9 Sistemas circulatorios
354
Capítulo 10 Sistemas respiratorios
416
Capítulo 11 Agua y equilibrio iónico Capítulo 12 Digestión
526
Capítulo 13 Locomoción
574
Capítulo 14 Fisiología term al Capítulo 15 Reproducción
668
630
472
314
259
Acerca de los autores D r. C h r i s t o p h e r D . M o y e s
D r a . P a t r ic ia M . S c h u lt e
Queen's U niversity
U niversidad de B ritish Colum bia
C hristopher D. Moyes se doc toró en Zoología p o r la U niversidad de British Co lum bia, en el áre a de fisio logía m uscular com parada. Tras u n a b eca postdoctoral en fisiología molecular, en el Instituto Nacional de Salud de U.S., y la Universidad Simon Fraser, es ah o ra pro fesor asociado en el D epartam ento de Biología y Fisiología de la U niversidad de Queen, donde im p arte distintos cursos de fisiología anim al, bioquí m ica co m p arad a y biología celular. U sando un amplio rango de m odelos com parativos y tradiciona les, sus investigaciones se dirigen hacia cuestiones de fisiología m olecular y bioquím ica m etabólica. Uno de sus principales tem as de investigación es el origen evolutivo y de desarrollo, de la variabilidad en la estru ctu ra y función m uscular. Otra área im p o rtan te es la resp u esta anim al al estrés am bien tal. En todas sus investigaciones enfatiza la in teg ra ción de los procesos fisiológicos, desde el nivel m olecular h a sta el organism o en su totalidad. El d octor Moyes h a recibido el Prem io Ontario, g alard ó n a la excelencia in vestigadora. Es m iem bro de la Sociedad de Fisiología A m ericana y de la Sociedad C anadiense de Zoólogos, y p ertenece tam b ién al grupo aseso r en biología an im al de la ju n ta del consejo de investigación en ciencias n a tu rales e in g en iería de C anadá. Es m iem bro del con sejo ed ito rial de C om parative B iochem istry and Physiology. Ha publicado m ás de 60 artículos y h a partici pado en cuatro libros. E ntre sus últim os trabajos se en cu en tran Moyes, C. D. and C. LeMoine, 2005, Con trol of bioenergetic gene expression: im plication for allom etric scaling relationship in glycolitic and oxi dative enzim es, Journal o f E xperim ental Biology 208: 1601-1610, y Da lziel, A. C„ S. E. Moore, & C. D. Moyes, 2005, M itochondrialenzym es content in the m uscles of high perform ance fish: Evolution and varoiation am ong fiber-types, A m erican Journal o f Physiology 288: R163-R172. Más inform ación acerca del autor en su página web: http://biology.queensu.ca/m oyensc. vi
T rish Schulte obtuvo su doc torado en Ciencias Biológicas en la Universidad de S tan ford, en el área de fisiología evolutiva. Realizó su tesis doctoral en el estudio del papel del cam bio de expre sión de genes en la evolución fisiológica. D espués de com pletar sus estudios postdoctorales, obtuvo un puesto de ayudante en la Universidad de W aterloo. Actualm ente es profesora asociada en el D eparta m ento de Zoología de la Universidad de British Columbia, en Vancouver. Sus investigaciones se cen tra n en la relación entre variaciones genéticas, expresión y el estado de las variables am bientales, utilizando los peces como m odelos experim entales p ara el estudio de estas cuestiones. El grupo de investigación de la doctora Schulte, tam bién realiza investigación aplicada en piscifactorías, acuacultivos y toxicología acuática. La doctora Schulte ha recibido el Prem io Ontario, galardón a la excelencia investigadora, así como otros prem ios de docencia, entre los que figuran el prem io a la excelencia en la docencia de la Sociedad UBC Science U ndergraduate y el prem io p a ra profe sores de la Facultad de Ciencias, por sus clases de fisiología anim al. Es m iem bro de la Sociedad Cana diense de Zoología y de la Sociedad de Biología com parativa e integrada, y editora asociada de la revista Physiological and Biochem ical Zoology. Ha publicado cerca de 40 artículos en revistas especializadas y h a colaborado en num erosos libros. Entre sus publicaciones m ás recientes están Todgham , A. E., P. M. Schulte, and G. K. Iwam a, 2005, Cross-tolerance in the tidepool sculpin: the role of h eat shock protein, P hysiological and Biochemical Zoology 78: 133-144 and Scott, G. R., J. T. Rogers, J. G. Richards, C. M. Wood, an d P. M. Schulte, 2004 Intraspecific divergence of ionoregulatory physiology in the euryhaline teleost F undulus heteroclitus: Pos sible m echanism s of freshw ater adaptation, Journal o f E xperim ental Biology 207: 3399-3410. Más inform ación acerca de sus investigaciones, en su página web: www.zoology.ubc.ca/zoology/z/ schulte.
Contenidos P r e fa c io
Las relaciones evolutivas influyen en la m orfología y la fisio logía 17
xx¡
A g r a d e c im ie n t o s
xxx
R esu m e n P r im e r a p a r t e : Las bases celulares de la Fisiología Animal 1
Capítulo 1 Introducción a los principios fisiológicos 2
H
I P r e s e n ta c ió n
17
P re g u n ta s de re v is ió n
18
P re g u n ta s de s ín te s is
19
1®
jÉ g IS fc Capítulo 2 R&SEM La quím ica de la vida
4
I F is io lo g ía : p a s a d o y p r e s e n te
U na b re ve h is to ria de la fis io lo g ía a n im a l
I P r e s e n ta c ió n
4
S u b d is c ip lin a s en la in v e s tig a c ió n fis io ló g ic a
6
Las subdisciplinas fisio lógicas pueden diferenciarse por el nivel b iológ ico de diferenciación 6 Las subdisciplinas fisio lógicas pueden diferenciarse por el proceso que genera variación 8 La fisio logía anim al puede ser una ciencia pura o aplicada 9
I U n ific a n d o c o n c e p to s e n f is io lo g í a
22
I Q u ím ic a y F ís ic a d e la v id a Energía
22
22
Las redes nutricionales son transferencia de energía
24
La energía térm ica es el m ovim iento de las moléculas
25
26
Los enlaces covalentes im plican com partir electrones 9
10
26
Los enlaces débiles controlan la estructura m acrom olecular 27 Los enlaces débiles son sensibles a la tem peratura
Física y q u ím ica :
I P r o p ie d a d e s d e l a g u a 10
S o lv e n te s y s o lu to s
La teoría mecánica nos ayuda a entender cóm o funcionan los organism os 11
29
Las propiedades del agua son únicas
30
Los solutos influyen en las propiedades físicas del agua 31
La tem peratura afecta a los procesos fisio lógicos
Los solutos se m ueven en el agua por difusión
11
Los m odelos bioquím icos y fisio lógicos están in fluido s por el tam año corporal 11
32
En los sistem as biológ icos los solutos im ponen la presión osm ótica 32
El pH y la io n iz a c ió n del a gua
12
29
29
Los potenciales eléctricos son una m oneda de cam bio fundam ental en la fisio logía 11
R e g u la ció n fis io ló g ic a
23
La energía se almacena en gradiente electroquím ico
Enlaces q u ím ic o s
Caja 1.1 M é to d o s y m odelos de sistem as L os m o de lo s de A u g u s t Krogh en fisiología anim al
Las bases de la fis io lo g ía :
20
4
34
La neutralidad no siem pre se da a pH 7
35
La hom eostasis es el m antenim ie nto del m edio interno constante 13
Los ácidos y las bases alteran el pH del agua
Las vías fisio lógicas están controladas por retroalim entación 13
Tanto el pH com o la tem peratura afectan a la ionización de las m oléculas biológicas 36 Las sustancias tam p ón controlan los cam bios de pH
La retroalim entación negativa m antiene la hom eostasis 14
I B io m o lé c u la s
La retroalim entación positiva produce respuestas explosivas 14
F e n o tip o , g e n o tip o y m e d io a m b ie n te
C a rb o h id ra to s
14
Un único gen otipo produce más de un feno tip o
15
La aclim atación y la aclim atización pueden producir cam bios fenotípicos reversibles 15
F is io lo g ía y e v o lu c ió n
16
¿Qué es la adaptación?
16
No todas las diferencias son adaptaciones evolutivas 17
35
37
39 39
Los anim ales utilizan los m onosacáridos en la biosíntesis y com o fuente de energía 39 Los carbohidratos com plejos desempeñan m últiples papeles funcionales y estructurales 40
L íp id o s
41
Los ácidos grasos tienen largas cadenas alifáticas
41
Los ácidos grasos se almacenan com o trig lic é rid o s
42
Los fosfolípidos controlan las m embranas biológicas
43
Vil
V II I
C o n te n id o s
Los esteroides presentan num erosos anillos en su estructura 44
P ro te ín a s
La creatín fosfoquinasa favorece el alm acenam iento y la transferencia de energía 73
44
G ÜCÓ lisis
Las proteínas son polím eros de am inoácidos
44
Las proteínas se pliegan en estructuras tridim ensionales 46
La m itocondria oxida el NADH glico lítico lanzadera redox 75
Las chaperonas ayudan al plegam iento de las proteínas 48
Á c id o s n u c le ic o s
Las deshidrogenasas perm iten oxidar NADH en condiciones anaerobias 76
48
Los ácidos nucleicos son polím eros de nucleótidos
49
B io s ín te s is de c a rb o h id ra to s
La gluconeogénesis sintetiza glucosa a p artir de precursores no carbohidratos 77
El DNA esta organizado en genom as
La síntesis y la degradación de glucógeno están reguladas por horm onas 78
51
52 M e ta b o lis m o d e lí p id o s
Las enzimas son catalizadores orgánicos que aceleran las reacciones quím icas 52
El am biente fisicoquím ico altera la cinética enzimática
Los trig lic é rid o s son la principal form a de alm acenam iento de lípidos 82
55 57
In te g ra c ió n de las ru ta s del m e ta b o lis m o e n e r g é tic o
La regulación alostérica y covalente controlan la velocidad enzim ática 59
84
Los in term edia rios energéticos regulan el equ ilib rio entre anabolism o y catabolism o 84
Las enzimas tran sform an los nutrientes reduciendo energía 59 El ATP es la molécula transportadora de energía libre
Las propiedades físicas de los com bustibles influyen en su elección 85
61
La selección de com bustible puede ser calculada a partir del cociente respiratorio 85
Caja 2 .2 Evolu ción y d iversidad B io lu m in is c e n c ia 62
I F is io lo g ía c e lu la r
63 64
P re g u n ta s de sín te sis
64
82
Los ácidos grasos pueden transform arse en cuerpos cetónicos 83
La cinética enzimática define la actividad enzimática
P re g u n ta s de re v is ió n
80
Los ácidos grasos se sintetizan a partir de acetil CoA
Caja 2.1 R efu erzo m a te m á tic o T e rm o d in á m ic a 54
R esu m e n
80
La (3-oxidación m itocondria l oxida los ácidos grasos
Las enzimas aceleran las reacciones reduciendo la energía de activación de la reacción 53
I
77
El DNA es una doble a-hélice que se em paqueta en crom osom as 50
E n zim a s
I
74
La glicólisis es una ruta m uy rápida pero poco eficiente 74
86
E stru ctu ra de la m e m b ra n a
86
El perfil de los lípidos in fluye en las propiedades de la m em brana 87 Los lípidos de m em brana son heterogéneos
87
El estrés am biental puede alterar la fluidez de la m em brana 88
Capítulo 3 M etabolism o y fisiología celular 66 I P r e s e n ta c ió n
Las m em branas poseen proteínas integrales y periféricas 89
T ra n s p o rte a tra v é s de m e m b ra n a
I M e t a b o lis m o in t e r m e d ia r io M e ta b o lis m o o x id a tiv o
89
Las m oléculas liposolubles atraviesan la m em brana por difusión pasiva 89
68
Las proteínas de m em brana pueden fa c ilita r la difusión de m oléculas no perm eables 90
68
El tran sporte activo utiliza energía para bom bear m oléculas en contra del gradiente 91
68
El acetil CoA es producido por la piruvato deshidrogenasa 69 El ciclo del ácido trica rb o xílico utiliza acetil CoA para generar equivalentes de reducción 69 El sistem a tran sportado r de electrones (ETS) genera un gradiente de protones, calor y especies reactivas de oxígeno 70 La ATPasa F1F0 usa la fuerza m otriz de protones para sintetizar ATP 72 La fosforilación oxidativa m itocondria l puede estar desacoplada 72
Las células excitables utilizan cam bios en el potencial de m em brana para com unicarse 92
I
Caja 3.1 R efu erzo m a te m á tic o E cu a cio n e s de N e rn s t y G o ld m a n
94
C a ra cte rístic a s e s tru c tu ra le s de las cé lu la s a n im a le s
94
La m itocondria es la central energética de la célula
95
El citoesqueleto controla la form a celular y la dirección del m o vim ien to in tracelular 96
C o n te n id o s
El retículo endoplasm ático y el aparato de G olgi m edian en el transporte de vesículas 97
T ra n sd u c c ió n de la señal vía re c e p to re s a c o p la d o s a p o te ín a G 126
La m atriz extracelular participa en las interacciones entre las células 98
G e n é tica fis io ló g ic a y g e n ó m ic a
Los receptores acoplados a proteína G activan segundos m ensajeros 126
100
I
El control de la tran scripción se produce en regiones reguladoras de los genes 100 La degradación de RNA influye en los niveles de RNA
I
Caja 4.1 Evolución y d iversidad R e c e p to re s a c o p la d o s a p ro te ín a G
101
Caja 3 .2 M é to d o s y m odelos de sistem as DNA A rra y s 102
La G uanilato ciclasa produce GMPc Cambios globales en la traducción controlan numerosas vías 103 Las células reducen rápidam ente los niveles de proteínas a través de la degradación proteica Las variantes proteicas se producen por la reorganización y la duplicación de genes
128
La fosfolipasa C produce fo s fa tid ilin o s ito l
128
El AM Pc fue el segundo m ensajero que p rim ero se descubrió 130
104
I S is te m a s d e s e ñ a liz a c ió n c e lu la r
131
105
La duplicación en genom as ancestrales contribuye a la diversidad fisio lógica 106
R esu m e n
126
Las rutas de transducción de la señal de proteína G im plican uno de los cuatro segundos mensajeros 127 Las rutas de transducción de las señales m ediadas por Ca2+ actúan a través de la calm odulina 127
S e ñ ale s c e lu la re s a u to c rin a s y p a ra c rin a s
131
S e ñ a liza c ió n c e lu la r en el s is te m a n e rv io s o
133
108
S e ñ a liza c ió n c e lu la r en el s is te m a e n d o c rin o P re g u n ta s de re v is ió n
109
P re g u n ta s de sín te sis
109
Las horm onas esteroídicas alteran la tran scripción en la célula diana 135 Las horm onas am ina tienen diferentes efectos
a
Capítulo 4 Horm onas y señalización celular 110
I P r e s e n ta c ió n
I
I E s tró g e n o s a m b ie n ta le s
137
S e ñ ale s c e lu la re s e x o c rin a s
138
R e g u la c ió n de la se ñ a liz a c ió n c e lu la r
112
113
M uchas horm onas son reguladas com o parte de vías endocrinas de segundo orden 142
113
Las horm onas pituita rias están reguladas a m uchos niveles 142
L ib e ra c ió n de un m e n s a je ro q u ím ic o d e sd e una
La regulación de la glucosa en sangre ilustra los principio s de la señalización celular 144
114
T ra n s p o rte a la cé lu la d ia n a
115
I E v o lu c ió n d e la s e ñ a liz a c ió n c e lu la r
C o m u n ic a c ió n de la señal a la cé lu la d ia n a
117
La unión ligando-receptor sigue la ley de acción de masas 118
I V ía s d e tr a n s d u c c ió n d e s e ñ a le s
119
I I
Caja 4 .3 A p lica c io n e s C o m u n ic a c ió n in te rc e lu la r y d ia b e te s
121
147
Caja 4 .4 Evolu ción y d iversidad Ecdisona: una horm ona esteroide de artrópo dos
R esu m e n
120
C anales ió n ic o s d e p e n d ie n te s de lig a n d o
152
P re g u n ta s de re v is ió n
153
P re g u n ta s de s ín te s is
153
T ra n s d u c c ió n de la señal vía re c e p to r e n z im á tic o
122
Los receptores guanilato ciclasas producen GM Pcíclico 123 El receptor tirosín quinasa funciona a través de las proteínas Ras 124 Los receptores serina/treonina quinasas activan directam ente cascadas de fosforilación 125
147
116
Las interacciones ligando-receptor son específicas
R ece p to re s in tra c e lu la re s
140
A lgunas horm onas son parte de vías endocrinas directas 141
R asgos g e n e ra le s de la se ñ a liza ció n c e lu la r
c é lu la s e ñ a liza d o ra
136
I Caja 4 .2 A p lica c io n e s
La b a s e b io q u ím ic a d e la c o m u n ic a c ió n c é lu la a c é lu la
133
Las horm onas peptídicas activan vías de transducción de la señal 133
Capítulo 5 Estructura y función de la neurona 154 I P r e s e n ta c ió n
156
150
IX
X
C o n te n id o s
I
La capacitancia de m em brana in fluye en la velocidad de conducción 186
S e ñ a liz a c ió n e n la n e u r o n a m o to r a d e v e r te b r a d o s
156
S e ñ ale s e lé c tric a s en las n e u ro n a s
Los axones gigantes tienen una alta velocidad de conducción 188
158
Canales iónicos activables perm iten a la neurona m odifica r sus potenciales de m em brana 159
Caja 5.2 M é to d o s y sistem as de m odelos El a x ó n g ig a n te d el c a la m a r 190
S e ñ ale s en las d e n d rita s y el c u e rp o c e lu la r Los potenciales graduados varían en m agnitud 5.1 I Caja E stu d ia n d o lo s c a n a le s ió n ic o s
159
E volución de los axones m ielinizados en los vertebrados 190
160
La m ielinización increm enta la velocidad de conducción 191
M é to d o s y sistem as de m odelos
160
D iv e rs id a d en la tra n s m is ió n s in á p tic a
Los potenciales graduados son señales a corta distancia 162
I
Los potenciales graduados están integrados para disparar potenciales de acción 164
S e ñ ale s en el a xó n
Caja 5.3 Evolu ción y diversidad La e v o lu c ió n de las v a in a s de m ie lin a
191
192
Las sinapsis eléctricas y quím icas juegan un papel diferente 193
165
Las sinapsis quím icas tienen diferentes estructuras
Los canales dependientes de voltaje producen el potencial de acción 166
Existen varios tip o s de neurotransm isores
194
194
Los canales de Na+ dependientes de v oltaje tienen dos com puertas 167
Los neurotransm isores pueden ser excitadores o in hibidores 197
Los potenciales de acción trasm iten señales a larga distancia 169
Los receptores de neurotransm isores pueden ser io notróp icos o m etabotrópicos 197
Las neuronas m otoras de los vertebrados están m ielinizadas 170
Los receptores de acetilcolina pueden ser ionotróp icos o m etabotrópicos 198
Los axones conducen los potenciales de acción unidireccionalm ente 170
Las am inas biogénicas tienen diferentes papeles fis io ló g ic o s 199
La frecuencia de los potenciales de acción aporta in form ación 172
Las neuronas pueden sintetizar más de un tip o de neu rotransm isor 200
S e ñ ale s a tra v é s de la sin a p s is
La liberación de neurotransm isores varía dependiendo del estado fis io ló g ic o 202
173
El Ca2+ in tracelular regula la liberación del n eu rotransm isor 173
E vo lu c ió n de las n e u ro n a s
202
La frecuencia de los potenciales de acción afecta a la liberación del neu rotransm isor 174
Sólo los anim ales tiene n canales de Na+ dependientes de voltaje 203
La acetilcolina es el neu rotransm isor p rim ario en la union neu rom uscular de vertebrados 175
La m ayoría de los organism os utilizan sustancias quím icas para la com unicación in tercelular 203
Las células postsinápticas expresan receptores específicos 175
R esu m e n
La cantidad de neu rotransm isor y la actividad del receptor influyen en la in tensidad de la señal 176
I D iv e r s id a d e n la s e ñ a liz a c ió n n e u r o n a l D iv e rs id a d e s tru c tu ra l de las n e u ro n a s
P re g u n ta s de s ín te s is
205 205
\n
177
Las neuronas pueden clasificarse según su función
178
Las neuronas pueden clasificarse según su estructura 179 Las neuronas están asociadas con células de la glía
D iv e rs id a d en la c o n d u c c ió n de la señal
204
P re g u n ta s de re v is ió n
180
I P r e s e n ta c ió n
181
Los canales iónicos dependientes de voltaje están codificados por distinto s genes 181
210
I C it o e s q u e le to y p r o te ín a s m o to r a s
Los canales de Ca2+ dependientes de voltaje tam bién pueden verse im plicados en los potenciales de acción 183 La velocidad de conducción varía entre los axones
Capítulo 6 M o vim ien to celular y músculos 208
183
M ic ro tú b u lo s
211
211
Los m icrotú bulo s están com puestos por a-tubulina yP -tubulina 211 Los m icrotúbulos m uestran inestabilidad dinám ica
Las propiedades de cable del axón in fluyen en el flu jo de corriente 183
La polaridad del m icro tú b u lo determ ina la dirección del m o v im ie n to 215
La resistencia in tracelular y de m em brana influye en la velocidad de conducción 185
La kinesina y la dineína se m ueven a lo largo del m icro tú b u lo 216
213
C o n te n id o s
Los cilios y los flagelos están form ado s por m icrotú bulo s 216
I
Caja 6.1 E volución y diversidad A d a p ta c ió n té rm ic a en m ic ro tú b u lo s
M ic ro fila m e n to s
D iv e rs id a d m u s c u la r en v e rte b ra d o s e in v e rte b ra d o s
217
A lteraciones in dividuales de las fibras en respuesta a los cam bios en las condiciones fisio lógicas 247
218
Los m icrofilam entos son polím eros de actina
219
Los m úsculos de los invetebrados se contraen en respuesta a un gradiente excitatorio de potenciales postsinápticos 248
La polim erización de la actina puede generar m o vim ie n to 220 La actina usa a la m iosina com o proteína m otora
221
Los m úsculos asincrónicos del vuelo de insectos no usan trán sitos de Ca2+ 249
El m odelo de fila m e n to deslizante describe la actividad actina-m iosina 222 La actividad de la m iosina está in fluida por el desplazam iento unita rio y el ciclo o b lig a to rio
I
Los órganos de calor y los órganos eléctricos son m odificaciones m usculares 250
224
El m úsculo liso no tiene organización sarcom érica 252
E s tr u c tu r a d e l m ú s c u lo y r e g u la c ió n d e la c o n t r a c c ió n
I
225
E s tru ctu ra del a p a ra to c o n trá c til del m ú s c u lo e s tria d o de v e rte b ra d o s
246
Los diferentes tipos de fibras musculares son consecuencia de la com binación específica de proteínas 246
Caja 6 .4 G en é tic a y g e nó m ica D e s a rro llo y d ife re n c ia c ió n m u s c u la r
226
Los m úsculos están form ado s por fila m en tos fin o s y gruesos 226
Los entrecruzam ientos m antienen la contracción del m úsculo liso durante largos periodos 255
Los fila m en tos fin o s y gruesos se organizan en sarcóm eros 228
R esu m e n
256
La m iosina II tiene un ciclo o b lig a to rio y un desplazam iento unita rio 229
P re g u n ta s de re v is ió n
258
La organización del sarcóm ero determ ina las propiedades contráctiles de las células m usculares 229
P re g u n ta s de s ín te s is
258
R e g u la ció n de la c o n tra c c ió n del m ú s c u lo e s tria d o de v e rte b ra d o s
252
La contracción del m úsculo liso está regulada por fila m en tos proteicos tanto fin o s com o gruesos 254
S e g u n d a parte: Integrando sistemas
231
fisiológicos
259
Las proteínas del fila m e n to fin o dan la sensibilidad al Ca2+ 232 El com ple jo trop onin a -tro p o m io sin a influye en la cinética de la contracción 233
I
Los fila m en tos gruesos tam b ién influyen en las propiedades contráctiles 236
E x c ita ció n
237
Los m úsculos son excitados por un potencial de acción 237
I
Sistem as sensoriales
Caja 6.2 E volución y diversidad M ú s c u lo s s ó n ic o s 235
Caja 6.3 R efu erzo m ate m á tic o C a m b io s del s a rc ó m e ro en la g e n e ra c ió n d e fu e rz a y el a c o rta m ie n to 238 Las células del m úsculo m iogé nico se despolarizan espontáneam ente 240
I P r e s e n ta c ió n
I
260
262
P r o p ie d a d e s g e n e r a le s d e la r e c e p c ió n s e n s o r ia l
263
C la s ific a c ió n de lo s re c e p to re s s e n s o ria le s
264
Los receptores puedes clasificarse según la localización y m odalidad del estím ulo 264 Los receptores pueden detectar más de un tip o de e stím ulo 264
C o d ific a c ió n del e s tím u lo en el s is te m a se n s o ria l
265
Los m úsculos neurogénicos se excitan por neurotransm isores 240
La localización del receptor puede codificar la m odalidad y la localización del estím ulo 265
Lostú b u lo s-T refuerzan la acción potencial al penetrar en el m iocito 241
Los receptores sensoriales tienen un cam po receptivo 265
El Ca2+ para la contracción proviene de reservas intracelulares o extracelulares 242
Los receptores sensoriales tienen un rango dinám ico
La activación de los receptores de d ih id ro p irid in a induce la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplásm ico 243 La relajación sigue a la e lim inación de Ca2+ del citoplasm a 244
El fraccionam iento del rango increm enta la discrim inación sensorial 268 M uchos receptores codifican las señales logarítm icam ente 268 Los receptores tónicos y fásicos codifican la duración del estím ulo 268
266
XI
X II
C o n te n id o s
I Q u im io r r e c e p c ió n El sis te m a o lfa tiv o
Los m ecanism os de fototransducción difieren entre organism os 297
269 270
El sistem a o lfativo de vertebrados puede d is tin g u ir m iles de olores 270 Los receptores olfativo s son proteínas G
Las lentes enfocan la luz en la retina
Los m ecanism os olfativo s de invertebrados difieren de los de vertebrados 272
I
273
El cerebro procesa la señal visual
I T e r m o r r e c e p c ió n
La recepción gustativa es diferente entre vertebrados e invertebrados 276
I M a g n e to r r e c e p c ió n
I
277
Los insectos tienen dos tipos de m ecanorreceptores
277
Los mecanorreceptores Tipo I de los insectos se encuentran en los sensilios y órganos cordotonales
278
Los propioceptores de los vertebrados m onitorizan la posición del cuerpo 281
E q u ilib rio y o íd o
308
Sistemas integradores: Sistema sensoriales y ritmos circadianos 310 312
P re g u n ta s de re v is ió n
313
P re g u n ta s de sín te s is
313
281
Los estatocistos son el órgano de e q u ilib rio de los invertebrados 281 Los órganos de vertebrados del e q u ilib rio y la audición tiene n células ciliadas 281 Las células ciliadas se encuentran en el sistem a de la línea lateral y oídos de los peces 284
31 6
I La o rg a n iz a c ió n d e lo s s is te m a s n e r v io s o s
Caja 7.1 Evolución y d iversidad E le c tro rre c e p c ió n 285
La e v o lu c ió n de los s is te m a s n e rv io s o s
317
317
Los anim ales sim étricos bilateralm ente presentan cefalización 318
El oído interno es el órgano del equ ilibrio en los vertebrados 286 El oído interno detecta sonidos
Capítulo 8 Organización funcional de los sistemas nerviosos 314 I P r e s e n ta c ió n
El oído de vertebrados tiene función de audición y de equilibrio 284
I
307
Caja 7.3 Evolución y diversidad La e v o lu c ió n de la v is ió n tric ro m á tic a en p rim a te s 309
R esum en
Los receptores táctiles de vertebrados se encuentran am pliam ente distrib u id o s 280
305
La visión del color requiere m últiples tipos de fotorreceptores 306
La codificación es diferente entre los sistem as olfativo y gustativo 276
R ece p to re s de ta c to y p re s ió n
301
302
La retina de los vertebrados realiza cierto grado de procesam iento in icia l 303
Los receptores de gusto de los vertebrados utilizan diver sas señales com o m ecanismo de transducción 274
277
300
Caja 7.2 G en é tic a y g enó m ica S im ilitu d e s m o le c u la re s de lo s d ife re n te s o jo s La fototransducción ocurre en la retina
Los botones gustativos son los receptores gustativos en vertebrados 274
I M e c a n o r r e c e p c ió n
298
La estructura de los ojos de vertebrados está relacionada con su funció n 300
271
Un sistem a quim iosenso r diferente detecta las fero m on as 272
El sis te m a g u s ta tiv o
E stru ctu ra y fu n c ió n de los o jo s
El sistem a nervioso central de los vertebrados está in cluido en una caja protectora 320
289
En los vertebrados terrestres, la audición involucra los oídos interno, m edio y externo 290
Los nervios craneales y espinales form an sinapsis en el sistem a nervioso central 321
El oído interno en los m am íferos posee estructuras especializadas para la detección del sonido 290
El sistem a nervioso central está separado del resto del cuerpo 322
Las células ciliadas externas am plifican los sonidos Los oídos pueden detectar la localización del sonido
I F o to r r e c e p c ió n F o to rre c e p to re s
292 292
El tam año y estructura del encéfalo varían entre los vertebrados 323
292
E stru ctu ra y fu n c ió n del e ncé falo de los
293
m a m ífe ro s
La estructura de los fotorreceptores difiere en los d istinto s anim ales 293 Los vertebrados tienen dos tipos de fotorreceptores
El encéfalo de los vertebrados se divide en tres partes principales 323
325
El rom bencéfalo sustenta funciones básicas 294
Los crom ó foros perm iten a los fotorreceptores absorber luz 296
325
El mesencéfalo está m uy reducido en los m amíferos El prosencéfalo controla procesos com plejos El hipotálam o m antiene la hom eostasis
328
327
326
C o n te n id o s
I
Caja 8.1 A p lica c io n e s S ín d ro m e de l ce re b ro d iv id id o
Las bom bas propulsan líquidos a través de los sistem as c irculato rios 357
328
El sistem a lím bico afecta a las em ociones La corteza integra e interpreta in form ación
I El s is te m a n e r v io s o p e r ifé r ic o V ías n e u ro v e g e ta tiv a s
330
Los sistemas circulatorios mueven un líquido interno
330
E v o lu c ió n de lo s s is te m a s c irc u la to rio s
332
M uchos anélidos poseen sistem as circulato rios cerrados 361
335
Las vías neurovegetativas com parten algunas características estructurales 336
La mayoría de los m oluscos poseen sistem as c irculato rios abiertos 362
La anatom ía de las ram as sim pática y parasim pática difiere 336
Todos los artrópodos poseen sistem as circulatorios abiertos 362
Algunos efectores reciben sólo inervación sim pática Caja 8.2 A p lica c io n e s S u b tip o de re c e p to r y d is e ñ o de fá rm a c o s
Los cordados invertebrados poseen sistem as c irculato rios abiertos 364
337
La lamprea y el m ix in o poseen sistem as circulatorios abiertos 364
338
El sistem a nervioso central regula el sistem a nervioso autónom o 339
Vías m o to ra s s o m á tic a s
I
359
359
A lguno s anim ales carecen de verdaderos sistem as circulato rios 360
333
Las ram as sim pática y parasim pática actúan conjuntam ente para m antener la hom eostasis
I
Los sistem as circulato rios pueden ser abiertos o cerrados 358
329
El tálam o actúa com o una estación repetidora
Los vertebrados gnatostom ados poseen sistem as c irculato rios cerrados 364 El circuito pulm o nar se desarrolló en los peces pulm o nados 365
340
M uchos tetrápodos poseen circuitos pulm onares y sistém icos com pletam ente separados 366
F u n c io n e s in t e g r a d a s d e l s is te m a n e r v io s o
341
C o o rd in a c ió n del c o m p o rta m ie n to
Las aves y los m am íferos poseen circuitos pulm onares y sistém icos com pletam ente separados 367
341
Los arcos reflejos controlan m uchos com porta m ientos in volun tario s 341
I C o ra z o n e s
367
Los generadores de patrones inician los c om porta m ien tos rítm icos 342
Los co razo n e s de lo s a rtró p o d o s
Los generadores de patrones gobiernan el com porta m iento natatorio de la sanguijuela 343
Los co razo n e s de lo s v e rte b ra d o s
Los generadores de patrones y reflejos están in volucra dos en el m o vim ie n to de los tetrápod os 344 El encéfalo coordina m ovim ie n to s volu n ta rio s
A p re n d iz a je y m e m o ria
I
345
368 368
Caja 9.1 M é to d o s y sistem as de m odelos T ra n s c rip c ió n de fa c to re s y d e s a rro llo del c o ra z ó n 369 El m iocardio puede ser espongiform e o com pactado Los corazones de los peces se disponen en serie
346
370 371
Los invertebrados presentan capacidades de aprendizaje y m em oria de nivel elem ental 346
El corazón de los anfib ios consta de tres cavidades 371
El hipocam po es im portante para la conform a ción de la m em oria en los m am íferos 349
La mayoría de los reptiles poseen corazones de cinco cavidades 372 Las aves y los m am íferos poseen cuatro cavidades en el corazón 373
Sistemas integradores: El estrés y e l encéfalo 351 R esum en
C iclo c a rd ia c o
352
P re g u n ta s de re v is ió n P re g u n ta s de sín te sis
I
353
374
Caja 9 .2 Evolu ción y d iversidad Las d e riv a c io n e s en lo s c o c o d rilo s
374
El corazón de algunos vertebrados se llena de form a activa 376
353
Los ventrículos derecho e izquierdo desarrollan diferentes presiones 376
C o n tro l de la c o n tra c c ió n
Capítulo 9 Sistem as circulatorios I P r e s e n ta c ió n
354
El sistem a nervioso puede m odular el índice de los potenciales de cardiorregulación 378
356
I S is te m a s c ir c u la t o r io s
Las vías conductoras distribu yen la despolarización por el corazón 380
356
C o m p o n e n te s de los s is te m a s c irc u la to rio s
377
Las células cardiorreguladoras inician el latido del corazón 377
357
Los potenciales de acción cardiacos cuentan con una fase am pliada de despolarización 381
X II I
X IV
C o n te n id o s
La actividad eléctrica in tegrada del corazón puede detectarse con ECG 381 El corazón funciona com o un órgano integrado
La sangre contiene glóbulos
382
El gasto cardiaco es el producto de la frecuencia cardiaca y el volum e n sistólico 383 Los sistem as nervioso y endocrino pueden m odular el volum e n sistólico 383 El volum en teled iastólico m odula el volum en sistólico 384
I La c ir c u la c ió n
406
Los e ritro citos transportan oxígeno
385
La sa n g re de lo s v e rte b ra d o s
406
407
Sistemas integradores: El sistema circulatorio durante el ejercicio 409 R esu m e n
411
P re g u n ta s de re v is ió n
413
P re g u n ta s de s ín te s is
414
La fís ic a de la c o rrie n te s a n g u ín e a
386 El flu jo total es constante en todas las partes del sistem a circulato rio 386
I Caja 9 .3
R efu erzo m a te m á tic o L ey de P o is e u ille 387
La velocidad del flu jo esta determ inada por la presión y el área de sección transversal 388 La gravedad afecta al sistem a circulato rio
389
Vasos s a n g u ín e o s de los v e rte b ra d o s
390
Capítulo 10 Sistem as respiratorios I P r e s e n ta c ió n
I E s tra te g ia s r e s p ir a to r ia s
El espesor de la pared varía entre los vasos sanguíneos 391 Los vasos sanguíneos experim entan angiogenia
392
El flu jo en los sistem as c ircula to rio s de los v e rte b ra d o s 392
41 6
418 419
La física de lo s s is te m a s re s p ira to rio s Los gases ejercen presión
419
419
La ley de Henry describe cóm o los gases se disuelven en líquidos 420 Los gases se difunden a diferentes tasas
421
Los líquidos fluyen de las áreas de m ayor presión a las de m enor presión 421
I Caja 9 .4
G en é tic a y g e nó m ica A n g io g e n ia 393
La resistencia se opone al flu jo
Las arterias dism inuyen las fluctuaciones de presión 394
422
Determ inados anim ales pueden depender de la difusión 423
La presión arterial media está determ inada por las presiones sistólica y diastólica 394 Las arteriolas controlan la d istribu ción sanguínea
422
T ip o s de sis te m a s re s p ira to rio s
395
La autorregulación m iógena m antiene la corriente sanguínea 395 La actividad m etabólica del te jid o in fluye en la corriente sanguínea 396 Los sistem as nervioso y endocrino regulan el diám etro a rte riolar 397 La presión sanguínea puede forzar líquido hacia el exterior de los capilares 398
La m ayoría de los anim ales utilizan una de las tres estrategias respiratorias principales 424 La superficie de in tercam bio gaseoso en general está ventilada 425 La perfusión de la superficie respiratoria afecta al in tercam bio gaseoso 425
I V e n tila c ió n e in t e r c a m b io g a s e o s o
427
V e n tila ció n e in te rc a m b io g a se o so en el a gua
428
El sistem a linfático devuelve los líquidos filtra d o s al sistem a circu la to rio 399
Los m oluscos em plean diversas estrategias para ventilar las branquias 429
Las bom bas respiratorias y del m úsculo esquelético contribuye n al reto rno venoso hacia el corazón 400
Las branquias de los crustáceos se ubican en los apéndices 429
Las venas actúan com o depósito de volum e n
Los equ inode rm os cuentan con diferentes estructuras respiratorias 430
401
R e g u la c ió n de lo s s is te m a s c irc u la to rio s de los v e rte b ra d o s 401 El reflejo barorreceptor es el m edio principal de regulación de la MAP 401 Los riñones desempeñan un papel principal en el m antenim ie nto del volum e n sanguíneo 403 Los cam bios en la postura corporal pueden alterar la presión y la corriente sanguínea 403
I S a n g re
405
C o m p o s ic ió n de la sa n g re La sangre contiene proteínas
Las lam preas al alim entase em plean la ventilación c orriente en las branquias 430 Los elasm obranquios utilizan una bom ba bucal para la ventilació n 432 Los peces teleósteos em plean una bom ba bucal-opercular para la ventilació n 432 Las branquias de los peces están dispuestas para el flu jo a contracorriente 433
V e n tila c ió n e in te rc a m b io g a s e o s o en el a ire 405 405
434
Los artrópodos em plean diferentes m ecanism os para el intercam bio gaseoso en el aire 434
C o n te n id o s
Caja 10.1 I Estrategias respiratorias de los in secto s acuá ticos
436
M uchos insectos ventilan la tráquea de form a activa
437
Evolución y d iversidad
H ip o x ia a m b ie n ta l
Los organism os que respiran en el aire experim entan hipoxia de altitu d 464
La respiración aérea ha evolucionado varias veces en los vertebrados 439 Los anfib ios ventilan los pulm ones m ediante una bom ba bucal 440 Los reptiles ventilan los pulm ones m ediante una bom ba aspirante 441 Las aves ventilan los pulm ones de form a unidireccional 442 Los alveolos son el lugar donde se produce el intercam bio gaseoso en los m am íferos 444 Los mamíferos emplean al ventilación corriente para los pulm ones 445
463
Los peces responden a la hipoxia de diferentes m aneras 464
I
Caja 1 0.3 E volución y diversidad S u p re s ió n m e ta b ó lic a h ip ó x ic a 465
Sistemas integradores: La fisiología de la inmersión R esu m e n
467
469
P re g u n ta s de re v is ió n
470
P re g u n ta s de s ín te s is
471
El trab ajo requerido para la ventilació n depende de la resistencia de los pulm ones 446 Los tensioactivos aum entan la distensibilidad pulm onar 446 La resistencia de las vías aéreas in fluye en el trabajo necesario para respirar 447
Capítulo 11 Equilibrio iónico e hídrico
Los sistem as pulm onares basados en la aspiración presentan considerables espacios m uertos 447 Las pruebas de funció n pulm o nar m iden la funció n y el volum en pu lm o n a r 448 La equivalencia entre la ventilació n y la perfusión es im portante para el in tercam bio gaseoso 448
I El t r a n s p o r t e g a s e o s o a lo s t e jid o s El tra n s p o rte de o x íg e n o
475
E stra te g ia s para la re g u la c ió n ió n ica y o s m ó tic a 475
449
El e ntorno proporciona agua y solutos en diversas form as 476 450
I
Los pigm entos respiratorios presentan curvas de e q u ilib rio de oxígeno características 451
Caja 11.1 E volución y diversidad V ida s in agua 478
La form a de las curvas de e q u ilib rio de oxígeno puede d ife rir 453
Los solutos se pueden clasificar en desestabilizadores, com patibles o contrarrestantes 479
El pH y el Pco de la sangre pueden in flu ir en la afinidad por el oxígeno 454
Las células transportan los solutos al in terior y al exterior del líquido extracelular para controlar el volum en celular 480
La tem peratura afecta a la afinidad por el oxígeno
455
El pap e l de lo s te jid o s e p ite lia le s
Caja 1 0.2 Evolución y d iversidad La h e m o g lo b in a de e fe c to R o o t y las v e jig a s n a ta to ria s 456
T ra n s p o rte de d ió x id o de c a rb o n o
458
La curva de e q u ilib rio de d ió x id o de carbono cuantifica el transporte de d ióxido de carbono 459 La oxigenación de la sangre in fluye en el tran sporte de C 02 459 Los glóbulos rojos de los vertebrados intervienen en el tran sporte de C 0 2 460 El sistem a respiratorio regula el pH de la sangre
461
R e g u la c ió n d e lo s s is te m a s r e s p ir a to r io s e n lo s v e r te b r a d o s
482
Los tejidos epiteliales com parten cuatro propiedades especializadas que influyen en el m o v im ie n to iónico 485 Los solutos se desplazan a través de los tejidos epiteliales por m edio del tran sporte paracelular y transcelular 486 Las branquias de los peces transportan iones dentro y fuera del agua 487 Los epitelios digestivos intervienen en la transferencia de iones y agua 489 Los reptiles y las aves poseen glándulas de sal
490
Las glándulas rectales de los elasm obranquios excretan Na+ y Cl_ m ientras retienen urea 491
E xcre ció n de n itró g e n o
461
La re g u la c ió n de la v e n tila c ió n
482
El integ um e nto es una barrera osm ótica
Los m oduladores orgánicos in fluyen en la afinidad por el oxígeno 458
I
474
I E q u ilib r io ió n ic o e h íd r ic o
449
Existen tres tipos de pigm e nto s respiratorios
I
I P r e s e n ta c ió n
472
491
El am oniaco se produce en el m eta bolism o de los am inoácidos 492
461
El aporte quím ico sensorial in fluye en la ventilación 462
La aves, los reptiles y los insectos excretan ácido úrico 494
Otros factores que regulan la respiración
La urea se produce en el ciclo de la ornitina-urea
463
494
XV
XVI
C o n te n id o s
I
Caja 1 1.2 G en é tic a y g e nó m ica E vo lu ció n del c ic lo de la urea 496
R esum en
Cada estrategia de desecho de nitrógen o tiene un gasto inherente 497
523
P re g u n ta s de re v is ió n P re g u n ta s de sín te s is
524 524
La m odalidad de excreción de nitrógeno puede cam biar con el desarrollo o las condiciones ambientales 497 Los peces cartilaginosos producen urea en calidad de o sm o lito 498
I El r iñ ó n
Capítulo 12 Digestión 526
498
F u n c ió n y e s tru c tu ra del riñ ó n
499
La filtra ció n ocurre en el glo m é ru lo
I P r e s e n ta c ió n
501
Cada región del tú b u lo tiene propiedades específicas de tran sporte y perm eabilidad 501 La orina prim aria se m odifica m ediante la reabsorción y la secreción 503
I lo s n u t r ie n te s Los n u trie n te s
El asa de Henle y el tú b u lo colecto r actúan com o m u lti plicadores de contracorriente 505
I
528
La n a tu r a le z a y a d q u is ic ió n d e 528 529
La alim entación aporta energía para la actividad, el crecim iento, el m antenim ie nto y la reproducción
Los anim ales necesitan el ácido linoleico y linolénico en la alim entación 530
La m icción es regulada por m edio de reflejos y vías superiores 507
Las vitam inas y m inerales participan en la catálisis
C o n tro l de la fu n c ió n renal
507
Los organism os sim bióticos contribuye n con la fisio logía digestiva anim al 532
Caja 1 1 .4 M é to d o s y sistem as de m odelos M e d ic ió n de la ta sa de filtra c ió n g lo m e ru la r 509
Los nutrientes se transportan a través de la m em brana plasm ática m ediante portadores o vesículas 533
Reguladores intrínsecos y extrínsecos controlan laGFR 510
Caja 12.1 Evolución y d iversidad S im b io n te s q u im io litó tr o fo s 534
La vasopresina altera la perm eabilidad del túbulo colector 511 La aldosterona regula el equilibrio de sodio y potasio
Los carbohidratos se hidrolizan en la luz y se desplazan m ediante diversos portadores 535
511
Las proteínas se descom ponen en am inoácidos m ediante proteasas y peptidasas 536
La vía renina-angiotensina-aldosterona regula la presión sanguínea 513 El péptido natriurético auricu lar tam bién desempeña en un papel im portante en el e q u ilib rio sódico 514 Los factores hipotalám icos regulan la sed
Los lípidos se transportan de diversas maneras
E n c o n tra r y c o n s u m ir a lim e n to s
514
1 2.2 I Caja D ietas a n im a le s y sa lu d h u m a n a A p lica c io n e s
515
Los invertebrados presentan riñones p rim itiv o s llam ados nefridios 515 El riñón de los insectos es el tu b o de M a lpigio
540
Los anim ales sim ples digieren el alim ento den tro de las vesículas fagocitarias 541
516
Los riñones de los cond rictios producen una orina hiposm ótica y retienen urea 517
Las estructuras alim entarias se equiparan con la alim entación 542
El papel de los riñones difiere en los peces de agua dulce y de agua salada 518
Los picos de las aves se com ponen de tejido queratinizado 544
El riñón de los anfibios cam bia durante la m etam orfosis 518
Los m am íferos cuentan con dientes óseos
Los anim ales terrestres cuentan con riñones que ayudan a conservar el agua 519
I
537
539
Los anim ales detectan el alim ento m ediante pistas quím icas, eléctricas y térm icas 539
V a ria c ió n e v o lu tiv a en la e s tru c tu ra y fu n c ió n de lo s s is te m a e x c re to re s
Caja 1 1.5 E volución y diversidad A n im a le s del d e s ie rto 520
Sistemas integradores: Interacción de los sistemas cardiovascular y excretor en la regulación de la presión sanguínea 521
531
La digestión de determ inados nutrientes requiere enzimas específicas 532
La presión de la filtra ció n glo m e ru la r se ve afectada por la presión hidrostática y oncótica 508
I
529
Un s um inistro inadecuado de am inoácidos esenciales afecta al crecim ien to 530
Caja 1 1.3 Fu nd a m en to s m ate m á tic o s S is te m a s de c o n tra c o rrie n te 506
544
In te g r a c ió n d e la d ig e s tió n c o n el m e t a b o lis m o Los s is te m a s d ig e s tiv o s
I
545
545
Caja 1 2.3 G en é tic a y g enó m ica V a ria c ió n en lo s p ic o s de ave 546 La com plejidad intestinal se relaciona con la aparición del celom a 549
C o n te n id o s X V I I
El sistem a digestivo de los anim ales com plejos m axim iza la superficie 550
El m úsculo debe recuperarse de la actividad de alta intensidad 586
Los com partim e nto s especializados aum entan la eficacia digestiva 551
Transiciones m etabólicas que acom pañan al ejercicio prolongado 587
Las glándulas salivales secretan agua y enzimas digestivas 553
Las horm onas controlan la oxidación de com bustible en los músculos 588
El estóm ago secreta ácido y m ucosa
554
P e rfu s ió n y s u m in is tro de o x íg e n o a los
La m ayoría de los nutrientes se absorben en los in testinos 554
m ú s c u lo s
R e g u la ció n de la a lim e n ta c ió n y la d ig e s tió n
556
Las horm onas controlan el deseo de alim entarse
557
I
Los agentes vasoactivos regulan el diám etro de los vasos sanguíneos 592
Caja 1 2 .4 F u n dam en tos m ate m á tic o s Teoría del re a c to r in te s tin a l 558
La m ioglobina ayuda en el s u m in is tro y utilización del oxígeno 592
Las horm onas y los neurotransm isores controlan las secreciones 560
S iste m a s e s q u e lé tic o s
Los esqueletos de los vertebrados están com puestos de calcio m ineralizado 595
564
Las horm onas controlan la regulación postprandial de los depósitos de nutrientes 565
Los com ponentes esqueléticos actúan com o palancas m ecánicas 596
La privación de com ida prolongada puede activar una respuesta a la inanición 566 Los osos en estado de inactividad reciclan nitrógeno
567
Los esqueletos pueden alm acenar energía elástica
T ra d u c ir la c o n tra c c ió n en m o v im ie n to
597
598
Los m úsculos están especializados para generar fuerza o energía 599
La serpiente pitón reconstruye el tracto digestivo para cada com ida 568
Los bucles de trab ajo m uestran el e q u ilib rio entre el trab ajo positivo y el trab ajo negativo 600
Sistemas integradores: Toxinas alimentarias y estrategias de defensa química 569 R esu m e n
593
Los esqueletos duros están constituidos de secreciones celulares 593
Los nervios y las horm onas que actúan en el m úsculo liso regulan la m otilid a d del intestino 561
T ra n s ic io n e s m e ta b ó lic a s e n tre c o m id a s
590
Las redes capilares llevan oxígeno a las fibras m usculares de los vertebrados 591
I
570
Caja 13.1 Sistem as de m éto d o s y m odelos A n im a le s a tle ta s 600
P re g u n ta s de re v is ió n
571
I M o v e r s e e n el m e d io
P re g u n ta s de sín te sis
572
G ra ve d a d y flo ta b ilid a d
602 603
La com posición corporal in fluye sobre la densidad boyante 603 El alm acenam iento de lípidos aum enta la flo ta b ilid a d del zooplancton y de los tiburone s 603
Capítulo 13 Locomoción I P r e s e n ta c ió n
Las vejigas natatorias son bolsas llenas de gas que aum entan la la flo ta b ilid a d 604
574
M e cán ica de lo s flu id o s
576
I S is te m a s lo c o m o t o r e s T ip o s de fib ra s m u s c u la re s
576
La im portancia relativa de los efectos de la viscosidad y la inercia determ inan el Re 607
576
El perfil dinám ico reduce la resistencia
La m ayoría de los invertebrados utilizan m úsculos circulares y lo ngitudinales sim ples para m overse
577
Los peces utilizan dos o tres tipos de fibras para nadar
579
A e ro d in a m ia e h id ro d in a m ia
El planeo utiliza la elevación por corrientes de aire naturales para superar la gravedad 610
Los tetrápodos presentan una m ultiplicidad de tipos de fibras 581
Los m o vim ie n to s de los flu id o s pueden generar la propulsión 610
Los m úsculos locom otores están organizados en m ódulos locom otores y grupos funcionales 582
583
La glicólisis y las m itocondria s sostienen diferentes tipos de locom oción 583 El contenido m itocondria l determ ina la capacidad aerobia m uscular 585
607
608
Las superficies aerodinám icas e hidrodinám icas generan la elevación 609
El patrón de la contracción m uscular lo com otriz está controlad o por neuronas m otoras 580
M e ta b o lis m o e n e rg é tic o
605
El núm ero de Reynolds determ ina el flu jo turb ulen to o la m inar 605
I
Caja 1 3.2 E volución y diversidad Los o ríg e n e s d el v u e lo 612 La form a de las aletas y alas in fluye sobre los m o vim ien tos de flu id o s 613
V ida te rre s tre
614
X V I I I C o nte ni dos
Los anim ales acuáticos invadieron la tierra varias veces 614 La m etam orfosis rem odela la anatom ía y la fisio logía para la locom oción terrestre 615
R e s p u e s ta a n te u n a te m p e r a t u r a c o r p o r a l I c a m b ia n te
642
Las aves que no vuelan evolucionaron donde no había depredadores terrestres 616
Los anim ales rem odelan las m em branas para m antener una fluidez casi constante 642
Los anim ales de geom etría sim ila r deben ser capaces de saltar las m ism as alturas 616
Caja 14.1 F u n dam en tos m ate m á tic o s Evaluación de los e fe c to s té rm ic o s en los p rocesos fis io ló g ic o s m edia nte Q10y las representacion es de A rrh e n iu s 644
Los anim ales terrestres necesitan huesos más fuertes y m usculatura postural 617
La e n e rg é tic a del m o v im ie n to
618
La tem peratura m odifica la cinética enzimática
645
Las dem andas de m o vim ie n to pueden expresarse com o gastos totales o relativos a la masa 618
La evolución puede ocasionar m odificaciones en la cinética enzimática 647
La velocidad del m ovim ie n to in fluye en los gastos de la locom oción 619
Los ectoterm os pueden rem odelar los tejidos en respuesta a m odificaciones a largo plazo en la tem peratura 647
Los anim ales cam bian el estilo del m ovim ie n to para a lterar los gastos de la locom oción 619
I
642
E stru ctu ra m a c ro m o le c u la r y m e ta b o lis m o
620
El entorno determ ina los gastos energéticos
R esu m e n
648
A lgunas enzimas presentan una adaptación al frío
622
El tam año corporal in fluye en los gastos de la locom oción 623
Sistemas integradores: Migración
La v id a en las a ltas y bajas te m p e ra tu ra s c o rp o ra le s
Caja 1 3.3 G en é tic a y g e nó m ica S e le cció n a rtific ia l del ra tó n d o m é s tic o
I
625
627
648
Las proteínas del estrés se inducen en los extrem os térm ico s 649 Caja 1 4.2 G en é tic a y g enó m ica P e rcep ción de te m p e ra tu ra y re m o d e la c ió n a d a p ta tiv a 650
1 4.3 I Caja P ro te ín a s de c h o q u e té rm ic o en las D ro s o p h ila Sistem as de m éto d o s y m odelos
P re g u n ta s de re v is ió n
628
P re g u n ta s de sín te sis
628
652
Los nucleadores de hielo controlan el crecim iento de cristales de hielo en anim ales tolerantes al congelam iento 653 Las proteínas anticongelantes evitan la form ación de hielo in tracelular 654
Capítulo 14 Fisiología term al I P r e s e n ta c ió n
M a n t e n im ie n t o d e la te m p e r a t u r a c o r p o r a l
630
I c o n s ta n te T e rm o g e n ia
632
655
La term ogenia con escalofrío se produce com o resultado de las contracciones musculares no sincronizadas 655
I I n te r c a m b io d e c a lo r y e s tr a te g ia s té r m ic a s
654
633
En ciclos m etabólicos fú tile s se genera calor
El c o n tro l de los flu jo s de c a lo r
El agua cuenta con una m ayor cond uctividad que el aire 633 El in tercam bio de calor convectivo depende de los m ovim ie n to s de flu id o 635 La energía radiante caliente algunos anim ales La evaporación induce a la pérdida de calor
655
Las pérdidas de las m em branas aum entan la term ogenia 656
633
635 636
La term ogenia aum enta la pérdida de protones m itocondriales 656
R e g u la ció n de la te m p e ra tu ra c o rp o ra l
658
Los endoterm os poseen un term ostato central que integra la in form ación term osensorial central y periférica 658
La proporción de la superficie con respecto al volum en afecta al flujo de calor 636
La piloerección reduce las pérdidas de calor
El aislam iento reduce el in tercam bio térm ico
Las m odificaciones en la corriente sanguínea influyen en el in tercam bio térm ico 660
E s tra te g ia s té rm ic a s
637
638
Los po iq u ilo te rm o s y hom eoterm os difiere n en la estabilidad de TB 638 Los ectoterm os y endoterm os difieren en la fuente de energía térm ica corporal 638 Los heteroterm os presentan una endoterm ia tem poral o regional 638 La tem peratura influye en los índices m etabólicos de los endoterm os y ectoterm os 640
659
Los intercam biadores contracorriente en la vasculariza ción ayudan a retener el calor 660 La transpiración reduce la tem peratura corporal m ediante el e nfriam ien to por evaporación 662 El ja deo aum enta la pérdida de calor por la superficie respiratoria 662 La endoterm ia en reposo produce estados hipom etabólicos 662 Los pirógenos inducen la hiperterm ia
663
C o n te n id o s X I X
I
Sistemas integradores: Las m elenas del león son calientes 664 R esu m e n
Los órganos m asculinos de copulación aum entan la eficicacia en la transferencia de esperm a 686
665
P re g u n ta s de re v is ió n P re g u n ta s de sín te sis
’1 3
El esperm a altera su actividad com o respuesta a las m oléculas quim iocin éticas y quim iotáxicas 687
667 667
Las hem bras utilizan el alm acenam iento de esperma para asegurar una fertilización in in te rru m p id a 688 Los esperm atozoides pueden co m p e tir por la o p o rtu n i dad de fertilizar el huevo 689
Capítulo 15 Reproducción
I P r e s e n ta c ió n
A lgunos anim ales utilizan la im plantación retardada 689
668
El desarrollo posterior a la fertilización depende de factores m aternos 689
670
I R e p r o d u c c ió n s e x u a l H o rm o n a s re p ro d u c to ra s
Las am niotas producen cuatro m em branas extraem brionarias en fases tem pranas de desarrollo 690
670 672
Los esteroides son centrales para la fisio logía reproductora de los vertebrados e invertebrados
El c ic lo re p ro d u c to r de lo s m a m ífe ro s 673
La JH y la 20HE controlan la fisio logía reproductora y del desarrollo de los artrópodos 673 Las gonadotrofin as del eje h ipotalám o-hip ofisario con trola los niveles de esteroides en los vertebrados 674
D e te rm in a c ió n del se xo
675
La reproducción asexual surge por clonación y partenogenia 675 Los anim ales pueden ser sim ultáneos o herm afroditas en serie 678 Las condiciones del entorno pueden alterar la proporció n sexual 678
O v o g e n ia
Caja 15.1 E volución y diversidad F ero m o n a s 684
679
Los tres principales m odos de reproducción son ovíparo, vivíparo y ovovivíp aro 679
Una placenta se form a después de que un óvulo fertilizad o se im planta en la pared uterina 693 Las contracciones del m úsculo liso uterino inducen el parto 694 La leche es un producto secretado por las glándulas m am arias 695 Las secreciones de la glándula m am aria incluyen dos productos nuevos, la caseína y la lactosa 697 La prolactina controla el c om porta m iento m aterno en m uchas especies 698
Sistemas integradores: Reproducción y estrés 698
Los óvulos se producen dentro de los folículo s del tejido som ático 679
R esum en
El vite lo proporciona bloques de construcción y precur sores m etabólicos 680
P re g u n ta s de re v is ió n
701
El corión proteináceo del huevo de un insecto im pide la deshidratación 681
P re g u n ta s de s ín te s is
701
La estructura del huevo difiere en los vertebrados acuáticos y terrestres 681
E s p e rm a to g e n ia y fe rtiliz a c ió n
682
Las células de Leydig y las células de Sertoli controlan la esperm atogenia 683
691
Los ciclos de ovulación ocurren en m om entos predecibles 691
A p é n d ic e
700
703
L e c tu ra s r e c o m e n d a d a s G lo s a r io
725
I n d ic e te m á t ic o
747
708
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Prefacio El siglo xxi es un m om ento increíblem ente excitante p a ra los biólogos, ya que entonces tienen acceso a los datos de los genom as com pletos de un amplio espec tro de diferentes anim ales, que incluye al hom bre, al ratón, peces, tunicados, insectos y gusanos nem átodos. Pero la cuestión fundam ental de cómo los genes de estos genom as trab ajan juntos perm itiendo a los anim ales llevar a cabo las diferentes funciones fisio lógicas y ocuparse de la vida diaria, es todavía una incógnita. Los fisiólogos están en la vanguardia de la integración de la nueva inform ación de las secuen cias genóm icas en u n m arco funcional y evolutivo, como p arte del esfuerzo p a ra el conocimiento de cómo trab ajan los anim ales. La finalidad de este texto es com unicar u n a p arte de esta excitación a los estudiantes que se aproxim an al estudio de la fisiolo gía anim al por prim era vez. Uno de los desafíos que los estudiantes tienen que afrontar en su prim era aproxim ación a la fisiología es la am plitud y diversidad de la m ateria. La fisiología está entre las disciplinas de las ciencias de la vida con u n a m ayor integración de otras áreas como química, física, m atem ática, biología molecular y biología celu lar, p ara su refuerzo conceptual. Además, p ara poder apreciar la diversidad de la fisiología anim al en su con junto, los estudiantes deben tener unos conocimientos básicos de biología am biental, ecología y biología evo lutiva. Este libro pretende d ar a los estudiantes una visión de los principios fundam entales de la fisiología animal, atractiva y bien organizada. A lo largo del texto, se integran conceptos a todos los niveles de la organización biológica p a ra exam inar la naturaleza de la diversidad celular, los sistem as fisiológicos y los ani m ales en su conjunto. Creemos que esta aproximación al tem a despertará el interés de todos los estudiantes, cualquiera que sea su formación.
Tem as c la v e El libro está organizado en torno a los tem as clave presentes en el Capítulo 1: • Los procesos fisiológicos tienen su base en las leyes de la física y la química. • Los procesos fisiológicos están regulados homeostáticam ente. • Los procesos fisiológicos son el producto tanto del genotipo como del am biente.
• La diversidad fisiológica entre los anim ales es el resultado de los procesos evolutivos. Estos tem as clave son retom ados en cada capítulo del libro, dando así un tratam iento unificado que m ues tra en conjunto nuestro concepto de la fisiología an i m al. Dentro de cada capítulo, com enzam os con los principios fundam entales del tem a en estudio, utili zando ejemplos cuidadosam ente elegidos como ilus tración de estas ideas. Este énfasis en los tem as clave y los principios fundam entales es especialm ente crí tico, ya que la m ayoría de los estudiantes están cen trados en reco rd ar los “hechos” de la fisiología, pero son incapaces de situar estos hechos en un m arco conceptual bien desarrollado. E speram os que este libro proporcione unos p rin cipios esenciales bien organizados, que el estudiante pueda u sa r como punto de partid a p ara exam inar la abundante inform ación que sobre fisiología anim al está disponible en la literatura o en fuentes como Internet. Hemos incluido u n a serie de artículos des tacados sobre nuestros tem as clave y proporcionado a nuestros estudiantes una h erram ien ta de ap ren d i zaje efectiva.
Un p u n to d e v is ta in te g ra d o r A través del libro hacem os hincapié en la naturaleza integradora de la fisiología, y este aspecto está d esta cado de diferentes m aneras. Cada capítulo com ienza con un texto de presentación que sitúa el sistem a que se va a tra ta r en im m arco evolutivo y am biental. P ara reforzar este tem a de la integración, cada capí tulo de la segunda p arte concluye con un a sección titulada “Sistem as integrados” en la cual exam ina m os cómo el sistem a fisiológico tratado en el capítulo in teractúa con otro u otros sistem as, en resp u esta a los cam bios en el am biente. Juntas, estas caracterís ticas ayudan al estudiante a conform ar su com pren sión de cómo los sistem as fisiológicos interactúan y dependen unos de otros. Adem ás de la im portancia de la interacción entre los sistem as fisiológicos, la fisiología tam bién se inte gra con otras disciplinas. N uestro conocimiento de la fisiología anim al ha cam biado drásticam ente en los diez últimos años, debido al avance en el análisis genómico, la biología celular y la biología molecular en la im agen final de la organización biológica, y un XXI
X X I I P re fa cio
aum ento del conocim iento de la dinám ica de los pro cesos evolutivos en el otro lado del espectro. Los estudiantes h an increm entado su conocim iento de los procesos celulares y m oleculares, pero no en el contexto de la fisiología anim al. Por ello hem os b u s cado u n debate en profundidad como el apropiado p a ra la im portancia del conocim iento de la fisiología anim al. Al m ism o tiem po, la vasta literatura de fisiología com parada, junto con u n a m ayor apreciación del p apel de los procesos evolutivos en fisiología, ha conducido a u n cam bio en la form a de en señ ar y de estudiar la fisiología anim al. Existe tam bién un con junto de cajas sobre tem as especiales a lo largo de todo el texto, incluyendo “Genética y genóm ica” y “Evolución y diversidad”, que nos perm iten destacar tem as de particular interés donde la fisiología se en trecru za con otras disciplinas.
É nfasis en la d iv e rs id a d a n im a l Estam os convencidos de la im portancia de la ense ñ an za de la diversidad de la fisiología anim al, ya que consideram os que la diversidad es un a de las propie dades fundam entales del m undo natural. Por ello hem os incluido u n extenso análisis de los procesos fisiológicos tanto en vertebrados como en invertebra dos a lo largo del texto, intentando una presentación del pensam iento evolutivo de form a entretejida den tro de dicho análisis. Tam bién hem os considerado que u n a focalización del libro en los aspectos m eram ente hum anos puede causar en los estudiantes la im presión errónea de que los procesos fisiológicos de los hum anos son representativos de todos los anim ales, y por ello nos hem os esforzado en d a r diversos ejemplos en un con texto evolutivo.
D e las c é lu la s a lo s s is te m a s Como consecuencia de la diversidad de program as de biología, los estudiantes llegan a los cursos de fisiología anim al con u n a p reparación muy diferente y variada. Este libro h a sido cuidadosam ente estruc turado p a ra adecuarse a los diferentes tipos de p re paración de los estudiantes. Hem os dividido el libro en dos secciones p rin ci pales. En la p rim e ra p a rte se estudian las bases celulares de la fisiología anim al. El fin de esta p ri m e ra p a rte es p ro p o rcio n ar al estudiante un con
texto g en eral de com prensión de la fisiología a n i m al y m o stra r com o, a nivel celular, los anim ales son a la vez sim ilares y diferentes a otros o rg an is m os. E speram os que este tratam ie n to ayude a los estu d ian tes a em p ezar a ver como los procesos a b s tracto s estudiados en otros cursos tien en u n a im portancia directa en la com prensión de la fisiolo gía anim al. En la segunda p arte del libro analizam os cómo las células y los tejidos interactúan integrando los sis tem as fisiológicos de los anim ales. Se p resen ta cada uno de los sistem as fisiológicos de form a indepen diente, y a través de los tem as de conservación y diversidad se estudia cómo los diferentes anim ales utilizan los m ism os elem entos, p a ra constituir un sis tem a fisiológico único que les perm ita enfrentarse a los cam bios im puestos por el am biente. Un elem ento especial en la organización de este libro es n u estro tratam ie n to del sistem a endocrino. A p e s a r de la ap a re n te relegación del sistem a a un capítulo específico, en realid ad se estu d ian aspec tos endocrinos en la p rim e ra p arte del libro, al t r a ta r los diferentes tipos de señalización y las form as de com unicación celular, y tam b ién de sus d iferen tes papeles fisiológicos a lo largo de los capítulos de la segunda p a rte del libro. C onsideram os que los estu d ian tes co m p ren d erán m ejor cómo las h o rm o n a s controlan un sistem a cuando ya conozcan las diferentes m an e ra s po r las que u n a célula puede m a n d a r y recib ir u n a señal. E stableciendo las bases del control celular al com ienzo del texto, podem os después an alizar el im pacto de horm o n as y glándulas específicas en el m arco de cada sistem a fisiológico, favoreciendo el ca rá c te r in teg rad o r del análisis. P ensam os que esta aproxim ación sitúa al sistem a endocrino en el contexto evolutivo a p ro piado —como u n a de las n u m ero sas m an e ra s de com unicación intercelu lar de que disponen los organism os m ulticelulares— y dem u estra clara m ente como la com unicación y la coordinación son críticos p a ra el funcionam iento correcto de cada órgano del sistem a.
P re s e n ta c ió n a c c e s ib le Como consecuencia de los m uchos conceptos, la gran cantidad de inform ación, y el nuevo vocabulario que los estudiantes deben llegar a dom inar p a ra la com prensión de la fisiología, creem os que es absoluta m ente necesario que un texto de fisiología esté escrito de form a clara, accesible, y con un estilo orga
P re fa cio
nizado. Esperam os que el estudiante encuentre este libro fácil de leer, y que le ayude a com prender los complejos procesos fisiológicos. En cada capítulo, desarrollam os prim ero los conceptos fundam entales y después, u n a vez explicado detenidam ente cada uno de ellos, p asam os a analizar la diversidad. Cada capítulo com ienza con u n a im agen como p resen ta ción prelim inar del análisis del proceso fisiológico que se va a ver. Esta sección orientativa da a los estu diantes u n a id ea del cam ino a seguir en la lectura del capítulo.
U na in n o v a d o ra p re s e n ta c ió n a rtís tic a N u estra experiencia con n u estro s propios estu d ia n tes sugiere que las ilu straciones y fotografías del texto son u n com ponente fundam ental en la com p ren sió n co rrecta del m aterial po r los estudiantes, sobre todo p a ra los procesos com plejos, con m últi ples p aso s que n ecesitan m uchos p árra fo s de texto p a ra se r explicados. Las ilustraciones de este libro h a n sido cu id ad o sam en te d ise ñ ad as p a ra ac la ra r los princip io s fu n d am en tales de la fisiología y llevar a los estu d ian tes paso a paso en los procesos com plejos. Hem os incluido u n g ran n úm ero de o rg an ig ram as, que ay u d an a los estu d ian tes a com p re n d e r la dinám ica y la n a tu ra le z a m últiple de los procesos fisiológicos.
X X III
Tam bién se encontrarán num erosas fotografías y dibujos anatóm icos de un gran núm ero de anim ales, que perm iten a los estudiantes situar los procesos fisiológicos en el contexto de un a función en el con junto anim al. Con la ayuda de nuestro equipo a rtís tico, creem os h a b e r alcanzado un program a expresado de form a artística que puede rivalizar con los m ejores de cualquier otro libro de texto, y que puede contribuir enorm em ente al aprendizaje del estudiante. P ara m ás inform ación acerca de este texto, véanse las siguientes páginas de presentación visual de la organización compleja de las cajas de tem as especia les, del program a de arte, características del texto, y los suplem entos. E speram os que el lector disfrute usando este libro. Puede contactar con nosotros librem ente a tr a vés del correo electrónico si tiene algún com entario o sugerencia de cómo podem os hacer de este libro una m ejor h erram ien ta p a ra ayudar a ap ren d er y a ense ñ a r la fisiología anim al. Chris Moyes Q ueen’s University
[email protected] Trish Schulte Universidad de British Columbia
[email protected]
Cajas de información destacada
Las cajas de M étodos y modelos de sistem as perm iten explorar principio s fu n dam en tales m ediante m odelos de sistem as com o en el caso de C. elegans, el nem atodo que hace las veces de ¡cono de la caja. Se describen asim ism o nuevos m étodos expe rim en tales, para resaltar las aplica ciones especialm ente interesantes de estos dos á m bitos com plem entarios.
Las cajas de Genética y genómica se representan m ediante la mosca de la fruta, fundam ental en la experi m entación genética. Los proyectos de secuenciación genóm ica y los rápidos avances en los m étodos de genóm ica y proteóm ica han aclarado nuestra interpretación de num erosos procesos fis io lógicos y han arrojado m ucha luz sobre la evolución de los sistem as fisio lógicos.
Caja 3.2 M étodos y modelos de sistem as DIMA Arrays
Los cambios en la expresión de los genes son un componente im portante de la sensibi lidad fisiológica. Si la señal es un indicador del desarrollo de un estrés ambiental, los cambios fisiológicos disparan cambios en la expresión de un conjunto am plio de genes con patrones extraordinariamente complejos. En los treinta últim os años, estos cambios sólo han podi do examinarse gen a gen. Los investigadores usaban aná lisis sencillos de no rthern b lo t para valorar si la transcripción de un gen determ inado cambiaba de fo rm a significativamente. Pero en la década de 1990, dos avan ces tecnológicos condujeron a una fo rm a com pletamente nueva de acceder a la valoración de cóm o los genes res ponden a los cambios fisiológicos. Primero, los proyectos de secuenciación genómica co menzaron a producir una gran cantidad de información ge nética. Segundo, la investigación biomédica acoplada a la ingeniería robótica exploró nuevas form as de evaluar los perfiles de expresión génica. En vez del ensayo de un mRNA de un gen cada vez, desarrolló m étodos para in vestigar simultáneam ente m iles de genes. Al m ism o tiem po que estas tecnologías se desarrollaban, la función de muchos de estos genes era aún desconocida. Cuando las bases de datos genómicas aumentaron a mediados de 1990, estas tecnologías de alto rendim iento se hicieron “ ^tensam ente aplicables, y los investigadores pronto -•A lid a d en los procesos de e s tyí
Caja 6.4 Genética y genóm ica Desarrollo y diferenciación m uscular
Es difícil abordar el origen de la diversidad m uscular sin considerar ta m bién cóm o se form an los m úsculos. La síntesis muscular es en realidad dos procesos relacionados: la diferenciación muscular, o m iogénesis, y el desarrollo del músculo. Nuestro conoci-
Células satélite (mioblastos) Recogida y purificación
X X IV
Southern y northern blot, es el apareamia ses complementarias de los ácidos nu clei de ácidos nucleicos es incorporada a un s<\ manera que perm ite la hibridación de u n a \ dos nucleicos com plem entaria con ella. El f esta tecnología de análisis masivo es la prepS DNA microarray. Pequeñas cantidades de c a \ lias de DNA son transferidas a un soporte sólidc lámina de vidrio o un chip de silicona. Robots d cisión pueden transferir, o puntear, más de 1 | cuencias de DNA diferentes de form a precisa al soporte. Esta matriz (array) de DNA actúj com o una tram pa para los ácidos nucleicos cc» rios. El siguiente paso en el análisis es la prepal muestras. Se desarrolla un experim ento parcT organismos a dos condiciones e xp erim erj Por ejemplo, podemos comparar la r e s p ií amazónico a concentraciones normales $ concentraciones bajas de oxígeno (véask RNA, recogido de cada pez, se marca con á rescentes: el RNA del pez control se marca! rojo y el RNA del pez hipóxico se marca c on l de. Se enfrenta entonces el microarray c muestras mezcladas de RNA. El RNA rojo y I com piten entre sí para unirse al DNA c om p la "■ '«¡co^rTay. Un m ¡ ¡ ¡ [ *<*§qenc¡a ^
m iento de la diferenciación y d e s a rro llo / visto beneficiado por la investigación e n \ les, incluidos Drosophila, C. elegans, ) cebra y el ratón, así com o del cultivo de n tipo de m úsculo sigue su propia vía hacia u El control de la form ación del m úsculo esta n en e l m úsculoesquelético. Una razón por la que conocem os tan bien la\ ción muscular es que muchos de los procesos p estudiados en cultivos celulares. Los m io bla stosi de roedores son m uy utilizados ya que puec» durante cientos y miles de "generaciones" s in f rioro de sus propiedades. El músculo de nec m enor m edida el de adultos, tien e una p o blad# precursoras llamadas células satélite. I estas células y hacerlas crecer en cultivo. PrJ m ente pero no se diferencian cuando c re c í condiciones. Lo más común es un m edio i factores de crecim inento fetal, com o el 1 crecim iento fetal beta) y el bFGF (fa c to r! básico de fibroblastos). Si se les priva de I crecim iento, las células comienzan a e x p re l factores de señalización, com o el IGF-II. inducen al mioblasto a entrar en el prografl Dentro del prim er día, el m ioblasto com ienza! conjunto de proteínas mía aclflan como a c ti\l jales. ' " ' ’ ¿'-tipción!
Caja 2.2 Evolución y diversidad Biolum inescencia
M uchos animales diferentes son capaces de producir luz o bioluminiscencia. La bioluminiscencia es común en organismos marinos, especial m ente del fondo marino, más allá de donde alcanza la luz del sol. En este m undo oscuro, los animales producen luz por muchas razones. Los calamares usan la bioluminiscencia para comunicarse con otros calamares. Los peces de aguas profundas utilizan apéndices biolum iniscentes para atraer a
Representadas m ediante los pinzones de las Galápagos de Darw in, las cajas de Evolución y diversidad perm iten profun dizar en sistem as o anim ales poco com unes relacionados con capítulos concretos y tra ta r en detalle la evolución de determ inados procesos fisio lógicos.
las presas a su boca. Aunque la mayoría de las especies bio lum iniscentes se encuentran en los océanos, probable m ente entendem os m ejor la bioluminiscencia en las luciérnagas. Estas antorchas biológicas están alimentadas por la energía de la hidrólisis del ATP. En las noches cálidas del verano, las luciérnagas m acho reposan en el suelo y activan esta ruta bioquím ica para em i tir una patrón de emisiones luminosas específicas de la es pecie para atraer a las hembras. Algunas especies de luciérnagas imitan el patrón lum iniscente de otras especies, así las atraen con falsas señales y son devoradas por el pre dador. La luz es producida por células en la linterna, un órga no especializado del abdomen
O
Caja 4.2 Ap licacion es Estrógenos a m b ien ta les
Algunos peces machos que viven cerca de las desembocaduras de aguas residuales en Inglaterra tienen características sexuales fem eninas y mas culinas y sus hígados producen vitelogenina, una proteína usada para transform ar la yema en huevos, que no se en cuentra n orm alm ente en los machos. Los peces que viven cerca de las desembocaduras m uestran anomalías m ás se rias que los que viven más alejados. Los científicos descu brieron que estas aguas contenían altos niveles de estrógenos, secretados por m ujeres que tomaban la píldora o estaban som etidas a terapia de sustitución hormonal. La exposición a estas aguas residuales fe m inizó a los peces, volviéndolos estériles. Estas y otras o bservaciones han m ostrado claram ente q
m im etizar a los estrógenos, puesto q ue contienen e turas en anillo sim ilares a la de éstos. Estos pro dif llam ados xenoestrógenos, han increm entando s ign in vam ente el nivel de sustancias sem ejantes a los estna nos en e l am biente, con gran riesgo para la salud humáV Actualm ente, la relación precisa e ntre la mayoría de lo s a tróg en os am bientales y sus efecto s fisiológicos no s com prende en to da su importancia. Estas sustancias a docrinas se han asociado con un bajo recuento del e s » m a y una alta incidencia de cáncer de próstata y de n aunque no se ha probado claram ente. Adem ás, p u á que todas las horm onas esteroideas tien en e stru ctu ra s! m ilares, se sugiere que los estrógenos am bie ntales □ etra nsd ucció n de señale! nfrf,ar 3
Caja 12.4 Fundamentos m atem áticos
m
Teoría del reactor intestinal
" El sistem a digestivo animal comparte varias sim ilitudes con los reactores utilizados en la industria para transform ar un grupo de elem entos quí m icos en otros. Los ingenieros quím icos definen tres tipos de reactores quím icos que presentan un claro paralelismo con los sistem as digestivos de los animales que hemos analizado: reactores discontinuos, reactores de tanque y reactores de flujo de pistón (Figura A). Los reactores discontinuos reciben un pulso de precur sores y tras un periodo de tiem po los convierten en produc tos. Esto se asemeja mucho al intestino bidireccional de los cnidarios, que ingieren y digieren partículas de alim ento en una cavidad gastrovascular para luego expulsar el material sin digerir. Los reactores de tanque reciben una infusión permanente de precursores y generan un flujo constante de productos. L a s c á m a ra s d g j£ B a ít** ^ fc~-ol«uiigunosanim a les,
digestivo funciona com o un reactor discontim logra obtener una m ayor cantidad de energía si & comida que le resulte suficiente para obtener la tidad de nutrientes en el m enor tiem po posiS tiem po resulta demasiado breve, el bolo alimer expulsado con muchos nutrientes indigestos. Si s ^ el alim ento durante m ucho tiem po, puede extract nutrientes pero se priva de la oportunidad de alimel nuevamente. La teoría de los reactores puede estr tiem po óptim o de retención del alim ento al tra z a / ción entre la absorción neta (absorción total U i f gasto de búsqueda C) y el tiem po de retención t puede apreciar en la Figura B. Esta curva puede \ para calcular el tiem po de permanencia óptim tiem po después de que se consuma el alim ento (i animal inipyrrfcen nastns (C) pero no gana ningún [ ' ’ i¿ a (x aumenta), s
Las cajas de Aplicaciones se centran en estudios de diver sidad fisio lógica aclaran el fu ncio nam iento los sistem as y, por tanto, traen consigo aplica ciones que pueden in flu ir en nuestra vida diaria, en ám bitos com o la salud hum ana, el m edio am biente y la ag ricu l tura. Estos estudios suelen realizarse m ediante ratas de la boratorio.
Puesto que a m enudo resulta im posible entender un proceso sin una com prensión previa de la física, las m atem áticas o la quím ica que hay detrás, las cajas de Fundamentos matemáticos proporcionan ayuda en caso necesario. Las ecuaciones y fó rm u la s m atem áticas se desarrollan en detalle para que los alum nos puedan c om prender tanto su origen com o su im portancia. El nautilus, que com prende núm eros de Fibonacci, representa el orden m atem ático inherente a la naturaleza. XXV
Figuras y diagramas
Las figuras de dibujos por pasos dividen procesos com plejos en varios pasos para su m ejor com pren sión. En este caso, se conduce a los alum nos por el proceso de tran s ducción de señales en una célula receptora olfativa, desde la fija ción del odorante al desen cadenam iento de potenciales de acción.
La unión de la partícula odorífera al receptor odorífero produce un cambio conformacional. La proteína activada, G0k, se mueve a través de la membrana y activa la adenilato ciclasa.
<£]
t Canal de Cl activado por
El Ca2+ y el Na+ entran en la célula, produciendo un potencial generador. El Ca2+también abre canales de Cl~ activa dos por Ca2+, haciendo que el C l" salga de la célula aumentando la despolarización. El potencial generador abre canales de Na+ dependientes de voltaje, disparando los potenciales de acción.
Los ejemplos de animales únicos m uestran carac terísticas y conceptos propios únicam ente de determ inados anim ales. El m o vim ien to de los gránulos de pigm entación de la rana de uñas africana se m uestra m ediante dibujo s y fotom icrog rafía s para ofrecer num erosos niveles de in form ación.
XXVI
Gránulos de pigmentos
Microtúbulos
Los dibujos anatómicos representan estructuras anim ales únicas. En este caso se m uestran dos tipos de órganos de equ ilib rio , donde aparecen su ubicación anatóm ica y su interior.
(a) Estatocisto de langosta
(b) Estatocisto de pulpo
Hormonas 1
“
Hormon
C
“ i
Canal d e Ca2' sarcolermal
T 2£ Incem ento [Ca2+] l Calm odulina libre
[ Ca2+-calm odulina] [ Hormonas
Actina-caldesm on I
Caldesmon-Ca2+ calm odulina
MLCK Ca2+-calmodul¡na
Cadena ligera de miosina
Las figuras globales ofrecen a los alum nos una introducción general al contenido del capítulo. En este caso, se m uestran las neuronas más repre sentativas y se indican las cuatro zonas funcionales de cada tip o . A lo largo del capítulo, se exam inan y com paran los procesos que tienen lugar en cada una de las zonas.
31 Ca
de fosfo-miosina
Contracción del m úsculo liso
Los diagramas de flujo ilustran los procesos con un fo rm a to de fácil seguim iento. M ediante este diagram a de flu jo se com prende con facilidad la regulación de la contracción de los m úsculos lisos y cada uno de los pasos se puede explicar en detalle de form a individual. X X V II
Tipos de texto Los apartados de Sistemas integradores al final de cada capítulo de la segunda parte resaltan la integración de los sistem as fisio lógicos.
de o tro animal, el ritm o circadiano se resta
S is te m a s in te g ra d o re s
las nuevas neuronas no fo rm an conexic con otras partes del cerebro. El núcleo supraquiasm ático com ún
Sistemas sensoriales y ritmos circadianos
circadianos a otras partes de l hipotálam o
Los ritm o s circadianos son variaciones diarias predeci bles de los parám etros fisiológicos que están ligados al
lar. Estos núcleos intervienen en la regí
ciclo de luz y oscuridad. Casi to d o s los a spectos de com
gran c antidad de procesos fisiológicos. El
portam ien to y la fisiología sufren ritm o s circadianos,
m edial regula el a p etito y el com portam
incluyendo procesos c om o la tasa m etabólica, la activi
Los encabezados con formato de frase m ejoran la com pren sión del alum no y perm iten una revisión eficaz.
rio. El núcleo paraventricular, la hormor
dad y la digestión. Los ritm o s circadianos persisten
(tam bién llamada horm ona a ntidiurética
incluso cuando el organism o se m an tien e en oscuridad
tosin a. La vasopresina regula la función
consta nte ; sin em bargo, sin pautas am bientales estos
que la oxitosina influye en la expulsión de
ritm o s tien de n a s e r algo más largos o c orto s que las 24
m am as y en la contracción del útero. El
horas del día (su n o m bre deriva d e circadia; circa = cerca
tricular secreta un gran n ú m ero de horm o
y dies = día). Las pautas am bientales externas, c om o los
que regulan las horm onas de la pituitaria
patrones de luz y oscuridad, ayudan a m antener el reloj
m ona pituitaria prolactina es m e jo r cor
circadiano interno en sincronía con el a m b ie nte natural.
e fecto s en ja je p ro d u c c ió n en m am íferos
Muchos nervios contienen axones de neuronas tanto aferentes como eferentes, denominándose entonces nervios mixtos, aunque hay nervios que son sola mente aferentes o eferentes.
Los anim ales sim étricos bilateralm ente presentan cefalización El modelo por el que los órganos sensoriales y cen tros de integración nerviosos están situados en el extremo anterior del cuerpo, llamado cefalización, se hace cada vez más evidente en sistemas nerviosos más complejos. El grado de cefalización varía enor memente entre los invertebrados simétricos bilate ralmente, aunque la mayor parte de las especies tengan un encéfalo bien desarrollado, varios ganglios y uno o varios troncos nerviosos (Figura 8.4). En los invertebrados, los haces de axones que conectan los
La organización flexible presenta el nivel c e lu la ry m olecular en la prim era parte y expone la interacción entre células y tejidos de sistem as fisio ló g ico s integrados en la segunda parte.
núcleo paraventricular, el v entrom edial y
ganglios o discurren entre un ganglio y denominan conjunciones o comisuras. tos son las especies más simples de anii eos bilateralmente. Algunos tipos de carecen de encéfalo evidente mientra; tienen bien desarrollado, lo que les pe comportamientos complejos y hasta ap como recorrer un laberinto. Los gusano nemátodos y anélidos presentan un sis1 más estructurado que los platelmintos, falo bien desarrollado, ganglios en c¡ del cuerpo y uno o más troncos nervios información entre los tejidos y los diver integración. De manera similar, el sist del artrópodo contiene un encéfalo, vioso motor y un gran ganglio en cada cuerpo. El sistema nervioso varía muel
Resumen de contenidos
P rim e ra p a r te : Las bases celulares de la fisiología animal C a p ítu lo 1 In tro d u c c ió n a lo s p rin c ip io s fis io ló g ic o s C a p ítu lo 2 Q u ím ic a d e la v id a
2
20
C a p ítu lo 3 M e t a b o lis m o y fis io lo g ía c e lu la r
66
C a p ítu lo 4 H o rm o n a s y s e ñ a liz a c ió n c e lu la r
110
C a p ítu lo 5 E s tr u c tu r a y fu n c ió n d e la n e u ro n a C a p ítu lo 6 M o v im ie n t o c e lu la r y m ú s c u lo s
154
208
S e g u n d a p a rte : Integrando sistemas fisiológicos C a p ítu lo 7 S is te m a s s e n s o ria le s
260
C a p ítu lo 8 O rg a n iz a c ió n fu n c io n a l d e l s is te m a n e rv io s o • l'f- n
X X V III
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Sitio web complementario Este recurso para el alum n o contiene pruebas de nivel para cada capítulo, enlaces a la boratorios de fisio logía y a páginas w eb relacionadas, así com o un glosario interactivo. La dirección de acceso es w w w .physiolog yplace .com .
X X IX
Agradecimientos El desarrollo de este libro de texto requirió la dedi cación de u n grupo de p erso n as que ayudaron a tr a ducir n u estro s m anuscritos y bocetos, y conform ar la versión final. En concreto, C atherine Murphy, n u estra editora de desarrollo, se hizo cargo de la ard u a responsabilidad de hacer legible nuestro m anuscrito, ta re a que se fue haciendo m ás sencilla con el tiem po. L aura Southw orth, n u estra editora de desarrollo de diseño, fue capaz de in te rp re ta r n u es tros rud im en tario s bosquejos artísticos y convertir los en algo utilizable y práctico. Susan Malloy, n u estra editora de proyectos de Benjam in Cum m ings, nos dio los ánim os y las directrices que p e r m itieron que el equipo trab ajase conjuntam ente de m odo satisfactorio (y m ás o m enos dentro del plazo establecido). E stas tres m ujeres dem ostraron ten er u n a paciencia digna de m ención y un don p ara ad ap tarse a las rare z a s personales de los autores. G racias a ello, consiguieron que el proceso de d esa rrollo resu ltase divertido. Tam bién nos gustaría d ar las gracias al resto de los trab ajad o res de Benjam in Cummings que colabo ra ro n en la publicación de este libro: Claire Alexan der, Amy Teeling, Caroline Ayres y Leslie B errim an. Los esquem as p ara las diapositivas de PowerPoint p a ra clase del CD-ROM de recursos p a ra el profesor fueron elaborados p o r Jason Schreer (SUNY-Potsdam), y las pru eb as de nivel de los alum nos p a ra el sitio w eb com plem entario fueron una contribución de Carrie Lyons (Queen’s University). Gracias a los dos. No h ab ría sido posible red actar este libro de texto sin la ayuda de nuestros com pañeros del m undo académ ico y de la investigación que respondieron a n u estras p reguntas y debatieron los puntos de confusión y discrepancia. En concreto, estam os en deuda con nuestro s colegas de la Queen’s University (Bill Bendena, Adam Chippindale, Peter Davies, Steve Lougheed, Bob M ontgomerie, Gerry M orris, Mel Robertson, S tephen Scott, Bruce Tufts, Virginia W alker y Kathy W ynne-Edw ards) y la Uni versity of British Columbia (Vanessa Auld, Colin Brauner, John Gosline, Wayne M addison, Bill Milsom y Jeff Richards). Tam bién nos gustaría agradecer a otros colegas sus com entarios y contribuciones a contenidos concretos: a Ted Garland, University of California- Riverside (selección artificial); Steve Hand, Louisiana State University (enlaces de alta energía, anhidrobiosis); Carlos M artinez Del Rio, University of Wyoming (teoría del reactor de flujo XXX
pistón); Jim Staples, University of W estern Ontario (term orregulación); y Raul Suarez, University of California-S anta B arbara, por recordarnos la relación entre los hom bres ciegos, los elefantes y los fisiólo gos. Tam bién nos gustaría d a r las gracias a los num erosos catedráticos, que figuran a continuación, pero anónim os en aquel m om ento, que invirtieron un a gran cantidad de tiem po revisando los capítulos y verificando las prácticas. Finalm ente agradecem os a los becarios de nuestros laboratorios de investi gación su paciencia en los últimos años, ya que no pudieron recibir tan ta atención como m erecían. Dam os las gracias tam bién a nuestros m entores de investigación por apoyar n u estra carrera. En con creto, a Peter H ochachka, un m entor im portante en la licenciatura de am bos, y u n a de las personas que nos apoyaron con m ayor entusiasm o cuando com en zam os el proyecto de este libro de texto. Por desgra cia, falleció antes de finalizarlo y dedicam os este libro a su m em oria.
R e v is o re s Rod Allrich, P urdue U niversity-W est L afayette Eli Asem, Purdue University Todd Backes, SUNY-Fredonia Jam es S. Ballantyne, University o f Guelph John Berges, U niversity ofW isconsin-M ilw aukee Jay Blundon, Rhodes College Patrice Boily, U niversity o f New Orleans W innifred Bryant, U niversity ofW isconsin-E au Claire S ara Hiebert Burch, Sw arthm ore College Mark Burleson, U niversity o f Texas-Arlington Dennis Claussen, M iam i U niversity o f Ohio Craig Clifford, N ortheastern S ta te University Randy Cohen, California S ta te U niversity-N orthridge T hom as Cox, Southern Illinois U niversity K enneth Crawford, W estern K entucky University Joseph Crivello, U niversity o f Connecticut Peter Daniel, H ofstra University Dale Erskine, Lebanon Valley College Michael S. Finkler, Indiana University-Kokomo Kim Fredericks, Viterbo University David From an, Oregon S ta te University S tephen Gehnrich, Salisbury S ta te University Alice Gibb, N orthern A rizona University
A gradecim ientos
S tuart Goldstein, University o f M innesota Neil Hadley, U niversity o f North Carolina-W ilmington Jo h n D. H arder, Ohio S ta te U niversity Jean Hardwick, Ithaca College Michael Hedrick, California S ta te U niversity-H ayw ard Steve Hem plem an, N orthern A rizona University Raymond P. Henry, A uburn University Kelly Johnson, Ohio U niversity Valerie Kalter, W ilkes U niversity H eather Koopm an, U niversity o f North Carolina-W ilm ington Dominic Lannutti, El Paso Com m unity College Gary Laverty, U niversity o f Delaware Jo h n P. Leonard, U niversity o f Illinois-Chicago Jo h n Lepri, U niversity o f North Carolina-Greensboro Jam es Long, Boise S ta te U niversity David Mallory, M arshall University Duane M cPherson, SUNY-Geneseo Scott Mills, Purdue U niversity-W est L afayette S arah Milton, Florida A tla n tic University David O’Drobinak, Valdosta S ta te University Linda Ogren, U niversity o f California-S anta Cruz Sanford Ostroy, Purdue U niversity Peggy Shadduck Palombi, Transylvania U niversity Jo h n P arrish, Georgia Southern University Kathryn Ponnock, Delaware Valley College J. L arry Renfro, U niversity o f Connecticut Gerald Robinson, Towson S ta te University Max G. Sanderford, Tarleton S ta te University Jaso n Schreer, SU NY-Potsdam Donal Skinner, U niversity o f W yoming Alan Smith, M ercer U niversity-M acon Jam es Staples, U niversity o f W estern Ontario Phil Stephens, Villanova U niversity Jon ath o n Stillman, U niversity ofH aw aii-M anoa Sterling Sudweeks, Brigham Young University Steven Swoap, W illiams College
XXXI
Malcolm H. Taylor, U niversity o f Delaware M ark Varner, U niversity o f M aryland-College Park Sam uel Velez, Dartm outh College Teresa Viancour, U niversity o f M aryland-B altim ore County Susan W hittem ore, Keene S ta te College Paul Wagner, W ashburn University Tracy Wagner, W ashburn University Jean-M ichel Weber, U niversity o f Ottawa Brian Witz, N azareth College William A. Woods, University o f M assachusetts-B oston Patricia W right, University o f Guelph
V e rific a d o re s d e p rá c tic a s Jay Blundon, Rhodes College Patrice Boily, U niversity o f New Orleans Mary Cham berlin, Ohio University Robin Cooper, U niversity o f K entucky K enneth Crawford, W estern K entucky University M elissa Daggett, M issouri W estern S ta te College Dale Erskine, Lebanon Valley College Stephen Gehnrich, Salisbury S ta te University Alice Gibb, N orthern A rizona University S tuart Goldstein, University o f M innesota Isabelle Girard, U niversity ofW isconsinS teven s Point Michael Hedrick, California S ta te U niversityH ayw ard Yvette M. Huet-Hudson, U niversity o f North Carolina-Charlotte Louis Irwin, U niversity ofT exas-E lP aso Jam es Long, Boise Sta te University Kristina Mead, Denison University John Parrish, Georgia Southern University W endy Ryan, K utztow n University George Schulte, Truman U niversity Allen Smits, Quinnipiac University JohnW akem an, Louisiana Tech University
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P rim e ra p a rte Las bases celulares de la Fisiología Animal
En un p oe m a clá sico, J. G.
d e n tro de
Saxe e s c rib ió acerca de
la dive rsid a d : rasgos
se is h o m b re s cie g o s e x un
e le fa n te .
los
in usuales
m e ja n te s a las de o tro s
El
o rg a n is m o s .
p rim e ro de ello s to ca el
La
co sta d o del e le fa n te y v is lu m b ra
hasta
tie n e n p ro p ie d a d e s se
p lo ra n d o lo m ara villo so de
m ás
prim era
parte
d e e s te te x to presenta
una pared;
el s ig u ie n te agarra el
cóm o
c o lm illo y piensa que es
m ole cu la re s y celulares
una tro m p a y le recuerda
fisio logía. A s í c o m o un ani m al se c o n s tru y e a partir de
a una s e rp ie n te , m ie n tra s piern a y se im agina un árbol. El q u in to agarra una oreja y p e rc ib e un abanico, y el ú ltim o s o s tie n e la cola e im agina una cuerda. Saxe pensaba que la única m anera de e n te n d e r c u e s tio n e s
p rocesos
c o n s titu y e n la base de la
un arpón. El te rc e ro toca
que el cu a rto s o s tie n e una
los
una única célula, la fisiología se c o n s tru y e a partir de uni dades
m o le c u la re s y
celulares.
D espués de e s tu d ia r los oríg enes y la d iversidad de la fisio logía (C apítulo 1), pre s e n ta m o s lo esencial de la fu n c ió n celular. El Ca
co m p le ja s era co n sid e ra rla s d e s d e m ú ltip le s p e rs p e c tiv a s .
pítulo 2 considera el papel de las fuerzas físicas y quím icas
El e n te n d im ie n to de la fisio lo g ía e x ig e q u e sea estudiada
que s u s te n ta n la fu n c ió n fisio lógica, p o n ie n d o de relieve
d e sd e d ife re n te s d is cip lin a s: física, qu ím ica , m a te m á tic a s ,
c ó m o a fecta n esas fuerzas a la biología. El C apítulo 3 revisa
in geniería, g e n é tica , biología celular, ecología y e v o lu c ió n .
las bases del m e ta b o lis m o y la biología celular. En el Capítu
Una segu nda enseñanza del poe m a, ta m b ié n re le v a n te
lo 4 analizam os c ó m o las células a nim a les y los te jid o s se
para los fis ió lo g o s , es q u e hasta los rasgos m e n o s c o
com u n ic a n e n tre sí. M u c h a s de las p ropiedades espe cíficas
m u n e s de los a n im a le s son, d e s d e m u c h o s p u n to s de
de los anim a les pue den s e r adscritas a do s tip o s de células.
vista , fa m ilia re s . De hech o, los h o m b re s c ie g o s eran bas
Las neu ron as (Capítulo 5) y las células m u s c u la re s (Capítu
ta n te p e rspicaces. El c o s ta d o lateral de un e le fa n te es real
lo 6) s o la m e n te se e n c u e n tra n en los anim a les y subyacen
m e n te una pared, la tro m p a se m u e v e c o m o una s e rp ie n te ,
a to d o s los s is te m a s fis io ló g ic o s . En los dos ú ltim o s capítu
el c o lm illo se usa c o m o un arpón y la cola, c o m o una c u e r
los de esta sección, as e n ta m o s la base de la fu n c ió n de es
da. Los fis ió lo g o s a m e n u d o usan analogías y c o m p a ra
ta s dos únicas células anim a le s en los c o m p le jo s s is te m a s
cio n e s con e s tru c tu ra s m e cá n ic a s y con o tro s anim a les,
fis io ló g ic o s , c e n trá n d o n o s en c ó m o trabajan e stas células y
para a yud arles a e n te n d e r la e s tru c tu ra y la fu n c ió n de los
el m o d o en que las variaciones de sus propiedades e m e r
anim a les. Una de las m ara villas de la fis io lo g ía es la parado-
gen en la e v olució n y el desarrollo.
C a p ítu lo 1 Introducción a los principios fisiológicos
a e xpe rim e ntació n fis io ló g ic a p ro life ró en los
L
sesenta co m o resultado de m uchos sucesos relacionados. El avance en diversas te c n o lo gías, desde la m edicina nuclear hasta la gené tica m olecular, p reparó el te rre n o para las nuevas a pro xim a cio n es para el estu d io de la d iv e rs i dad a nim a l. La creciente intern a cion a liza ción de la ciencia p e rm itió a los inve stig a do re s acceder a a n im a
les inusuales en sitio s exóticos. La d em ografía de la p oblacion llevó a la co ntra ta ció n m asiva de científicos,
Pájaro del paraíso.
creando una masa crítica de in ve stig a do re s interesa dos en co m p re n d e r la dive rsida d fisio ló g ica de los a n i males. Fue d ura n te este perio d o cu ando se lanzó el
m u n d o en "u n a búsqueda del c o n o c im ie n to m é dico y
program a Hélice A lfa . Este prog ra m a , que com enzó en
b io ló g ic o ". El barco fu e un la b o ra to rio flo ta n te para tre s o cua
1964 bajo los a usp icios de la Fundación N acional de
2
los Estados U nidos para la Ciencia, representó un giro en el enfoque cien tífico para to d a una generación de
tro e xpe d icio n es p o r año, aunando equ ip os de c ie n tífi
fis ió lo g o s anim ales.
e xpedición ina u g ura l del Hélice Alfa fu e a la Gran Ba
cos con intereses y e xperiencia co m p le m e n ta rio s. La
El Hélice Alfa fue un barco d estinado a la in ve stig a
rrera de C oral, una expe d ició n que d u ró seis meses,
ción oceánica n om b ra d o después de que el m o de lo es
donde los inve stig a do re s e stu d ia ro n los a rrecifes de
tru c tu ra l del DNA fuera prop u e sto p o r W atson y Crick
coral, los bosques de m a ng la res tro p ica le s y los a n i
so lam ente diez años antes. Fue a d q u irid o en el año
m ales que vivía n en el m a r o en la tie rra . Una expe d i
1964 p o r el In stitu to O ceanográfico S cripps (U nive rsi
ción de diez m eses en 1967 llevó al Hélice Alfa al río
dad de C alifo rnia , San D iego) a tra vé s de una beca de 1,5 m illo n e s de d ólares de la Fundación N acional de
A m azonas para e stu d ia r las p ropiedades de c o m p o rta m ien to y e volu tiva s de los peces y de los anim ales te
los Estados U nidos para la Ciencia. El barco fu e co ns
rrestres en el nuevo tró p ic o . El viaje de re to rn o pasó
tru id o para crear la b o ra to rio s técn ica m e n te so fistica dos que sirvie ra n a los b ió lo g o s e xp e rim e ntale s para
dia ro n los m is m o s a nim ales que D arw in e studiara un
e x p lo ra r h abitats naturales desconocidos en el m undo.
siglo antes. El crucero en los quince años sigu ie ntes
p o r las islas G alápagos, d on d e los inve stig a do re s estu
A u n qu e fu e lanzado y fu n d a d o p o r el g o b ie rn o de los
llevó de vu elta a los inve stig a do re s a los m ism os s i
Estado U nidos, se utiliza co m o la b o ra to rio flo ta n te
tio s, y a o tro s co m o el m ar de Bering (m ares de agua
para docenas de cien tífico s internacionales. En su viaje
fría), Nueva Guinea (anim ales tro p ica le s), la isla de
ina u g ura l en 1966, el Hélice Alfa llevaba doce m ie m
Guadalupe (peces y m orsas), la A n tá rtid a (anim ales
b ros en la trip u la c ió n y diez cien tífico s a lre d e do r del
polares), el Pacífico Este (anim ales de arrecifes, tib u ro -
El Hélice Alfa sig n ific ó una e xplo sión en el tra b a jo de fisio lo g ía anim al que com enzó en 1960. El p ro g ra ma del Hélice A lfa c o n tin u ó hasta 1980, m o m e n to en el que cesó el apoyo del g o b ie rn o y la p ropiedad del bar co fue tra n s fe rid a a la Fundación N acional para la C ien cia. El barco perm a n e ció en servicio , lig a d o a la U nive rsid a d de Alaska, y se u tilizó en la investig a ció n oceanográfica in tern a cion a l. El prog ra m a Hélice A lfa d io a m iles de cien tífico s la o p o rtu n id a d de aprender de p rim e ra m ano sobre la d ive rsida d del m u n d o n atu ral y có m o fu n cio n a n los o rg a n is m o s en diferentes am bientes. •
Nautilus.
nes, ballenas), A u stra lia (serpientes m arinas), Hawai (anim ales de m ares p rofu nd o s) y las Filip ina s (n au ti lus). M uchos de estos a nim ales no habían sido estu diados nunca, y sus p ropiedades fis io ló g ica s eran n o ta ble m en te m isteriosas p o r aquel tie m p o .
Ballena beluga.
3
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
I P re s e n ta c ió n En p alab ras del reconocido fisiólogo Knut SchmidtNielsen, la fisiología anim al es “el estudio de cómo fu n cionan los animales". Los fisiólogos anim ales es tud ian la estru ctu ra y la función de las diferentes partes de u n anim al y cómo esas p artes diferentes trab ajan ju n tas p ara perm itir a los anim ales m ejorar su com portam iento norm al y responder a su am biente. Un elem ento com ún de la fisiología anim al es la diversidad. Más de un m illón de diferentes espe cies de anim ales viven en la Tierra, y cada uno de ellos h a adquirido a través de la evolución propieda des únicas e innum erables. Cada proceso fisiológico es producto de las actividades de tejidos complejos, órganos y sistem as que pueden em erger a través de m odelos complejos de regulación genética de innu m erables células. A p esar de esta enorm e diversidad, hay muchos puntos en com ún dentro de la fisiología, que unifican tem as aplicables a todos los procesos fisiológicos. En prim er lugar, los procesos fisiológicos obedecen a le yes físicas y químicas. En segundo lugar, los procesos fisiológicos se regulan p a ra m an ten er las condiciones in ternas dentro de límites aceptables. Esta estabili dad interna, conocida como homeostasis, se m antie ne a través de m ecanism os de retroalim entación que perciben las condiciones y provocan u n a respuesta
apropiada. Tercero, el estado fisiológico de un anim al es p arte de su fenotipo, que surge del producto gené tico, o genotipo, y su interacción con el am biente. Cuarto, el genotipo es el producto del cambio evoluti vo en un grupo de organism os, poblaciones o espe cies, a lo largo de m uchas generaciones. La m ayoría de los estudios fisiológicos exam i n an cómo afectan los diferentes procesos al fenoti po fisiológico de un anim al (Figura 1.1). Tanto el genotipo de un organism o como su am biente interactúan a lo largo del desarrollo p a ra producir el fe notipo de u n organism o adulto. El fenotipo es, en sí m ism o, el producto de los procesos a m uchos nive les de la organización biológica, entre ellos el bio químico, celular, tisular, de órgano y de organism o. Juntos, todos estos procesos in teractú an p a ra p ro ducir com portam ientos com plejos y resp u estas fi siológicas. El am biente puede, en cambio, influir en el fenotipo adulto. Los organism os p ueden cam biar su com portam iento como resultado de un ap ren d i zaje, o m odificar sus resp u estas fisiológicas a través del cam bio de sus fenotipos. Finalm ente, el fenotipo (la morfología, la fisiología y el com portam iento) de un anim al influye en su éxito reproductivo. La dis tin ta supervivencia de los organism os con fenotipos diferentes puede d a r lugar a un cam bio evolutivo del genotipo de u n a población a lo largo de m uchas generaciones.
I F is io lo g ía : p asad o y p re s e n te La fisiología anim al m oderna es una disciplina relacionada con toda una serie de procesos que afectan a la función anim al. Aunque la fisiología anim al es u n a ciencia experim ental cuyas raíces p u ed en e n c o n tra rse hace m ás de dos m ilenios en la an ti gua Grecia, desem peña un papel im p o rtan te en la biología m oderna, como nexo que ime diferentes cam pos de la biología.
Una breve historia de la fisiología anim al Figura 1.1. adultos.
Un resum en de los fa c to re s que influyen el fe notipo de los a n im a les
A unque los p e n s a d o re s griegos como H ipócrates (460-hacia 377 a. de C., el p ad re de la m edicina) y
C A P ÍTU LO 1
A ristóteles (384-322 a. de C., el p ad re de la historia natural) no fueron específicam ente fisiólogos expe rim entales, la im p o rtan cia que H ipócrates dio a la observación m inuciosa en el tratam iento de la en ferm edad y la que A ristóteles concedió a la relación en tre la estru ctu ra y la función hicieron que se los co n sid erara como figuras relevantes en la historia de la fisiología. Claudio Galeno (129-hacia 199) fue el prim ero en utilizar experim entos diseñados de m odo sistem ático y cuidadoso p a ra com probar la función del cuerpo. Galeno utilizó de m odo extensi vo el uso de la disección y la vivisección de p rim a tes no hum anos como el m ono de B erbería y otros m am íferos p a ra p ro b ar sus ideas fisiológicas. Por ejem plo, Galeno realizó experim entos en los que ocluyó los u rétere s (los tubos que van desde los ri ñ ones hacia la vejiga) y observó que los riñones se hin ch ab an . De esta observación concluyó que los ri ñ ones p articip ab an en la form ación de la orina. De la m ism a m an era, ocluyó el nervio laríngeo (que lle ga h asta las cuerdas vocales) de u n cerdo vivo, y en ese m om ento el cerdo dejó de gritar. De este experi m ento extrajo la conclusión de que el cerebro y los nervios regulaban la voz. Este trabajo experim ental, com binado con su p ráctica como m édico de los gladiadores rom anos, le perm itió form ular descrip ciones anatóm icas d etalladas y dilucidar la base de m uchos procesos fisiológicos. A unque, desde u n a perspectiva m oderna, g ran p arte del trabajo de Galeno fue incorrecta, su énfasis en la observación m eticulosa y la experim entación lo convierte en el fun d ad o r de la fisiología. D urante la E dad Media las tradiciones m édicas de los antiguos griegos se practicaban y fueron des arrolladas p o r los m édicos en el m undo m usulm án, de m an era notoria Ibn al-Nafis (1213-1288), que fue el prim ero en describir correctam ente la anatom ía del corazón, la circulación coronaria, la estructura de los pulm ones y la circulación pulm onar. También fue el prim ero en describir la relación entre los pul m ones y la ventilación de la sangre. El Renacim iento brindó un im pulso a la investi gación fisiológica en O ccidente. Jean -F ran p o is F ernal (1497-1558) esbozó el actual conocim iento de la salud h u m an a y la enferm edad. A ndreas Vesalius (1514-1564), au to r del p rim er texto de anatom ía m oderna, dem ostró que Galeno había cometido m u chos erro res tanto en anatom ía como en fisiología. Como se pen sab a que Galeno h abía hecho todo lo necesario p a ra en ten d er el funcionam iento del cuer po, m uchos de los practicantes de la m edicina de aquel tiem po prescindieron de la investigación en fi
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
siología. Por lo tanto, m ostrando que Galeno no es tab a en absoluto en lo cierto, el trabajo de Vesalius im pulsó el estudio m oderno de la anatom ía y la fi siología. William Harvey (1578-1657) identificó el camino de la sangre en el cuerpo, y dem ostró que las con tracciones del corazón provocaban este movimiento. Aunque Harvey no pudo observar los finos capilares que conectan las arterias con las venas, utilizando los toscos cristales de aum ento que se podían conse guir en la época, postuló que los capilares debían existir p a ra form ar u n a circulación cerrad a alrede dor del cuerpo p a ra la sangre. Harvey dem ostró como las disecciones, la observación cercana de los organism os vivos y los experim entos finos podían ser com binados p a ra enseñarnos sobre las funciones del cuerpo. Antes del siglo xvm los fisiólogos se dividían en dos grupos: los iatroquím icos y los iatrofísicos. Los iatroquímicos creían que la función del cuerpo sólo requería reacciones quím icas, m ientras que los ia trofísicos p ensaban que sólo intervenían los proce sos físicos. A finales del sigo xvn y principios del xvm u n m édico holandés, H erm ann Boerhaave, y su dis cípulo suizo, Albrecht von Haller, propusieron que las funciones corporales eran u n a com binación de procesos tanto químicos como físicos. Uniendo estas dos aproxim aciones, estos investigadores fueron de los prim eros que postularon la fisiología tal y como se entiende hoy. En el siglo xix el conocimiento en fisiología co m enzó a aum en tar m uy rápidam ente. Por ejemplo, en 1838 M atthias Schleiden y Teodor Schaw nn for m ularon la “teoría celular”, que establece que los o r ganism os e stá n h echos de u n id ad es llam ad as células, descubrim iento que p reparó el terreno p ara la fisiología m oderna. Claude B ernard (1813-1878) descubrió que la hem oglobina tran sp o rta oxígeno, que el hígado contiene glucógeno, que los nervios pueden regular el flujo sanguíneo, y que las glándu las sin conducto producen secreciones internas (hor m onas) que son tran sp o rtad as por la sangre e influyen en los tejidos distantes. Una de las contri buciones m ás im portantes de B ernard fue su con cepto de m edio in tern o (am biente interno); postuló que todos los organism os vivos p reservan un medio interno específico a p esar de los cam bios en el m e dio externo. Este concepto, la capacidad de m an te ner un medio interno constante, fue m ás tarde desarrollado de m an era m ás com pleta por el fisiólo go norteam ericano W alter B. Cannon (1871-1945), quien ideó el térm ino hom eostasis.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
H asta el siglo xx, los fisiólogos hacían poca dis tinción entre fisiología anim al y la fisiología m édica. La m ayoría de los experim entos en fisiología en los anim ales fueron realizados con el objetivo de alcan z a r u n m ejor conocimiento del funcionam iento del cuerpo hum ano tanto sano como enfermo. Pero en el siglo xx los biólogos se in teresaron po r la aplicación del conocim iento em ergente de la fisiología a los ani m ales vivos en diferentes am bientes, y tra ta ro n de en ten d er el porqué de la diversidad fisiológica. P er Scholander (1905-1980) fue uno de los p ri m eros y m ás influyentes de estos fisiólogos com pa rativos. Scholander estudió u n a gran cantidad de resp u estas fisiológicas diversas, incluyendo los m e canism os im plicados en los vertebrados buceadores, las resp u estas de los anim ales de sangre caliente h a cia los am bientes fríos y cómo los peces llenan su ve jiga n atato ria (órgano lleno de aire que los peces utilizan p a ra flotar). Scholander tam bién organizó las influyentes expediciones del Hélice A lfa en el p ro g ram a de investigación descrito en el comienzo de este capítulo. Las contribuciones de C. Ladd P rosser (19072002) incluyen el descubrim iento del llam ado gene rador de modelo central. Estos grupos de neuronas coordinan m uchos com portam ientos rítm icos como resp irar y andar. P rosser tam bién descubrió la rela ción entre el diám etro de u n m úsculo y la velocidad de conducción, y d u ra n te la S egunda G uerra Mundial trabajó en los efectos de la radiación en la vida anim al como p arte del proyecto M anhattan. Knut Schmidt-Nielsen (1915-) dedicó su carrera profesional a entender cómo los anim ales viven en m edios duros e inusuales. En su trabajo clásico y tem prano sobre las adaptaciones del camello a la vida del desierto, dem ostró que la nariz del camello tiene u n m ecanism o intercam biador en contraco rrien te que le perm ite reab so rber un a mezcla del aire exhalado, con lo que la pérdida de agua se reduce en casi u n 60% en com paración con otros m amíferos. George Bartholom ew (1923-) es el fundador del cam po de la fisiología ecológica, es decir, el estudio del m odo en que los organism os interactúan con su am biente. Bartholom ew com binó el estudio del com portam iento anim al, la ecología y la fisiología p ara valorar el significado evolutivo de los ajustes o las adaptaciones de los anim ales a su medio. Identificó lo individual como la unidad fundam ental de la se lección natural, y subrayó la im portancia de la va ried ad en fisiología. M eter H ochachka (1937-2002) y George Somero (1941-) fundaron el cam po de la bioquím ica adapta-
tiva. Aplicando conceptos y técnicas bioquím icas a cuestiones de fisiología com parada, h an am pliado nuestro conocimiento sobre cómo los anim ales se ad ap tan a am bientes hostiles al nivel subcelular, aportando m ecanism os bioquímicos que les perm i ten vivir en hábitats ta n diferentes como el m a r p ro fundo, el océano Antartico, los picos de las altas m ontañas y los bosques de lluvia tropical. Cualquier intento de re p a sa r las principales fi guras de la historia de la fisiología anim al excluye innum erables investigadores que han hecho contri buciones im portantes en este cam po. A m edida que avancem os en este libro, irem os introduciendo m u chas otras figuras destacables en la fisiología anim al y verem os en detalle sus contribuciones específicas.
Subdisciplinas en la investigación fisiológica El conocimiento de la fisiología m oderna es el resul tado de los esfuerzos de m uchísim os científicos con intereses y experiencia diferentes. Norm alm ente, un fisiólogo anim al se especializa en u n a o dos subdisci plinas de la fisiología, con un conocimiento básico en las otras subdisciplinas relacionadas. Existen tres m aneras principales de definir las subdisciplinas fi siológicas: por el nivel de organización biológica, por la naturaleza del proceso que origina la variedad fi siológica y por los últimos logros de la investigación.
Las subdisciplinas fisiológicas pueden diferenciarse por el nivel biológico de diferenciación Puesto que la fisiología se relaciona con la función biológica en m uchos niveles de organización (Figura 1.2), u n a de las m an eras m ás com unes p a ra diferenciar las ram as de la fisiología es haciendo re ferencia a dichos niveles. • Los fisiólogos celulares y m oleculares estudian
los fenóm enos que ocurren a nivel celular, au n que estos efectos tienen consecuencias im por tan tes p a ra niveles de organización superior. Los fisiólogos celulares y m oleculares incluyen inves tig ad o res que e stu d ia n genética m olecular, transducción de señales, bioquím ica m etabólica o biofísica de m em branas. • Muchos fisiólogos centran su estudio en sistem as fisiológicos específicos. Un fisiólogo de sistem as se interesa po r el modo en que las células y los te-
C A P ITU LO 1
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
/
Tejidos
Comunidades Fig u ra 1.2.
Ecosistemas
Biosfera
N iv e le s de o rg a n iz a c ió n b io ló g ic a .
Los quím icos y los bioquím icos estudian las propiedades de los átom os y las m oléculas. Los biólog os m oleculares estudian las propiedades de las células. Los fisió logo s estudian las interacciones entre las m oléculas, células, tejidos, órganos y sistem as de órganos para entender la estructura y función de un organism o. Los ecologistas estudian las interacciones de los organism os, las poblaciones y las com unidades para entender las propiedades de los ecosistem as y, por ú ltim o , de la biosfera.
jidos interactúan p a ra llevar a cabo cometidos específicos dentro del anim al completo. De he cho, cada uno de los capítulos de la p arte segun
da de este texto se centra en la fisiología de siste m as. Por lo tanto, hay fisiólogos respiratorios, fi siólogos sensoriales, y así sucesivamente.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
• Un fisiólogo del organismo se interesa m ás habi tualm ente por el modo en que los anim ales sanos llevan a cabo un proceso especifico o un com por tam iento. Por ejemplo, u n fisiólogo del organismo podría estudiar los cambios en la tasa metabólica del anim al en respuesta a un estímulo como la tem peratura. Una característica del organismo como la tasa m etabólica es el producto de muchos sistem as fisiológicos que interaccionan de modo complejo. Algunos fisiólogos del organism o se es pecializan en grupos de anim ales particulares; así, hay fisiólogos de m am íferos m arinos, fisiólo gos aviares, y así sucesivamente. • Un fisiólogo m edioam biental estudia cómo influ yen las p ropiedades fisiológicas de un anim al en la distribución y abundancia de las especies o de la población. Por ejemplo, un fisiólogo m edioam b iental puede estudiar el m odo en que la distri bución de los nutrientes en el medio influye en la velocidad de crecim iento de un anim al. M ientras que los fisiólogos del organism o cen trarían su in vestigación en u n grupo in teresante de anim ales, los fisiólogos ecologistas están m ás interesados en cómo afecta u n am biente interesante a an i m ales diversos dentro de ese am biente. • Un fisiólogo integrador trata de entender los procesos fisiológicos en diversos niveles de orga nización biológica y a través de m últiples siste m as fisiológicos. P or ejem plo, u n fisiólogo in tegrador po d ría estudiar el m odo en que la va riación de los genes de la hem oglobina contribu ye a las diferencias en la distribución de oxígeno y cómo estas diferencias en la capacidad p a ra ex traer oxígeno del m edio contribuyen a la dis tribución geográfica de las especies. N aturalm ente existe u n im portante solapam iento en tre estas subdisciplinas, y a veces resulta difícil esta blecer diferencias en tre ellas. De hecho, pocos investigadores fisiólogos se lim itan a un único nivel de organización. A menudo u n fisiólogo interesado en un proceso de u n nivel de organización tam bién estudia su función en el siguiente nivel inferior. Esta aproxi mación, conocida como reduccionism o, asum e que podem os ap ren d er sobre un sistem a estudiando la función de sus partes. Aunque una visión reduccio nista puede ser extrem adam ente clarividente, y ha sido la base de m uchos descubrim ientos biológicos im portantes, últim am ente m uchos procesos tienen características que no son evidentes m ediante un sim ple exam en de las partes que lo componen. Este rasgo de los sistem as complejos se denom ina em ergencia,
que no es m ás que otra m anera de decir que el todo es a menudo m ás que la sum a de las partes que lo com ponen. Las propiedades em ergentes de un siste m a se deben a las interacciones de las partes que la com ponen, y pueden ser difíciles de predecir estu diando cada parte de modo aislado. Los fisiólogos es tán norm alm ente interesados en estas propiedades em ergentes, y por eso estudian el modo en que las moléculas, las células y los tejidos interactúan p ara producir el sistem a complejo que es un organismo.
Las subdisciplinas fisiológicas pueden diferenciarse por el proceso que genera variación Muchos fisiólogos están interesados en cómo cam bian las funciones biológicas con el tiem po o en re s puesta a cam bios en el medio. Por tanto, la fisiología tam bién puede dividirse basándose en el m ecanism o p or el que aparecen cam bios o diferencias en los procesos fisiológicos. • Un fisiólogo del desarrollo estudia cómo cam bian las estructuras y funciones a m edida que el anim al crece a través de las diversas etapas de la vida desde el em brión, pasando por la m adurez reproductiva, h asta la senescencia y la m uerte. Estos cam inos en el desarrollo son responsables de la conversión de las células m adre especiali zadas a tejidos m ulticelulares y sistem as. P ara entender la diversidad en la morfología y función anim al es im portante apreciar cómo surgen es tas estructuras en el desarrollo. • Un fisiólogo del medio valora las respuestas fisio lógicas de los anim ales a los desafíos del medio. Por ejemplo, los cambios de tem peratura tienen la capacidad de afectar a muchos sistem as fisiológi cos de m anera compleja. Un fisiólogo del medio se interesa por la m anera de organizar o reorgani zar la fisiología de un anim al individual p a ra so brevivir al reto del medio. • Un fisiólogo evolutivo se ocupa fundam ental m ente de explicar el m odo en que los rasgos fi siológicos específicos su rg en d en tro de los linajes a través de m uchas generaciones. Pueden estar interesados en los orígenes de la variación dentro de las poblaciones de un a única especie o e la base de las diferencias entre grupos de an i m ales íntim am ente relacionados. Muchas cuestiones fisiológicas abarcan elem entos de cada u n a de estas disciplinas. Por ejemplo, las to-
C A P ÍTU LO 1
xinas del m edio pueden alterar el modelo de des arrollo de u n anim al, alterando su capacidad de en c o n tra r u n co m p añ ero adecu ad o y a p a re a rse . A dem ás, cada una de estas especialidades puede aplicarse a cualquiera de los niveles de organización biológica. Por ejemplo, un fisiólogo del medio que es tudia la tem p eratu ra puede estar interesado en el m odo en que esto afecta a las m oléculas, células, sis tem as u organism os.
La fisiología animal puede ser una ciencia pura o aplicada F inalm ente, se p u ed en subdividir las disciplinas fi siológicas en función del objetivo fundam ental de la investigación. La investigación de u n fisiólogo apli cado está en cam in ad a a conseguir un objetivo es pecífico y práctico. Por ejem plo, los fisiólogos estu d ian ciertos anim ales po r su im portancia eco
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
nóm ica. Así, la m edicina veterin aria cu en ta con la investigación fisiológica p a ra m ejo rar la salud de los anim ales de cam po y los anim ales de com pañía. De la m ism a m an era, g ran p arte de la investigación fisiológica está encam in ad a a en ten d er el cuerpo h um ano. A unque el objetivo fundam ental de la fi siología m édica es en ten d er la enferm edad h u m a na, g ran p arte de la investigación m édica utiliza anim ales como m odelos p a ra en ten d er los procesos fisiológicos básicos con la esp era n za de que los r e sultados sean extensibles a los hum an o s (véase la Caja 1.1). Un m édico fisiólogo utiliza anim ales p ara enten der la condición hum ana, pero un fisiólogo com pa rativo estudia los anim ales con el objetivo de entender la naturaleza y los orígenes de la diversi dad fisiológica. La fisiología com parada anim al se construye a p artir de la diversidad fisiológica, a la vez que busca unificar conceptos.
C aja 1.1
M étodos y modelos de sistem as Los modelos de A ugust ICrogh en fisiología animal
Una especie m odelo es un organism o que
en la mayoría de los m odelos de vertebrados, tales com o el
es estudiado por una gran com unidad de investi
pez cebra, los pollos, los ratones y los hum anos. Sin em bar
gadores porque (1) tiene rasgos que favorecen la experi
go, siem pre existen preocupaciones sobre la distancia filo-
m entación y (2) entender el proceso en el m odelo aporta la
genética entre los diferentes m odelos. Por esta razón, cada
perspectiva de cóm o funciona el proceso en otras especies
taxón tiene una o dos especies que se han erigido com o
de interés. Cada especie m odelo ha sido elegida porque de
modelo.
m uestra una com binación de rasgos que hacen que sea
A lgunos animales son m odelos útiles porque tienen ras
adecuada para algunos estudios, pero no para todos. Esta
gos anatóm icos poco com unes. Quizás el ejem plo más fa
técnica de utilizar una especie m odelo con rasgos favora
m oso de estos m odelos es el axón del calamar gigante. Los
bles para el estudio científico es conocida com o el p rin c ip io
calamares son animales relativam ente sim ples que tienen
de A u g u s t K rogh : Para cada problem a biológico siem pre
axones suficientem e nte grandes para que puedan verse fá
hay un organism o en el que es más conveniente estudiarlo.
cilm ente y estén preparados para ser manipulados. Los ovo
La im portancia de las especies específicas m odelo cam
citos de la rana africana (Xenopus laevis) son m odelos m uy
bia a través del tiem po, a m edida que avanza la tecnología y
útiles para la expresión de proteínas externas. Los ovocitos
se expanden las bases de datos genéticas. Un animal que
de Xenopus son grandes, de m odo que los científicos pue
en el pasado era difícil de estudiar puede ser hoy m ucho
den introducir fácilm en te ARN externo por m icroinyección.
más fácil de estudiar. Por ejem plo, desde que la tecnología
Los ovocitos después traducen y procesan las proteínas.
del ratón transgénico es accesible, los ratones son ahora
Por ejem plo, la m icroinyección de ARN que codifica para
m odelos más útiles en la fisiología del desarrollo.
proteínas de membrana hace que el ovocito traduzca la pro
El conocim iento obtenido de las especies m odelo es so la m ente útil en cuanto la inform ación es relevante para otras
teína y se inserte en la membrana donde sus propiedades funcionales pueden ser valoradas.
especies. Lo más com ún era que el m odelo fuera elegido
M uchos anim ales son m odelos útiles para el estudio de
por su paralelismo con la biología humana. Aunque los prin
la biología del desarrollo. Los nem atodos son anim ales pe
cipales m odelos animales son bastante diferentes en apa
queños com puestos por solam e nte unos pocos m iles de
riencia, gran parte de la maquinaria genética y estructural
células. El desarrollo desde un huevo fertilizado hasta el
que subyace al desarrollo es sim ilar entre los animales. Los
adulto ha sido estudiado hasta el punto de haber mapeado
prim eros m odelos del desarrollo em brionario son sim ilares
el destino de cada célula. Los investigadores pueden mi-
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
croinyectar sustancias en una célula elegida en un estadio
los fisió logo s exam inar la im portancia de los rasgos es
específico del desarrollo, sabiendo que una célula específi
tructurale s. Durante m uchos años las m utaciones al azar
ca se dividirá y se diferenciará en un tejido específico u ór
eran la única manera de generar m uta ntes. En ese periodo
gano. Los peces cebra son m odelos útiles porque el
se utilizaron invertebrados y pequeños peces, lo que per
em brión crece rápidam ente y perm anece transparente du
m itió llevar a cabo proyectos de m apeo a gran escala para
rante gran parte de las prim eras etapas de su desarrollo.
id entificar m uta ntes interesantes. M ás recien tem ente, las
Esto perm ite a los investigadores el s egu im iento de cam
aproxim aciones genéticas hacia la fisiología han sido facili
bios celulares com plejos en los anim ales vivos. Estos estu
tadas por dos tendencias. En prim er lugar, la proliferación
dios se ayudan con la transfección de genes que codifican
de técnicas de m utagénesis dirigida facilita el trabajo con
para proteínas fluorescen tes que pueden ser m onitoriza-
anim ales de tie m p o s generacionales largos, ya que el m a
das más fácilm en te.
peo a gran escala no es necesario. En segundo lugar, hay
Un fa cto r im portante que determ ina la utilidad de las es
un rápido cre cim ie n to del núm ero de especies de las que
pecies m odelo es la facilidad con la que se pueden m odifi
te n e m o s in form ación genética. Los m odelos resultan m u
car los genes. La capacidad para generar m utaciones que
cho m ejores para los estudios gen éticos cuando se cono
conducen la ganancia o la pérdida de la funció n p erm ite a
ce su genom a com pleto.
U n ific a n d o c o n c e p to s en fis io lo g ía
Física y química: Las bases de la fisiología
A p esar de la g ran diversidad de la naturaleza de la fisiología anim al, m uchos tem as y principios pueden aplicarse a todas las subdisciplinas (Tabla 1.1). A lo largo de este libro hacem os referencia a esto tem as al exam inar los anim ales en el nivel celular y sistémico.
Tabla 1 .1 .
P ara entender la fisiología, se deben ten er conoci m ientos básicos de quím ica y física. Los anim ales se construyen a p artir de m ateriales naturales y, por lo tanto, obedecen a las m ism as leyes físicas y quím i cas que se aplican a cualquier cosa que está a n u es tro alrededor. Debido a la relevancia de estas leyes en la fisiología de los anim ales, los fisiólogos utilizan
Leyes básicas en fis io lo g ía a n im a l.
Leyes básicas
Ejemplos
Los procesos fisiológicos obedecen las leyes de la física y la química
»Las reglas m ecánicas de la ingeniería se aplican a las propiedades físicas de los animales »Las leyes químicas, incluyendo las efectos de la tem peratura, gobiernan las interacciones entre las moléculas biológicas »Las leyes físicas describen el funcionamiento de las m em branas de todas las células, incluyenco las excitables »El tam año corporal afecta a muchos procesos fisiológicos
Los procesos fisiológicos norm alm ente se regulan
»La homeostasis es el mantenimiento de la constancia interna »La retroalim entación negativa ayuda a m antener la homeostasis »La retroalim entación positiva produce una respuesta explosiva
El fenotipo fisiológico es producto de la interacción entre el genotipo y el am biente El genotipo es el producto de la evolución, que actúa a través de la selección n atural y de otros procesos evolutivos
• Hasta genotipos idénticos pueden d a r lugar a diferentes fenotipos • El fenotipo cambia con el desarrollo norm al • El fenotipo cambia con el entorno y los retos fisiológicos • La plasticidad fenotípica es la capacidad de un fenotipo p a ra cam biar en respuesta a las condiciones del ambiente »La definición de adaptación es dependiente del contexto * En sentido evolutivo estricto, la adaptación se refiere al rasgo que confiere un aumento en el éxito reproductivo »La adaptación tam bién puede referirse a cambios fenotípicos que m ejoran el funcionamiento de un sistema fisiológico, sin un cambio evolutivo subyacente *No todas las diferencias son adaptaciones
C A P ÍTU LO 1
a m enudo conceptos o técnicas de las ciencias físicas y quím icas, incluidas las ingenierías, como ayuda p ara la com prensión del funcionam iento de los ani m ales.
La teoría mecánica nos ayuda a entender cómo funcionan los organismos Cada m aterial tiene sus propiedades físicas que son m uy útiles en algunos contextos, pero no en otros. P ara u n ingeniero, sería u n erro r diseñar un ra sc a cielos de espum a o u n a com eta de horm igón. De la m ism a m anera, los m ateriales biológicos o biom ateriales —p roteínas carbohidratos y lípidos— tam bién tienen propiedades físicas características que los h a cen útiles p ara algunos procesos, pero no p ara otros. Por ejemplo, algunas proteínas son rígidas e inflexi bles, m ien tras que otras son fácilm ente deform ables. Las características fisicoquímicas de estos biom ateriales están d eterm inadas por las propiedades de sus m oléculas. Por ejemplo, una red de proteínas puede hacerse m ás rígida po r enlaces adicionales que u n en u n as proteínas con otras. Las células usan las reacciones enzim áticas p a ra ajustar las propie dades físicas de las m acrom oléculas. Las m acrom oléculas se com binan p a ra form ar células, que se agru p an p a ra form ar tejidos. Por lo tanto, las pro piedades m ecánicas de un tejido, como el hueso, se confieren por las propiedades m oleculares de los com ponentes que form an las células óseas, la n atu raleza de las conexiones entre las células y las in ter acciones entre los tejidos. A dem ás de las propiedades m ecánicas, otros conceptos de ingeniería como el flujo, la presión, la resistencia, el estrés y la fuerza desem peñan papeles im portantes en la fisiología. Un ingeniero que diseña u n sistem a p a ra b o m b ear agua de un pozo profundo tom a en consideración factores como los gradientes de presión, la dinám ica de fluidos, la potencia de la bom ba y la resistencia del bom beo. Un fisiólogo car diovascular tiene las m ism as preocupaciones al tr a ta r de en ten d er el m odo en que el corazón distribuye la sangre a través de los vasos sanguíneos.
Los potenciales eléctricos son una moneda de cambio fundamental en la fisiología De la m ism a m an era que utilizam os la electricidad p a ra a rra n car m uchas de las m áquinas que utiliza m os en n u estra vida diaria, los anim ales tam bién utilizan la electricidad p ara iniciar sus actividades celulares. Las células establecen un a diferencia de
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
cargas a través de las m em branas biológicas m e diante el m ovimiento de iones y m oléculas que crean gradientes iónicos y eléctricos a través de las m em b ran as. Todas las células y m uchos orgánulos dentro de las células cuentan con esta diferencia de p oten cial, o potencial de m em brana, p a ra im pulsar proce sos que son necesarios p a ra su supervivencia. Los anim ales tam bién utilizan cam bios en los potencia les eléctricos p a ra m a n d ar señales dentro de las cé lulas y entre ellas, ayudando a coordinar procesos complejos del cuerpo. Los m úsculos y las neuronas, dos tipos celulares que solam ente se encuentran en los anim ales, utilizan cam bios en el potencial de m em b ran a p ara enviar señales. Por lo tanto, la acti vidad eléctrica h a jugado un papel im portante ayu dando a los fisiólogos a entender el m odo en que trab ajan las neu ro n as y los músculos.
La temperatura afecta a los procesos fisiológicos Debido a que los procesos fisiológicos tienen su base en las leyes físicas y químicas, la m ayoría de ellas se ven afectadas por la tem peratura. La velocidad de la m ayoría de las reacciones quím icas aum enta con el aum ento de la tem peratura. El aum ento de la tem p e ra tu ra increm enta la energía de las m oléculas y provoca un aum ento del núm ero de colisiones entre las m oléculas en un sistem a cerrado. La m ayoría de las reacciones im plican la ro tu ra o form ación de en laces químicos, que pueden ocurrir solam ente si las m oléculas están u n as cerca de otras. Por lo tanto, cuantas m ás colisiones m oleculares ocurran, m ás ráp id a será la velocidad de u n a reacción química. Estos efectos de la tem p eratu ra en los sucesos m ole culares se com binan p a ra influir en el modo en que los anim ales interaccionan con la tem peratura am biental. Por lo tanto, un fisiólogo de la tem peratura se relaciona con la m an era en que la fisiología y la anatom ía interactúan p a ra influir en el intercam bio de calor con el entorno.
Los modelos bioquím icosyfisiológicos están influidos por el tamaño corporal Desde el m inúsculo zooplancton que pesa m enos de u n m iligram o, hasta las ballenas azules con m ás de 100.000 kg, los anim ales varían enorm em ente en su tam año corporal, y estas diferencias tienen profun dos efectos en todos los procesos fisiológicos. Como escribió un a vez J. B. S. Haldane, “Puedes tira r un rató n por el hueco de u n a m ina de miles de millas y
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
al llegar al fondo se d ará un leve golpe y echará a a n dar, si el suelo está relativam ente suave. Una rata m uere, u n hom bre se rom pe y un caballo se despa rra m a ”. Pero ¿por qué es ta n im portante el tam año corporal? P ara en ten d er los efectos del tam año cor p oral considerem os u n anim al con form a esférica de radio r . La m asa de este anim al se increm enta en re lación con el volum en (V), que depende del radio se gún la fórm ula V = ( 4 /3 )itt3. El área superficial (A ) de la esfera se increm enta con el radio según la fór m ula A = 4 - r 2. Por lo tanto, u n increm ento en el r a dio tiene m ayor efecto sobre la m asa que sobre el área superficial. Puesto que el áre a superficial se in crem enta con la potencia de dos y el volum en se in crem enta con la potencia de tres, el áre a superficial es proporcional al volum en según u n a potencia de 2/3 o y 0-67. La relación entre el área superficial y el volum en es m uy im portante en fisiología porque algunas pro piedades varían en relación con el volum en (medido como m asa corporal) y otras varían en relación con el área. Considerem os, por ejemplo, el efecto de la producción e intercam bio de calor. El calor se p ro duce por el m etabolism o de los tejidos y, po r tanto, la tasa m etabólica del anim al como un todo depende de la m asa de los tejidos. Por el contrario, el calor m etabólico se pierde a través de la superficie del cuerpo. Puesto que la producción de calor v aría con la m asa corporal y la pérdida v aría con la superficie corporal, u n anim al grande tiene m ás dificultad p a ra desp ren d er calor m etabólico que uno pequeño. La relación cuantitativa entre el tam año corporal y los p arám etro s fisiológicos, como la tasa m etabóli ca y la respiración, se conoce usualm ente como e s ca lam ien to alom étrico. A finales de los ochenta, Max R ubner observó que la relación entre el tam año corporal la ta sa m etabólica v ariaba con un exponen te cercano a 0,67, la relación que se espera si este p atró n se debe a diferencias en la relación entre el área de la superficia y el volum en. Sin em bargo, esta simple explicación h a resultado inadecuada p ara m uchos de los procesos fisiológicos que h an sido es tudiados posteriorm ente en relación con la m asa corporal (Figura 1.3). Por supuesto, los anim ales son m ás complejos que u n a sim ple esfera y el área de la superficie funcional es generalm ente m uy diferente del de la superficie externa de los anim ales. Además, m uchos procesos fisiológicos dependen de factores que tienen m uy poco que v er con el área de la su perficie o la m asa. A p esar de la com plejidad de las propiedades fisiológicas que dependen del tam año, o quizás p o r su com plejidad, la escala alom étrica es
Masa corporal (kg) Fig u ra 1.3.
La ta s a m e ta b ó lic a de v a rio s p á ja ro s y
m a m ífe ro s e n fre n ta d a a l peso d e l c u e rp o en una e s c a la lo g a rítm ic a d o b le .
La tasa m etabólica se escala con un exponente entre 0,67 y 0,75 relativo al peso corporal. {Fuente: Adaptado de Schm idtNielsen, 1984).
uno de los tem as dom inantes en la fisiología anim al com parada. Una am plia gam a de estos procesos se escala con pendientes entre 0,67 y 0,75.
Regulación fisiológica La m ayoría de los organism os se enfrentan con en tornos cam biantes. La tem p eratu ra, la disponibili dad de alim entos y la com posición quím ica del aire o el agua que rodea al anim al pueden cam biar con la h o ra del día, la estación o el m ovim iento de un anim al a través del paisaje. Los anim ales m ulticelu lares p ueden clasificarse en función de las estrate gias que u san p a ra enfrentarse a las condiciones cam biantes. Los con form istas perm iten que las condiciones in tern as cam bien al enfrentarse con va riaciones en las condiciones externas. Por ejemplo, la tem p eratu ra del cuerpo de u n pez puede ser baja en el agua fría y alta en agua caliente. Por lo tanto, cada un a de las células del cuerpo de un pez debe rem ed iar los efectos de los cam bios en la tem p era tu ra externa. Los regu lad ores m antienen relativam ente cons tantes las condiciones del m edio interno indepen d ien tem en te de las condiciones del am biente externo. N uestra tem p eratu ra corporal debe ser de aproxim adam ente 37 °C ya estem os en u n a h ab ita ción caliente o de pie fuera en un día m uy frío. El cuerpo tiene m ecanism os p a ra m an ten er su tem pe ra tu ra interna, y por tanto la gran m ayoría de las cé lulas de nuestro cuerpo no tienen que luchar con los efectos del cam bio de la tem p eratu ra externa.
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Lámpara de Lámpara de calor calor encendida apagada p
36
2o?
Q_ O 32
23 2CD?
28
Q_ E 24
20 0
100
200
300
400
500
Tiempo (min) Fig u ra 1.4.
Los e fe c to s de una fu e n te de c a lo r e x te rn a
en la te m p e ra tu r a c o rp o ra l en una ¡g u a n a ( Ig u a n a
¡g u ana). Cuando una ¡guana se coloca debajo de una lámpara de calor, su tem peratura corporal central aum enta rápida m ente com o resultado de un aum ento en la tem peratura externa. {Fuente: Adaptado de Dzialowski y O'Connor, 2001 ).
Cada estrategia tiene sus beneficios y sus costes. Debido a que las resp u estas fisiológicas dem andan energía m etabólica, conform arse es m ucho m enos caro que regular. Sin em bargo, los cam bios en el am biente pueden ten er efectos deletéreos en la fisiolo gía, de m odo que reg u lar proporciona un am biente m ucho m ás estable. Los anim ales pueden ser regu ladores con respecto a u n p arám etro interno, y con fo rm istas con resp ecto a otro p ará m e tro . Por ejemplo, la lagartija se conform a con la tem p eratu ra externa pero regula su concentración in tern a de sal dentro de lím ites m uy estrechos (Figura 1.4).
La homeostasis es el mantenimiento del medio interno constante El m antenim iento de las condiciones internas ante las perturbaciones am bientales se conoce como h o m eo sta sis. La p alab ra hom eostasis no im plica que no existan cam bios en el organism o, sino que el ani m al inicia u n a serie de respuestas específicas p a ra controlar o regular u n a variable particular. Así, su te m p e ra tu ra co rp o ral p erm an ece relativ am en te constante sólo porque num erosos procesos fisiológi cos cam bian activam ente, ajustando las tasas de producción y p érd id a de calor. Por ejemplo, cuando nos encontram os en u n am biente de aire frío, nues tros m úsculos pueden estrem ecerse p a ra producir el calor que reem place el perdido en el am biente. Por
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
lo tanto, la actividad m uscular cam bia p a ra m an te n e r constante la tem p eratu ra corporal. La n atu raleza de la respuesta fisiológica a un cam bio am biental depende de m uchos factores. Los cam bios a corto plazo pueden resolverse frecuente m ente con la utilización de sistem as fisiológicos exis tentes. Cuando un perro tiene m ucho calor, puede m overse a u n a zona m ás fresca o ja d e a r p a ra p erd er calor con su aliento. É stas son aproxim aciones conductuales y fisiológicas a corto plazo efectivas p ara reducir el estrés térm ico. Sin em bargo, no constitu yen estrategias efectivas a largo plazo. Un perro es condido en la som bra no puede bu scar com ida, y el jadeo en tra en pugna con la liberación de oxígeno d urante la carrera. En cambio, los p erro s hacen frente a cam bios de tem p eratu ra a largo plazo, como los ciclos estacionales, m ediante el aum ento de la piel en otoño y la m uda en la prim avera. Esos ejemplos ilustran algunos de los principios que gobiernan los cam bios fisiológicos. Prim ero, al gunas estrategias fisiológicas son efectivas a corto plazo, pero m enos útiles a largo plazo. M antener la respiración puede estar bien p a ra b ucear h asta el fondo de un lago, pero no ayudará a h acer frente a los niveles bajos de oxígeno m ientras se escala el m onte Everest. Segundo, algunas estrategias requie re n una inversión significativa y prolongada de re cursos p a ra surtir efecto. El crecim iento del pelo, por ejemplo, es un proceso relativam ente lento que re quiere energía m etabólica. Tercero, algunos factores de estrés son bastante predecibles, de m odo que los anim ales rem odelan su fisiología anticipadam ente. Muchos procesos fisiológicos cam bian diariam ente, m ostrando ritm os circad ian os. Algunos cam bios son estacionales, como el crecim iento y m uda del ca bello. Otros patrones, como los ciclos reproductores hum anos, están ligados al ciclo lunar. En algunos ca sos, los cam bios fisiológicos cíclicos tienen lugar sin ningún estím ulo am biental, sino que ap arecen gene ralm ente en resp u esta a pistas am bientales como la tem p eratu ra o los fotoperiodos.
Las vías fisiológicas están controladas por retroalimentación P ara m an ten er la hom eostasis, los anim ales pueden (1) detectar las condiciones externas y (2) iniciar en los casos necesarios respuestas com pensatorias que (3) m antengan las áreas vitales equilibradas ante los cam bios desfavorables. Los anim ales m antienen ge neralm ente la hom eostasis usando vías de control reflejo. Un cam bio en el medio interno o externo
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
proporciona el estímulo. Posteriorm ente el estímulo provoca u n a respuesta. Por ejemplo, cuando p re sionam os el acelerador del coche (estímulo) éste acelera (respuesta). Si soltam os el acelerador (elimi nación de estímulo), el coche se desacelera. Pero, p o r supuesto, los coches no sólo tien en acelerador; tam b ién tien en em brague. Si soltam os el acelerador y pisam os el em brague, el coche desacelerará m ás lentam ente que si solam ente soltam os el acelerador. El acelerad o r y el em brague en el coche son ejem plos de c o n tro la d o res an tagón icos: reguladores in d ependientes que ejercen efectos opuestos en u n a vía. Los circuitos de controladores antagónicos son com unes en los anim ales. Por ejemplo, las horm o n as insulina y glucagón, que se estudian en el Capítulo 4, son controladores antagónicos de los n i veles de glucosa.
La retroalimentación negativa mantiene la homeostasis En u n b u cle de retro a lim e n ta ció n n eg a tiv a , la re sp u e sta envía u n a señ al re tró g ra d a al estím ulo y red u ce su in ten sid ad (Figura 1.5). M uchos siste m as fisiológicos tien en p u n to s de ajuste, ran g o s to lerab les alred ed o r de los puntos de ajuste, y co n tro lad o res de retro alim en tació n negativa p a ra m a n te n e r los p ará m e tro s cercanos al punto de ajuste. P or ejem plo, n u e s tra te m p e ra tu ra corporal tiene u n p unto de aju ste ap ro xim adam ente a 37 °C. Cuando la te m p e ra tu ra sube, nu estro cuerpo p u e de su d a r p a ra refrescarse, m ien tra s que un d es censo de la te m p e ra tu ra co rp oral puede inducirnos tem b lo res p a ra calen tarn o s h a s ta el punto de aju s te. A unque el p unto de aju ste p a ra la te m p e ra tu ra co rp o ral h u m a n a está alred ed o r de 37 °C, el punto exacto v aría en tre individuos y cam bia a lo largo del día.
La retroalimentación positiva produce respuestas explosivas Algunos sistem as fisiológicos están controlados por b u cles de retroalim en tación positiva. A diferen cia de la retroalim entación negativa, que m inim iza los cam bios en la variable regulada, los bucles de re troalim entación positiva m axim izan estos cambios. Por ejemplo, los m úsculos del estómago están n o r m alm ente regulados p a ra contraerse y relajarse se gún un p atrón regular p a ra m ezclar suavem ente la comida. Sin em bargo, cuando se detecta u n a toxina, un bucle de retroalim entación positiva induce con tracciones enérgicas que im pulsan la com ida hacia el esófago p a ra iniciar el vómito. Las vías que invo lucran retroalim entación positiva com ienzan de m a n e ra len ta p ero a u m e n ta n rá p id a m e n te en intensidad. En la retroalim entación positiva debe existir tam bién u n a señal que perm ita al anim al de ten er el proceso en el m om ento adecuado, de modo que la acción no se descontrole.
Fenotipo, genotipo y m edio am biente
Las propiedades fisiológicas de un anim al constitu yen aspectos de su fenotipo. Los rasgos fisiológicos, como otras características de los anim ales, están de term inados en gran m edida po r los genes de su genom a, el gen otipo, pero tam bién se ven influidos por la form a en que son regulados los genes, p arti cularm ente en respuesta a las condiciones externas. Un genotipo individual tiene la capacidad de pro ducir variaciones considerables en las propiedades celulares. Aunque en cada célula se encuentran los m ism os genes, éstos son regiúados en com binaciones p ara perm itir al anim al generar los distintos tejidos. Durante este proceso de form ación de tejidos, llam a do morfogénesis, las redes de genes se activan y desactivan en patrones precisos p a ra al frío al calor Temperatura Temperatura Temperatura corporal reducida corporal elevada corporal normal crear el fenotipo apropiado. Por ejemplo, cuando el huevo fertilizado de u n a ra n a se O Producción de calor Calor disipado O (retroalimentación (retroalimentación convierte en un renacuajo, se negativa) negativa) activa un program a de de sarrollo p a ra producir las Fig u ra 1.5. R e tr o a lim e n ta c ió n n e g a tiv a . agallas y la cola. Cuando el La tem peratura corporal se m antiene relativam ente constante m ediante m ecanism os de ren acu ajo sufre la m e ta retroalim entación negativa. Cuando nos exponem os a condiciones de calor, el aum ento de morfosis, se inicia otro pro la tem peratura corporal hace que el calor se disipe para que nuestro cuerpo vuelva a la gram a que da lugar a la tem peratura norm al. Cuando las tem peraturas frías producen una dism inució n en la tem peratura del cuerpo, respondem os aum entando la producción de calor. form ación de los pulm ones y
C A P ÍTU LO 1
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
las patas, y la m uerte de las células de las agallas y la cola. A dem ás de orquestar los program as de des arrollo norm al, el genotipo controla la form a en la que el anim al altera su fenotipo en respuesta a las condiciones fisiológicas y am bientales. Por ejemplo, los cam bios en la expresión de los genes perm iten a los músculos cam biar de tam año y fortaleza en res puesta al ejercicio. Las diferencias en el genotipo en tre los an im ales son fundam entales p a ra las variaciones fenotípicas sobre las que actúa la selec ción natural. Cada genotipo individual tiene la capa cidad de diferenciarse de modo complejo, a m enudo im predecible, debido al modo en que los genes res ponden a las condiciones externas.
Un único genotipo produce más de un fenotipo Un único genotipo puede producir múltiples fenotipos dependiendo de las condiciones am bientales que el anim al experim enta. Por ejemplo, si gemelos idénti cos se desarrollaran en diferentes sitios es posible que uno de ellos fuera m ás alto que el otro debido a las diferencias en la dieta. Esta habilidad de que un único genotipo genere m ás de un fenotipo, dependiendo de las condiciones del am biente, se de nom ina plasticidad fenotípica. Se observa este fenómeno de m an era m ás habitual en el nivel poblacional, donde individuos con genotipos similares pue den ten er fenotipos distintos dependiendo de las condiciones del am biente. La expresión plasticidad fenotípica ab arca u n a am plia variedad de cambios en el fenotipo, algunos reversibles y otros irreversibles. La plasticidad en el desarrollo o poligenism o es una form a de variedad fenotípica en la que el desarrollo en diferentes condiciones puede dar lugar en el orga nism o adulto a fenotipos alternativos, que no pueden modificarse por cambios posteriores en el am biente. Un concepto sim ilar de una reacción norm a o del rango de fenotipos producidos por un genotipo parti cular en am bientes diferentes, se aplica a fenotipos que existen como u n continuo. Por ejemplo, cuando las pulgas de agua (Daphnia pulex) se crían en pre sencia de depredadores (o incluso con extractos quí micos de los depredadores) se desarrollan grandes, bien form adas, con cabezas en form a de casco y con u n a cola alargada y espinosa. Cuando se crían en au sencia de depredadores, se desarrollan con cabezas m ucho m ás pequeñas y con u n a cola m ás corta y m e nos erizada (Figura 1.6). Las pulgas de agua adultas m antienen estas morfologías aunque los extractos del depredador sean elim inados del agua.
(a) Daphnia criada en ausencia de extracto de depredador Fig u ra 1.6.
(b) Daphnia criada en presencia de extracto de depredador
P la s tic id a d fe n o típ ic a y p o lig e n is m o .
Form as alternativas de la pulga de agua, Daphnia pulex. Cuando in dividuos genéticam ente idénticos se crían en ausencia de extractos depredadores, estos rasgos están ausentes. Cuando se crían en presencia de extractos q u ím i cos de depredadores, la D aphnia p u le x tiene una cabeza grande en casquete y cola erizada.
La aclimatación y la aclimatización pueden producir cambios fenotípicos reversibles La m ayoría de los anim ales son capaces de rem odela r su m aquinaria fisiológica en respuesta a las con diciones ex tern as. Los fisiólogos u tilizan los térm inos relacionados a clim atación y aclim atiza ción cuando se refieren a procesos que originan cam bios reversibles en el fenotipo de un organism o en resp u esta a un cambio am biental. La p alabra aclimatación se refiere al proceso de cam bio en re s puesta a u n a variable am biental controlada (norm al m ente en el laboratorio), m ientras que la p alabra aclim atización se refiere al proceso de cambio en resp u esta a un cam bio n atu ral en el am biente. Por ejemplo, si se saca un pez del agua a 15 °C y se lo deja en el agua a 5 °C, se observarán un a serie de cam bios en la bioquím ica m uscular, la tasa m etabó lica y en otros p arám etros fisiológicos. Este proceso recibe el nom bre de aclim atación. Por el contrario, si se com para un pez que se saca en verano de un lago con u n a tem p eratu ra m edia de 15 °C con un pez que
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
se saca en invierno de u n lago a 5 °C, se observarán casi los m ism os cam bios, pero en este caso el proce so se d enom inará aclim atización. La aclim atización puede ser el resultado no solam ente del cam bio de tem p eratu ra, sino tam b ién de cam bios en la d u ra ción del día, la disponibilidad de alim ento y cual quier otro p arám etro del am biente que varía entre el verano y el invierno. En general, tanto la aclim ata ción como la aclim atización son cam bios fisiológicos reversibles.
Fisiología y evolución Uno de los retos fundam entales de la fisiología ani m al es en ten d er y explicar la gran diversidad de for m as del cuerpo anim al y las estrategias que los anim ales u san p a ra enfrentarse a sus am bientes. Considerem os el cuello de u n a jirafa, que, en rela ción con su tam año corporal, es m ucho m ás largo que el de su m ás cercano pariente, el okapi. Cuando u n fisiólogo piensa en el cuello de u n a jirafa, ¿cuál es la preg u n ta que prim ero le asalta? Un fisiólogo re s p iratorio se p reguntará: ¿cómo es posible que la ji rafa resp ire a través de u n cuello ta n largo? Un fisiólogo cardiovascular se p reguntará: ¿cómo puede el corazón de la jirafa b o m b ear la sangre p ara que llegue a la cabeza? E stas p reguntas m ecanistas son perceptivas a los m étodos experim entales de la fisio logía y pueden ser ab o rd ad as utilizando m uchas de las técnicas y aproxim aciones conceptuales que ex ponem os en este texto. Por el contrario, un fisiólogo evolutivo se preguntará: ¿p o r qué la jirafa tiene el cuello largo? Esta preg u n ta realm ente encierra dos tipos de pensam iento. Si querem os ab o rd ar la ca u sa in m ed ia ta del cuello largo de la jirafa, podem os exam inar los genes que especifican el tam año o el núm ero de v érteb ras del esqueleto. También, po dríam os estar in teresados en entender la ca u sa fi n a l del cuello largo de la jirafa: si los cuellos largos significan u n a ventaja evolutiva p a ra los an tep asa dos de la jirafa. P ara ab o rd ar estas últim as pregun tas es necesario considerar el im pacto del cambio evolutivo y el significado adaptativo de los rasgos fi siológicos que se estudian.
¿Qué es la adaptación? La a d ap tación tiene dos significados distintos den tro del ám bito de la fisiología. El uso m ás com ún se refiere al producto o proceso de la evolución po r se lección natural, esto es, el cambio de un a población
o grupo de organism os a lo largo del tiem po evoluti vo. Muchos biólogos evolutivos argum entan que la palab ra adaptación debería u sarse sólo en este con texto. Sin em bargo, los fisiólogos a m enudo utilizan la p alab ra adaptación como sinónimo de aclim ata ción. Un uso es en el contexto de plasticidad fenotípica: un cambio beneficioso en la fisiología del individuo que ocurre durante el transcurso de su vida. Por ejemplo, un fisiólogo de la m edicina podría discutir las adaptaciones al ejercicio: los cam bios que ocurren en los m úsculos y en el corazón d u ran te la realización del ejercicio. En este libro se u sa el térm ino adaptación en el contexto de adaptación evolutiva, pero es im portante que se ap renda a h a cer la distinción entre esta definición y la m an era en que el térm ino es utilizado por otros científicos y la com unidad general. P ara un fisiólogo evolutivo, u n a adaptación es un rasgo que em ergió a través de un proceso como la selección n atu ral y conduce a un aum ento en el éxi to reproductivo. Por lo tanto, u n a adaptación evolu tiva es el resultado de los procesos que tienen lugar a lo largo de m uchas generaciones, antes que en la vida entera de un único individuo. La evolución de la resistencia a los insecticidas en los insectos aporta un excelente ejemplo de los principios de la evolu ción adaptativa. En los cincuenta últim os años, los insecticidas químicos se h a n utilizado p a ra m atar insectos que d añan los cereales o acarrean enferm e dades. Por ejemplo, los organofosforados se h an utilizado d urante décadas p a ra controlar las pobla ciones de insectos, como el mosquito com ún Culex pipiens. Los organofosforados m atan los m osquitos inhibiendo la acetilcolinesterasa, u n a enzim a que es vital p ara la transm isión nerviosa. Los insecticidas m atan a todos o la m ayoría de los m osquitos sus ceptibles, pero aquellos individuos ra ro s con m uta ciones beneficiosas sobreviven y se reproducen. Esta diferencia en la supervivencia cam bia la estructura de la población. Las poblaciones resistentes de Culex pipiens se h an desarrollado de dos m an eras. Algunos m osqui tos tienen m utaciones en el gen de la acetilcolines terasa, que hace que la enzim a sea m ás tolerante al insecticida. Otros m osquitos tien en copias extras del gen de la esterasa, que codifica u n a enzim a que convierte el organofosforado en u n a form a m enos tóxica. E stas m utaciones son vitales p a ra la su p e r vivencia en presencia del insecticida, pero en a u sencia de éste los individuos p ortadores están en desventaja. Aquellos que producen d em asiada estera sa utilizan la energía que podría servir p a ra otras
C A P ÍTU LO 1
funciones fisiológicas; aquellos con la acetilcolineste ra sa m u tad a tien en u n a enzim a que no funciona ta n bien con la form a no m utada (o w ild type). Por lo tanto, estos genotipos son superiores al genotipo w ild-type solam ente cuando los insecticidas están presentes. Se pueden ex traer varios principios generales sobre el proceso de la adaptación evolutiva a p artir de la tolerancia al insecticida de los mosquitos: 1. P ara que se produzca la evolución, debe haber variación en tre individuos en el rasgo que se considera. 2. El rasgo debe ser heredado, genéticam ente de term inado y transm itido a la descendencia. 3. El rasgo debe au m en tar la adaptabilidad, el éxi to reproductivo de los individuos que tienen este rasgo.
4. La adap tab ilid ad relativa de los diferentes geno tipos d epende del am biente. Si el am biente cam bia, el rasgo puede que no resulte ya b en e ficioso.
No todas las diferencias son adaptación^ a evolutivas \ A I \ A I \ A I I No toda evolución es adaptativa. Por ejemplo, la d e riva g en ética , o los cam bios al azar en la frecuen cia de genotipos particulares en u n a población a través del tiem po, pueden d a r lugar a diferencias sustanciales en el fenotipo de dos poblaciones, inde pendientem ente de la adaptación evolutiva. La deri v a g en ética es m ás p ro b ab le que o c u rra en poblaciones pequeñas y es un resultado del azar, no de las diferencias en la adaptabilidad. Si en un bos que el fuego m ata la m ayoría de los individuos de u n a población, los pocos supervivientes pueden m a nifestar u n a frecuencia de genotipo diferente a la de la población ancestral. D espués de varias generaciones, la población de rivada puede diferir de la población ancestral, pero no por ninguna razó n relacionada con la selección n atu ral y la adaptabilidad. Este ejemplo de deriva genética se conoce como efecto fundador.
Las relaciones evolutivas influyen en la morfología y la fisiología A unque es fácil verse su p erado po r la diversidad en la form a y función anim al, los biólogos anim ales se esfuerzan p o r en ten d er la n atu raleza de esta diver sidad. Una de las m ejores m an e ra s de en ten d er
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
cómo funciona un anim al es establecer en qué co sas el an im al es sim ilar a otros organism os. A lgunos rasgos anim ales son com partidos entre todos los organism os; otros, entre todos los an im a les, y otros, entre anim ales em p aren tad o s (linajes). Otros rasgos son realm en te únicos de las especies en estudio. Cuando se d escubren nuevas especies de insec tos en el corazón profundo de la selva am azónica, ya se conocen m uchos de sus rasgos. Como todos los organism os eucariotas, p o seerá un genom a de DNA, p ro teín as de los m ism os 20 am inoácidos y m em b ran as fosfolipídicas. Como en otros anim ales, sus células se conectarán u n as con otras con p ro teín as como el colágeno y la elastina, y te n d rá n e r vios y m úsculos que le p erm itirán se n tir el m undo que lo ro d ea y desplazarse de un sitio a otro. Como otros invertebrados, carecerá de m édula espinal. Como otros artrópodos, te n d rá u n exoesqueleto de quitina. Como otros insectos, te n d rá seis p a ta s y alas p ares. Se puede e s ta r relativam ente seguro de estos rasgos, porque la nueva especie de insecto tiene u n a h isto ria evolutiva que incluye, d u ran te los últim os m iles de m illones de años, an tep asad o s co m unes con otros insectos, invertebrados, m etazoos, y en últim a in stan cia con todos los organism os e u cariotas. Por lo tanto, las especies cercan as evolu tivam ente son m ás p ro p en sas a com p artir rasgos m ás com unes que las especies que están lejos en la escala evolutiva.
Resumen A lo largo de la historia, los avances fisiológicos se h a n debido a las observaciones detalladas de ani m ales vivos y m uertos, unidas a los experim entos di se ñ ad o s cu id ad o sam en te p a r a dilucidar cómo funcionan los anim ales. Los avances en fisiología h a n seguido el ritm o de los avances en la física, la quím ica y la biología molecular, lo que h a perm itido a los fisiólogos avanzar en un entendim iento cre ciente de la estructura y función animal. La fisiología puede divididirse en m uchas su b disciplinas. P uede dividirse basán d o se en los nive les de la organización biológica que el investigador estudia, la clase de variación fisiológica que el in vestigador estudia, o el objetivo de la investigación. Los fisiólogos aplicados, como los fisiólogos m édi cos, los fisiólogos agricultores o los fisiólogos vete rin ario s, estudian cómo funcionan los hum an o s o
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
los an im ales con el fin de av an zar en un objetivo práctico y específico como el tratam ien to de la e n ferm ed ad o la m ejora en la productividad agrícola. La fisiología tam b ién pu ed e se r u n a ciencia básica que in ten ta am p liar el conocim iento del m undo n a tu ral, sin ten er p resen te u n objetivo práctico espe cífico. Por ejem plo, los fisiólogos com parativos estu d ian u n am plio rango de clases diferentes de organism os p a ra en ten d er la n atu raleza y los orí genes de la d iversidad fisiológica. A m enudo podem os estu d ia r m ejor los procesos fisiológicos red u cien d o el proceso en las p a rte s que lo com ponen (habitualm ente en un nivel de organi zación m ás bajo) y estudiando cada p arte aisla d a m ente. Sin em bargo, las p ropiedades em ergentes del sistem a, que resu ltan de la interacción de estas p artes, no son siem pre evidentes cuando las p artes se estu d ian aislad am en te. Así, la fisiología es u n a disciplina científica m uy in teg rad o ra, y los fisiólo gos a m enudo exam inan los procesos en diversos niveles de la organización biológica. Varios tem as im portantes unifican todas las sub disciplinas de la fisiología. (1) Los procesos fisiológi cos obedecen leyes físicas y quím icas. (2) Los procesos fisiológicos son a m enudo regulados. (3) El genotipo y el fenotipo están imidos. (4) Los fenotipos son el producto de la evolución. Los procesos fisiológicos obedecen leyes físicas y quím icas y los fisiólogos a m enudo utilizan teorías e ideas de la física, la quím ica, la bioquím ica y la biología m olecular como ayuda p a ra com prender el funcionam iento de los organism os. P articularm ente, la tem p eratu ra y el tam año corporal influyen de m a n e ra determ inante en el m odo en que los anim ales funcionan, y los fisiólogos siem pre consideran estos dos p arám etro s cuando in terp retan los resultados de sus experim entos. Los anim ales m ulticelulares tienen la capacidad de regular m uchas características de su am biente in terno. Los conform istas perm iten que su medio in terno cam bie a m edida que el am biente externo lo hace, m ien tras que los reguladores m antienen su m edio interno relativam ente constante en respuesta a cam bios en el medio externo. Este proceso de re gulación se conoce como hom eostasis. Las ru tas de control reflejo ayudan a m an ten er la hom eostasis. E stas ru tas de control a m enudo tienen controles a n tagonistas p a ra acelerar o decelerar el proceso, y m uchas se organizan en m ecanism os de retroali m entación negativa. La m ayoría de los sistem as que están controlados p o r m ecanism os de retroalim en tación negativa tienen u n punto de control. Los sis
tem as fisiológicos que necesitan cam bios explosivos en un proceso p articular a m enudo im plican m eca nism os de re tro alim en tació n positiva. C ontra riam ente a los m ecanism os de retroalim entación negativa que tienden a m inim izar el cambio en la va riable regulada, los de retroalim entación positiva tienden a amplificarlo. Un fenotipo anim al, que es la sum a total de sus características físicas, es el resultado de la compleja interacción entre su genotipo (la secuencia de DNA) y su entorno. Debido a la plasticidad fenotípica, un genotipo puede producir m uchos fenotipos, depen diendo de los efectos del entorno. El poligenism o es u n tipo de plasticidad fenotípica en el que el medio en que un organism o se encuentra a m edida que se desarrolla influye en el fenotipo del adulto. Estos cam bios son norm alm ente irreversibles. La aclim a tación y la aclim atización son tipos de plasticidad re activa en los que el entorno produce cam bios reversibles en el fenotipo del organism o. El genotipo de un organism o es el resultado de los procesos evolutivos, entre los que se en cu en tran la adaptación y la deriva genética. Así, las relacio nes evolutivas entre los organism os influyen en su m orfología y en su fisiología. La com prensión de la evolución es, po r tanto, n ecesaria p a ra o b ten er un entendim iento íntegro de la n atu raleza de la diver sidad fisiológica.
P reguntas de revisión 1. ¿Qué es la fisiología?
2. ¿Quiénes fueron algunas de las principales figu ra s de la fisiología antes del siglo xx?
3. ¿En qué sentido los fisiólogos com parativos del si glo xx diferían de los prim eros fisiólogos?
4. ¿Cuáles son las subdisciplinas de la fisiología? 5. ¿De qué m an era las otras disciplinas científicas ayudan a entender los procesos fisiológicos? 6. ¿Cuáles son las leyes básicas de la fisiología? 7. ¿Qué es la hom eostasis? 8. Compare y contraste la retroalim entación negati va con la positiva. 9. ¿Qué es el fenotipo? 10. ¿Cuáles son las form as en las que un fenotipo in dividual puede cam biar? 11. ¿Por qué los fisiólogos necesitan entender la evo lución?
12. Com pare y contraste la evolución adaptativa con la deriva genética.
C A P ÍTU LO 1
P reguntas de síntesis 1. Los sistem as de calentam iento de casa tales como el horno se regulan m ediante retroalim entación negativa. D escriba cómo podría funcionar ese sis tem a. 2. Un herpetólogo (biólogo que estudia los reptiles y anfibios) lleva dos ra n a s a su laboratorio. Una
Introducción a los prin cip ios fisio ló gico s
ra n a es azul, y la otra verde. Por cada un a de las principales subdisciplinas que h an sido descritas en este capítulo, destaque las líneas de investi gación que realizaría p a ra ayudar al herpetólogo a entender la naturaleza de esta variación.
C a p í tu lo 2
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La quím ica de la vida
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ace unos 4.500 m illo n e s de años, después del
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Big bang, el planeta Tierra se fo rm ó a p a rtir de fra g m e n to s que flo ta b a n en el espacio. D uran
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te o tro s m il m illo n e s de años la supe rficie de la Tierra fu e un lug a r inh a b itab le; el bom b a rd eo de asteroides y las erup cio ne s volcánicas rem odela-
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ban consta ntem e n te la supe rficie del planeta. Sin e m b argo, es d ura n te este tu m u ltu o s o perio d o cuando
com enzó la vida en la Tierra. ¿Cómo se p ro d u jo la
Una "fum arola negra", o volcán submarino.
tra n s fo rm a ció n desde el desorden caótico a las m o lé culas orgánicas? En un e xp e rim e n to realizado hace m ás de c in cuenta años, S ta n ley M ille r, e stu d ia n te p o r entonces
sencia de CO, un p ro d u c to de la activid a d volcánica,
de la U nive rsid a d de C hicago, recreaba las c o n d ic io
pueden p ro d u c ir co m pu e sto s orgánicos.
nes que creía que existían d u ra n te ese p erio d o. Prepa
sea co rrecto, los e xpe rim e ntos dem uestran que pe
nas sem anas, se habían fo rm a d o m o lé cu la s orgánicas
sintetizarse e spontáneam ente bajo co nd icion e s que
queñas cantidades de co m pu e sto s o rgánicos pueden
se ncillas, in c lu id o s los a m in o á cid o s, son los e le m e n
im itan el caos p rim o rd ia l. M uchos estu d io s de quím ica
to s que c o n fo rm a n las proteínas. Este e xp e rim e n to
orgánica han m o stra do ta m b ié n que, bajo estas c o n d i ciones, pequeñas m oléculas orgánicas, co m o los a m i
fu e im p o rta n te en su m o m e n to ya que m o stra ba que las m o lé cu la s o rgá n icas co m p le ja s podían s u rg ir es
noácidos, pueden c o n ve rtirse en m acrom oléculas,
pontán e a m e n te . Pero ta m b ié n ha h ab id o un fu e rte de
co m o los p o lip é p tid o s . Los pasos desde las m a c ro m o
bate sobre si las co nd icion e s u tilizadas p o r M ille r eran
léculas hasta las células vivas a uto rre p lic a tiv a s ta m
una v is ió n realista de la atm ó sfe ra p rim o rd ia l. Recien
bién inspiran grandes debates.
te m e n te ha d e m o stra d o que unas co nd icion e s más m oderadas, con una atm ó sfe ra d o m in a d a p o r el C 0 2 y
¿Qué m a crom o lécu la s d eb ie ron in te rv e n ir necesa riam e n te en el origen de la vida? Para c o nsid e rar una
el N2, pueden lle va r ta m b ié n a una síntesis orgánica,
p osible p articip a ció n , las m acrom o lécu la s necesitaban
aunque a m e n o r ritm o .
te n e r unas propiedades dete rm in a da s, tales co m o la
Una hipó te sis altern a tiva a la de la sopa p rim o rd ia l es que la vida orgánica su rg ió en las p rofu nd ida d e s del
20
Indepe n d ie n te m en te de que uno de estos m odelos
ró una sopa p rim o rd ia l, rica en m e ta n o, am on ia co y agua, y le aplicó descargas eléctricas. A l cabo de a lg u
capacidad de a u to rre p lica ció n y llevar a cabo reaccio nes quím icas. Los ácidos nucleicos y las proteínas han
océano, cerca de volcanes su bm a rin os. Los científicos alem anes G ü n te r W á chtersháuser y Claudia H uber han
m o stra do poseer estos rasgos bajo ciertas co n d ic io
m o stra d o que los s u lfu ro s m e tá lico s (FeS, NiS) en pre-
tesis del m u n d o del RNA, que plantea la apa rició n de la
nes. M uchos inve stig a do re s han abogado p o r la h ip ó
vida a p a rtir de las m oléculas de RNA a u to rre p lica tiva s. M uchos tip o s de RNA pueden c a ta li zar reacciones, in clu ye nd o la capacidad de replicación. O tros in ve stig a do re s están a fa v o r de la h ipótesis de un m u n d o de proteínas. Los a m in o á cid o s pueden ser ind u cido s a p o lim e rizar para fo rm a r unos p o lip é p tid o s lla m a do s protenoi-
des. Los p rote no ide s pueden a do p ta r m uchas p ropiedades de una célula viva. Pueden rodearse de m em branas, encogerse o hincharse, y abso rb e r m ate rial desde el am bie n te para crecer y g enerar "c é lu la s " hijas. Cuando el ATP está presente, son incluso capa ces de catalizar la fo rm a ció n de ácidos nucleicos y p o li péptidos. Cada una de las teorías del orig e n de la a u to rre p lica ció n de las protocélulas a b ió tic a s — RNA y precursores p rote ico s— tie ne sus ventajas, pero a m bas destacan que los o rg a n ism o s vivo s surgen a p a rtir de procesos q u ím ico s puros. En este p un to, hace unos 3.800 m illo ne s de años, estos procesos q u ím ico s se co m b in a ro n para p ro d u cir el progenote, el antepasado co m ún de to d o s los o rga nism o s del planeta. No pod e m o s saber a qué se pare cía el p rog e n ote, pero pod e m o s su po n e r m uchas de sus propiedades. Debe de haber sido capaz de so b re vi v ir sin o xígeno y to le ra r co nd icion e s de alta te m p e ra tu ra y salin id a d . D ependiente de las fuentes ino rg á nica s para la obte nció n ta n to de energía co m o de ca rbono. Recientes explo ra cio n es de las fuentes te rm a le s sulfuro sa s y las chim eneas s u bm a rin as han revelado la existencia de los q u im io lito a u tó tro fo s : o r ganism o s que usan los co m pu e sto s ino rg á nico s para
Una e specie de dominio A rch ae a encontrada en fum arolas subm arinas.
o bte ne r energía y el C 0 2 co m o única fu e n te de ca rbo no. Estas m odernas arqueas pueden ser los parientes v iv o s m ás cercanos al progenote. A u n qu e los o rg a n ism o s vivo s se hayan d ive rsifica
es la e videncia de una unidad. Por eje m p lo , los o rg a n ism o s viv o s pueden sintetiza r m ás de 20.000 fa m ilia s de proteínas diferentes, pero m uchas de estas fa m ilia s
do a lo largo de los 4.000 m illo n e s de años desde que
surgen sim p le m e n te p o r la re com b in ació n genética de
em pezó la vida , los p rin cip io s básicos de las fun cio n e s b io ló gica s son sim ila re s en to d o s los orga n ism os. La
fra g m e n to s de genes que codifica n so lam ente unos
dependencia del agua, el papel de los ácidos nucle i
utilizan ATP, pero un sitio nuevo de unió n al ATP ha
cos, el uso de sólo 20 a m in o á cid o s, y las rutas básicas
sido inve n ta d o só lo unas pocas veces. Así, los bloques
del m e ta b o lism o in te rm e d ia rio son a trib u to s c o m p a rti
esenciales de la bio lo gía, sim ila res entre to d o s los o r
dos de to d o s los seres vivo s. A u n qu e es im pre sion a n te
g anism os, producen toda la rica variedad de las fo r mas vivas del planeta. •
la dive rsida d en m u cho s rasgos b io ló gico s, ta m b ié n lo
1.000 d o m in io s proteicos. M uchas enzim as diferentes
21
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
I P re s e n ta c ió n
nám ica. La ley de conservación de la energía afirm a que la energía puede convertirse de una forma a
La fisiología es el estudio de cómo funcionan los ani m ales, y como solventan los cambios en el am biente n atu ral p ara sobrevivir. La variación que observamos en la anatom ía y la fisiología de los anim ales vivos su giere que hay distintas vías de supervivencia, creci m iento, movimiento y reproducción (Figura 2.1). Subyacentes a esta notoria diversidad, se encuen tran las restricciones im puestas por la ubicuidad de las leyes de la física y la química. Estas leyes, que gobiernan procesos como la transform ación de la energía, el control de los enlaces químicos y las pro piedades del agua, se aplican tanto a los tubos de ex perim ento como a la célula viva. La química y la física impone límites a las vías por las que los organismos vi vos interaccionan con el ambiente. El hecho de que to dos los organism os vivos com partan m uchas propiedades bioquímicas es un reflejo de las soluciones comunes a estos límites fisicoquímicos. Al mismo tiempo, los animales presentan adaptaciones especta culares que superan las b arreras limitantes del mundo fisicoquímico. La comprensión de las bases químicas y físicas de la vida es esencial p ara com prender como los animales son al mismo tiempo parecidos y diferentes.
otra distinta, pero la cantidad total de energía en el universo es constante. La segunda ley, llam ada tam bién ley de la entropía, afirm a que el universo se hace cada vez más caótico. Am bas leyes describen
I Q u ím ic a y F ísic a d e la v id a En el m undo de la quím ica, las reacciones químicas tienen lugar de acuerdo con las leyes de la term odi
Figura 2.1.
D iv e rs id a d en la fo rm a y fu n c ió n de los a n im a le s .
las restricciones que hay cuando la energía es tra n s ferida entre sistem as. En cualquier transferencia es p ontánea de energía, un a cierta cantidad de energía es desviada p a ra increm entar la entropía del siste m a, que es otra form a de energía. Aunque cada re acción quím ica cum ple estos principios, los organism os vivos son capaces de re tra s a r este inevi table aum ento de la entropía. La supervivencia de los organism os vivos se b asa en la capacidad de blo quear los procesos naturales que conducen a la ro tu ra química.
Energía La en erg ía es la capacidad de producir trabajo. En otras palabras, la gasolina es u n a im portante form a de energía. Sabem os que si el tanque de gasolina de u n coche está lleno, tenem os la posibilidad de u sar ese carb u ran te p a ra m over el coche de un lugar a otro. La com bustión de la gasolina produce el m ovi m iento de los pistones del motor, lo que hace girar el volante y en últim a instancia las ruedas. Esta fa m iliar analogía ilustra m uchos de los principios im p ortantes que gobiernan la transferencia de energía o en erg ética . La gasolina en el tanque tiene un a en erg ía p o ten cia l atrap ad a d en tro de su e s tru c tu ra quím ica. Cuando la gasolina se quem a, el resul tado es u n a explosión que libera calor y dióxido de carbono, moviendo los pistones en su cilindro. Este tipo de energía es en erg ía cin ética, la en er gía del movimiento. La unid ad de energía estándar, en el Sistem a Internacional (SI) es el ju lio, aunque la un id ad m ás utilizada es la caloría, que p ersiste en la litera tu r a científica. El julio puede definirse de m uchas m an eras, dependiendo de las circunstancias. En térm inos eléc tricos, un julio (J) es la cantidad de energía u sa d a cuando un vatio de po tencia (W) es consum ido en u n segundo (1 J = 1 W • s). A la inversa, un vatio se define como un julio p o r se
C A P ÍTU LO 2
La química de la vida
gundo. Nos resu lta m ás fam iliar el kilovatio h o ra (1 kW = 3,6 x 10 6 J) al se r la un id ad de energía en que ap arece el gasto eléctrico en los recibos de las casas. En térm in o s m ás biológicos, u n a to stad a con m antequilla tiene cerca de 300 k j de energía, la cual es suficiente p a ra h acern o s co rre r d u ran te unos seis m inutos, o p a ra que un a bom billa de 100 W dé luz d u ran te u n a hora. Toda la energía es energía cinética, energía po tencial, o u n a com binación de am bas. Sin em bargo, en el m arco de los sistem as biológicos es habitual u sa r otras categorías p a ra clasificar los tipos de energía. • E n ergía rad ian te: es en ergía que es liberada desde u n objeto y trasm itid a a otro objeto a tr a vés de on d as o partículas. El Sol es la fuente m ás obvia de energía rad ian te, em itiendo la luz que sirve como fuente de energía a los organis m os fotosintéticos. Otras form as de en ergía r a dian te se p ro d u cen en los anim ales, como la rad iació n in frarro ja em itida por los cuerpos ca lientes. La energía ra d ia n te es im p o rtan te en la biología term al de los anim ales, y se estu d ia rá m ás detallad am en te en el Capítulo 14: Fisio logía term al. • E nergía m ecánica: es una com binación de energía potencial y energía cinética que puede u sarse p ara m over objetos de un lugar a otro. Un pájaro volador u sa sus alas p a ra producir la energía m ecánica necesaria p a ra volar. Un can guro u sa sus patas p a ra acum ular energía m ecá nica en form a de en erg ía elástica. El retroceso del im pulso ayuda al canguro a saltar. Muchas form as de energía m ecánica tienen un papel im p o rtante en la locomoción anim al, como se ex pone en el Capítulo 13. • E n ergía eléctrica: es u n a com binación de en er gía potencial y energía cinética que resulta del movim iento de partículas cargadas som etidas a gradientes de carga. • E nergía térm ica: es u n a form a de energía ciné tica que se refleja en el m ovim iento de las p artí culas, y sirve p a ra in crem entar la tem peratura. • E n erg ía quím ica: es u n a form a de energía po ten cial que se alm acena en los enlaces quím i cos. Muchos procesos biológicos im plican com binaciones de estas form as de energía, ya que los organism os pueden tran sfo rm ar u n a form a de energía en otra. (Figura 2.2).
Fig u ra 2.2.
T ip o s de e n e rg ía .
Los animales dependen de cinco tipos de energía, que son in terconvertibles.
Las redes nutricionales son transferencia de energía M uchos pro ceso s biológicos son esencialm ente transferencia de un tipo de energía a otro. Cuando percibim os el arom a de u n a rosa, esta percepción es esencialm ente un proceso en cascada de tran sferen cia de energía quím ica y eléctrica desde nuestro sis tem a sensorial h asta el cerebro. E stam os m ás fam iliarizados con el concepto de transferencia de energía en el contexto de las redes nutricionales (Figura 2.3). Las plantas captan la energía de los fo tones y sintetizan azúcares. Los anim ales herbívoros com en las plantas, y los carnívoros com en a los h e r bívoros. En cada nivel, se asim ila cierta cantidad de energía potencial en la dieta p a ra form ar los tejidos anim ales. Parte de la energía potencial se transfor m a en calor, que puede perderse en el am biente o quedar retenido en el anim al. La energía potencial de la dieta tam bién se transform a en energía cinéti ca, cuando los anim ales utilizan los nutrientes p ara im pulsar la locomoción. Una porción de la energía potencial que se localiza en los enlaces químicos no puede ser liberada por el anim al, y se pierde excre tad a en form a de productos de desecho. La luz es la fuente últim a de la energía nutricional de la m ayoría de los anim ales; ella tam bién proporciona la energía que perm ite a los anim ales la visión y la percepción de los colores. La energía quím ica transferida entre los niveles tróficos se alm acena en los enlaces entre los átomos de las moléculas. Las reacciones quím icas liberan esta energía de un enlace p a ra producir otro enlace. Más adelante, en este m ism o capítulo, analizarem os
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Energía térmica (endotérmica) Energía mecánica (locomoción) Energía eléctrica (potencial de membrana) Energía química (excreción)
Energía radiante
Energía química
Energía térmica (endotérmica)
(locomoción) Fig u ra 2.3.
Energía química (excreción)
(potencial de membrana)
R e d e s n u tr ic io n a le s y flu jo de e n e rg ía e n tre los n iv e le s tró fic o s .
El sol aporta energía a los sistem as biológ icos proporcio nando energía radiante a través de la luz solar. Las plantas fotosintéticas tanto terrestres com o acuáticas transform an esta energía radiante en energía quím ica. Los anim ales que se alim entan de las plantas convierten esta energía quím ica de las plantas en otras form as de energía. Una parte de la energía quím ica liberada en las reacciones bioquím icas se convierte en energía térm ica, calentando al anim al, aunque una fracción de este calor m etabólico se pierde en el am biente en form a de energía radiante. Los m úsculos convierten la energía quím ica en energía mecánica usada en la locom oción. M uchas células usan energía quím ica en la form ación de gradientes electroquím icos, im portantes para la función celular. Una parte im portante de la energía quím ica queda en el alim ento no digerible y se pierde com o producto de desecho. La energía quím ica es tam bién moneda de transferencia de energía entre los anim ales en las redes nutricionales.
la n atu raleza de los enlaces químicos y el papel de la energía en la form ación de estos enlaces. Sin em bargo, otras form as de energía son elem entos fun dam entales de las funciones biológicas.
La energía se almacena en gradiente electroquímico Las m oléculas de u n sistem a tienden a dispersarse o d ifundirse al azar dentro del espacio disponible. Im aginem os que em pezam os con u n a docena de peonzas en el centro de u n a caja. Al principio las peonzas chocarán frecuentem ente, y term in arán dispersándose al azar p o r toda la caja.
Dos aspectos de la difusión gobiernan las p ro piedades de m uchos procesos biológicos. Prim ero, la difusión es sin duda el proceso que dirige la distri bución al az a r de las m oléculas, pero la velocidad de difusión puede ser lenta. Muchos sistem as fisiológi cos funcionan p a ra reducir la dependencia de proce sos de difusión lentos. Segundo, la tendencia de las m oléculas a difundir es un a fuente de energía que las células pueden u sa r p a ra dirigir otros procesos. Los organism os vivos pueden invertir energía p a ra re tra s a r la inevitable tendencia hacia la aleatoriedad. En el ejemplo anterior podríam os evitar que la distribución de las peonzas fuese al azar moviendo cada peonza a la posición central. Los esfuerzos
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p ara rev ertir la distribución al az a r reflejan u n a in versión de energía p o r n u estra parte. De form a si m ilar, los sistem as biológicos p u ed en in v ertir energía p ara evitar la distribución al az a r de las m o léculas. El resultado es que el gradiente de difusión es u n a form a de alm acenar energía que la célula puede u sa r con otros propósitos. Especialm ente im po rtan tes son los gradientes que se establecen a tr a vés de las m em b ran as biológicas. Los gradientes tran sm em b ran a generados po r las células difieren en cuanto a la natu raleza de las m oléculas (Fi g u ra 2.4). Se pro d u ce un g r a d ien te q u ím ico cuando un tipo de m oléculas se presen tan en con centración elevada en u n lado de la m em brana. La m agnitud del gradiente químico se expresa como u n a proporción de las concentraciones de una m olé cula específica a cada lado de la m em brana. Por ejemplo, podem os decir que un a m olécula dada está diez veces m ás concentrada fuera de la célula. Un segundo tipo de gradiente que las células generan es m i gra d ien te eléctrico . Éste se produce si la distri bución de las m oléculas cargadas es desigual a cada lado de una b a rre ra eléctrica en un circuito. El gra diente eléctrico a través de la b a rre ra depende de la distribución de la totalidad de las m oléculas carga das. La fuerza del gradiente eléctrico se expresa en voltios. En las células, las m em branas son b arre ras eléctricas y el gradiente eléctrico se denom ina p o ten cia l de m em brana. La natu raleza de las m oléculas determ ina si la energía potencial del gradiente es ante todo eléctri ca o química. Si u n a m olécula no está cargada, en tonces sólo p o d rá form ar un gradiente químico. Una
La química de la vida
m olécula cargada puede form ar un gradiente quím i co o influir en el gradiente eléctrico. Por ejemplo, si la concentración de Na+ es m ayor fuera de la célula que dentro, hay tanto un gradiente eléctrico (más carga positiva fuera de la célula) como un gradiente quím ico (m ás iones N a+fu era de la célula). C onsecuentem ente, estos gradientes suelen estudiar se como g ra d ien tes electroq u ím icos.
La energía térm ica es el m ovim iento de las moléculas Es im posible ignorar la im portancia de la energía térm ica, o energía calorífica, en el estudio de los procesos químicos o biológicos. Cuando un sistem a aum enta su energía térm ica, hay un increm ento en el movimiento de las m oléculas dentro del sistem a. Este tipo de m ovim iento tiene un efecto im portante en la reactividad m olecular y en la velocidad de las reacciones químicas. M uchas reacciones quím icas im plican cambios en la energía térm ica. Las rea ccio n es ex otérm icas liberan calor, y las rea ccio n es en d otérm icas ab sorben calor. P ara com prender las razones de estos cam bios en la energía térm ica, considerem os una reacción sencilla con un único sustrato, A, que se convertirá en un único producto, Z: A —> Z
En un m om ento dado, cada m olécula de A está vi b rando en la solución, experim entando cam bios su tiles en su estructura. Una única m olécula de A a veces se m ueve rápidam ente (pérdida de energía ci nética) y otras veces se m ueve lenta m ente (m enor energía cinética). El conjunto de m oléculas de A tienen u n a energía térm ica m edia, denom i n ad a en talp ia (H). A veces, u n a m o lécula de A tiene ta n ta en erg ía cinética que es capaz de asum ir una estructura específica que es vulnera ble a m ás cam bios significativos. Esta estructura interm edia entre A y Z se denom ina estad o de tran sición . La (a) Gradiente químico (b) Gradiente eléctrico energía necesaria p a ra que u n a m o lécula alcance el estado de transición Fig u ra 2.4. E n e rg ía p o te n c ia l a lm a c e n a d a en fo rm a de g ra d ie n te es la en erg ía de activación, o EA. e le c tr o q u ím ic o . Una vez que u n a m olécula alcanza el Los aním ales pueden utilizar la energía almacenada en form a de (a) gradiente quí m ico o (b) gradiente eléctrico, o potencial de m embrana. estado de transición, es igualm ente
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
probable que revierta al sustrato, S, o que se tra n s form e en el producto, P. En la Figura 2.5 se m uestra la evolución de la reacción desde S a P. expresada en térm inos de contenido energético. Como el conteni do energético, o entalpia, de S es m ayor que la en talpia de P, la reacción quím ica origina un cam bio en la entalpia (Aí?) calculado como: AH = En la reacción m o strad a en la Figura 2.5, P tiene m enor entalpia, haciendo negativo Ml. S se convier te en P, y la diferencia de entalpia, o AH, se libera como calor. Así, u n a reacción exotérm ica se define
Entalpia de las moléculas de S
Enlaces químicos
(a)
—Energía de activación (EA)
- Diferencia en el contenido E del sustrato del producto (AH)
(b) Fig u ra 2.5.
en térm inos term odinám icos como u n a reacción con un AH negativo. Una reacción endotérm ica tiene un AH positivo. Todas las reacciones quím icas son reversibles en condiciones correctas. La reacción de S a P es favo rable sólo porque la b a rre ra energética de activación es m enor en S que en P. Como la energía térm ica fue liberada cuando S se convirtió en P, puede ab so rb er se energía térm ica si P se transform a en S. La re a c ción inversa, con un AH positivo, es un a reacción endotérm ica. Si S y P están presentes, hay u n m o m ento en que tanto la reacción directa como la in versa se producen sim ultáneam ente. La reacción neta es la diferencia entre la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa. Como el calor se libera en u n a dirección y se absorbe en la otra, el equilibrio entre las direcciones directa e in versa depende de la tem peratura. A elevadas tem pe ratu ras, las reacciones endotérm icas se hacen m ás viables. Así, la tem p eratu ra influye en las dos direc ciones de las reacciones quím icas. A um entando la tem p eratu ra se perm ite a m ás m oléculas alcanzar la energía de activación, y se increm enta la probabili dad de u n a reacción endotérm ica.
R e a c c io n e s q u ím ic a s , s u s tra to s , p ro d u c to s
y e n e rg ía té r m ic a . ía) Un conjunto de m oléculas sustrato, S, poseen un nivel de
energía prom edio y un prom edio en la organización de los electrones alrededor de su núcleo. Pero en un m om ento dado, algunas m oléculas S se enriquecen energéticam ente m ientras otras pierden energía. (b) De vez en cuando una m olécula de S puede absorber s u fi ciente energía del entorno {quizás a p artir de una colisión m o lecular) para alcanzar el estado de tran sició n (S *). En este pun to puede re ve rtirá S, o puede transform arse en un pro ducto nuevo, P.
La m ayoría de la energía disponible biológicam ente está alm acenada en form a de enlaces químicos. Los en la ces covalen tes m antienen unidos átom os indi viduales p a ra form ar u n a molécula. E stas uniones fuertes im plican com partir electrones entre los dos átom os. Los en la ces no covalen tes organizan las m oléculas en estructuras tridim ensionales. En gene ral, los enlaces no covalentes se denom inan enlaces débiles o tam bién interacciones débiles p a ra distin guirlos aún m ás de los enlaces covalentes fuertes.
Los enlaces covalentes implican com partir electrones Cada elem ento tiene u n a organización característica de sus electrones que influye en el tipo de enlaces que puede formar. Específicam ente, p a ra los seis elem entos biológicos m ás com unes, cada átom o tie ne al m enos un electrón libre en su últim a capa de electrones. Los átom os con electrones libres pueden form ar fácilm ente enlaces covalentes con otros áto m os con electrones libres. Estos átom os com parten electrones ta n fácilm ente que r a ra vez están presen-
C A P ÍTU LO 2
Tabla 2 .1 .
(a) Modelo
(b) Modelo
estructural
Fig u ra 2.6.
de esferas y bastones
(c) Modelo de representación espacial
M o d e lo s de la e s tru c tu ra m o le c u la r.
La estructura m olecular puede adoptar diferentes diseños. (a) El m odelo estructural m uestra los electrones im plicados en la form ación del enlace, (b) En el m odelo de esferas y bas tones, los átom os de los diferentes elem entos están repre sentados por esferas de diversos colores, y los bastones m uestran de form a realista la lo ngitud y los ángulos de los enlaces, (c) El m odelo de representación espacial m uestra el tam año funcional de cada átom o, basado en el radio de van der Waals.
tes en form a elem ental. Los átom os con m ás de un electrón libre pueden form ar m últiples enlaces covalentes. Por ejemplo, el oxígeno m olecular tiene dos átom os de oxígeno unidos por un doble enlace covalente. Muchos átom os están im idos covalentem ente a m ás de u n átomo. El m etano, po r ejemplo, está com puesto p o r cuatro átom os de hidrógeno unidos covalentem ente a u n único átom o de carbono. La geom etría global de u n a m olécula unida por enlaces covalentes está influida por el ángulo entre los enlaces, o ángulo de enlace. Los m odelos de es feras y b astones rep re sen tan los ángulos del enlace dentro de la m olécula (Figura 2.6). Esta geom etría influye en la form a en la que la m olécula interactúa con otras moléculas. Cada enlace covalente tiene tam bién u n a en erg ía de en la ce característica, la energía que requiere tanto p a ra form ar como p a ra ro m p er el enlace. Cuanto m ayor es la energía de e n lace, m ás fuerte es el enlace. Los enlaces m últiples tienen m ás energía de enlace que un enlace sencillo. Las energías de enlace p a ra algunos de los enlaces m ás habituales se m u estran en la Tabla 2.1. Las m oléculas gran d es están constituidas por un conjunto de átom os individuales unidos por enlaces covalentes. Los grupos funcionales son u n a combi nación de átom os y enlaces que se repiten en las m o léculas biológicas (Figura 2.7).
Los enlaces débiles controlan la estructura macromolecular Los enlaces débiles se p resen tan en los átom os con distribución asim étrica de electrones, tanto dentro de un átom o como entre átom os. Podem os distinguir cuatro tipos de enlaces basándonos en cómo form an
La química de la vida
E n e rg ía de e n la c e de e n la c e s fu e r te s y d é b ile s.
Tipo de enlace
Energía de formación (kcal/mol)
Enlaces débiles Van der Waals
1
Hidrógeno
1-5
Iónico
5
Hidrofóbico
- 1
Enlaces covalentes Enlaces sencillos O-H, H-H, P-O, C-H
400-460
N-H, C-O, C-C, S-H
340-390
S-S, N -0
214-222
Enlaces dobles C =0
712
C=N
615
C=C
611
P=0
502
Enlaces triples C=C
816
N=N
930
las interacciones m oleculares: fuerzas de van der W aals, puentes de hidrógeno, enlaces iónicos y enla ces hidrofóbicos (Figura 2.8). Cada electrón dentro de un átom o está constan tem ente en movim iento. Los núcleos adquieren una carga ligeram ente negativa cuando los electrones se m ueven cerca de ellos. Cuando el electrón se m ueve m ás lejos, los núcleos adquieren u n a carga ligera m ente positiva. Esta asim etría en la distribución de los electrones crea u n a polaridad, o dipolo tran sito rio, en la estructura atóm ica. Un átom o es ligera m ente negativo (8 ) y otro ligeram ente positivo (B+). Cuando un átom o con im dipolo transitorio se encuentra con otro átom o, la distribución de los electrones del segimdo se altera. La interacción dé bil entre estos dos dipolos se denom ina in teracción de van der W aals. Las interacciones de van der W aals son efectivas sólo cuando las distancias ató m icas son pequeñas. Cuando dos átom os están muy distanciados, el dipolo de uno de ellos no tiene efec-
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
G rupos func io n a le s
E nlaces covalentes
Inte rac c io n e s de van de r W aals
E nlaces hidrofóbicos
0
II — c — OH Carboxil
— S— S—
Disulfato
E n laces de hidrógeno
H— C— H H — C— H
H I
I
— N— H
Amino
— c —o—
-C — H H — C-
Éster
I
II
I
0
H—C—H
E n laces iónicos
— OH
Hidroxil
0
0
II
II
1
— P — 0 — P - - Fosfod¡éster
I
I
OH
OH
^
A ,
" i "
HT
W >
H*
i
*
H H I
I
— C— H I H
Fig u ra 2.8.
Metil
— c— s—
Tioéster
II 0
E n la c e s d é b ile s .
Cuatro tip o s de enlaces débiles están Im plicados en la co n fo r m ación de m acrom oléculas: puentes de hidrógeno, enlaces iónicos, van der W aals, e Interacciones hidrofóbícas.
0
II — P — OH Fosforil i
— C — 0 — c - - Éter
OH
— SH
Sulfldril
H — N— C—
Amido
II 0
Fig u ra 2.7.
G rupos fu n c io n a le s y e n la c e s im p o rta n te s .
Aunque hay m uchos tipos de enlaces y de grupos funcionales, estos que presentam os aquí son especialm ente com unes en las estructuras m acrom oleculares.
to sobre la nube de electrones del otro. A m edida que los átom os se aproxim an, la atracción entre ellos se increm enta. Cuando los átom os están muy cerca, su capa de electrones repele a los átom os lejos unos de otros. El radio de van der Waals es la distancia a la cual las fuerzas atractivas son m áxim as. Cada áto m o tiene un radio de van d er W aals característico. En u n modelo de distribución espacial de la estruc tu ra molecular, como el de la Figura 2.6c, el tam año de la esfera del átom o rep resen ta el radio de van der Waals. Los e n la c e s por p u en te de h id rógen o tienen lu g ar cuando los electrones son com partidos asi m étricam en te en tre dos átom os. Son esenciales en
la organización de las m oléculas de agua. En u n a m olécula de agua sencilla, cada átom o de h idróge no se une covalentem ente al átom o de oxígeno. Sin em bargo, el átom o de oxígeno tiene un poco m ás de atracción po r el electrón del hidrógeno. En con creto, el electrón del hidrógeno p asa algo m ás de tiem po m ás cerca del átom o de oxígeno que del átom o del hidrógeno. C onsecuentem ente, el h id ró geno es ligeram ente positivo (8+), y el átom o de oxígeno es ligeram ente negativo (S ). La atracción en tre la carga B+ del hidrógeno de u n a m olécula de agua y la carga 8~ del oxígeno de o tra m olécula de agua diferente constituye u n puente de hidrógeno (Figura 2.9). En algunos casos, un núcleo es ta n bueno a tr a yendo electrones que, cuando se rom pe un enlace, un electrón de un átom o es atrap ad o por el otro átom o p a ra fo rm ar un ion. Los iones electronegati vos, o a n ion es, poseen electrones extras, m ientras que los iones electropositivos, o ca tio n es, h a n p e r dido electrones. A niones y cationes p u ed en interactu a r form ando un en la c e ión ico. La m ayor p arte de las m oléculas que conocem os como sales, ácidos y bases son realm ente aniones y cationes unidos por enlaces iónicos. Las fuerzas de van der W aals, los enlaces de hidrógeno y las interacciones iónicas están b a s a das en la atracción m u tu a en tre dos cargas o entre
C A P ÍTU LO 2
5“
5+ Fig u ra 2.9.
M o lé c u la d ip o la r de a g u a y p u e n te s de
h id ró g e n o .
Los átom os de oxígeno en el agua atraen fuertem ente a los electrones de los átom os de hidrógeno. El resultado es una pequeña diferencia de carga (8). El átom o de hidró geno es li geram ente positivo (8+) y el átom o de oxígeno ligeram ente negativo (5~). Estas cargas influyen en la form a en que Ínteractúan las m oléculas de agua.
dos átom os p arcialm en te cargados. Sin em bargo, las u n io n e s h id ro fó b ica s se form an en tre átom os a cau sa de su m u tu a av ersión al agua. U na m olé cula o u n a región de u n a m olécula gran d e p ueden se r h idrofóbicas (“tem en el a g u a ”). Los enlaces e n tre las m oléculas h idrofóbicas co m p arten igual m en te electro n es, p ero no p o r eso p re se n ta n dipolos significativos. Con u n a p eq u eñ a carga in tern a, no p u ed en in te ra c tu a r efectivam ente con m oléculas m ás p o lares como el agua. La in cap aci d ad p a ra fo rm ar enlaces p o r p u en tes de hidrógeno con el ag u a supone que estas m oléculas tam b ién son difíciles de disolver en agua. Cuando lim pia m os con ag u a la g ra sa de los platos de la com ida, podem os v er estas evidencias de las uniones h i drofóbicas en la form ación de los resto s de g rasa solidificada. Las m oléculas de g ra sa se asocian no p o rq u e h ay a u n a atracció n en tre ellas, sino porque el ag u a las repele.
Los enlaces débiles son sensibles a la temperatura La en erg ía de en lace refleja la can tid ad de en ergía térm ic a n ec e sa ria p a r a ro m p er (o form ar) un e n lace. Los enlaces débiles son m ás vulnerables a los efectos de la te m p e ra tu ra debido a que sus ener-
La química de la vida
gías de enlace son m ucho m en o res que las energí as de enlace de los enlaces covalentes (Tabla 2.1). Las e stru c tu ra s m oleculares trid im en sio n ales de p ro teín as, m e m b ra n a s y DNA, que d ep en d en so b re todo de enlaces débiles, son tam b ién m uy se n sib les a la te m p e ra tu ra . Como re su lta d o , un aum ento de la te m p e ra tu ra pu ed e c a u s a r u n a p é r dida del plegam iento estru ctu ral, o d e sn a tu r a li za ció n , cuando estos enlaces débiles se rom pen. Sin em bargo, no todos los enlaces débiles se ven afectados de la m ism a m a n e ra por la tem p e ra tu ra . Los enlaces de hidrógeno, los enlaces iónicos y las fu erzas de v an d e r W aals tien d en a ro m p erse cuando au m en ta la te m p e ra tu ra . En cam bio, las u n io n es hidrofóbicas son refo rzad as p o r la e n e r gía térm ica. Las m oléculas hidrofóbicas se a g ru p a n p o r el bo m b ard eo con m oléculas p o lares de agua. Si las m oléculas de agua tien en m ás m ovili d ad como consecuencia de u n a m ayor en erg ía té r m ica, se e n c o n tra rá n m ás frecuentem ente con las m oléculas hidrofóbicas. Esto lleva a las m oléculas hidrofóbicas a u n irse.
I P ro p ie d a d e s d e l agua La m ayoría de las células están form adas funda m entalm ente po r agua. Los organism os acuáticos tam bién viven en el agua, e incluso las células de los organism os terrestre s están inm ersas en el am bien te acuoso de sus fluidos extracelulares. Muchos pro cesos fisiológicos surgen p ara hacer frente a los retos de las propiedades físicas y quím icas del agua.
Solventes y solutos Un solven te es la m olécula m ás abundante en un lí quido, m ientras que las otras m oléculas en suspen sión en el líquido son los solu tos. En conjunto los solutos y el solvente constituyen la solución. En los sistem as biológicos, el solvente es usualm ente el agua. De hecho, las propiedades del agua y el com portam iento de los solutos orgánicos e inorgánicos en el agua definen m uchos de los procesos biológi cos. La com binación poco usual de propiedades fisi coquím icas del agua (Tabla 2.2), que puede atribuirse a su capacidad de form ar enlaces de hi drógeno, tiene u n a especial significación en los pro cesos biológicos y fuerza el sentido de la evolución biológica.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Tabla 2 .2 .
P ro p ie d a d e s d e l a g u a y o tro s s o lv e n te s .
Solventes
Punto de congelación (°C)
Agua
Punto de ebullición (°C)
Calor de evaporación (J/g)
0
100
2.260
-9 8
65
1 .1 0 0
Etanol
-1 1 7
78
854
Propanol
-1 2 7
97
687
Acetona
-9 5
56
523
Butano
-1 3 5
-0 ,5
381
Hexano
-9 8
69
423
6
80
394
-6 3
61
247
Metanol
Benzeno Cloroformo
Las propiedades del agua son únicas El agua líquida es en realidad u n a red de moléculas de agua interconectadas. Cada m olécula de agua interactúa fuertem ente con otras moléculas de agua, creando una cohesión interna. En la interfase entre el aire y el agua, la atracción de las moléculas de agua crea u n a fuerza llam ada ten sión superficial. Esta fuerza im pide que m uchas moléculas de agua esca pen al aire. Muchos anim ales se aprovechan de la tensión superficial p ara an d ar o correr sobre el agua. (Figura 2.10). Su m asa corporal ejerce u n a fuerza so-
F ig u ra 2 .1 0 .
Te n sió n s u p e r fic ia l.
El lagarto basilisco es capaz de correr sobre la superficie del agua. La tensión superficial del agua puede sopo rtar al lagar to ya que la fuerza se distribu ye sobre un área superficial extensa en las patas.
bre el agua, pero no es suficiente p ara rom per las interacciones m oleculares de las moléculas de agua. La organización de las m oléculas de agua cam bia en función de la tem peratura. Con elevadas tem p eratu ras, las m oléculas de agua poseen suficiente energía térm ica p ara escapar de las restrictivas fuer zas de la tensión superficial. En este punto, al agua “hierve”, y las m oléculas de agua pueden escapar como agua gaseosa (vapor). En cambio, las bajas tem p eratu ras estabilizan la estru ctu ra del agua como resultado de la form ación de puentes de hi drógeno adicionales. El agua se solidifica, o congela, cuando cada m olécula de agua form a cuatro enlaces de hidrógeno p a ra crear un entram ado estable de m oléculas de agua (Figura 2.11). Los cam bios en la tem p eratu ra tam bién influyen en la densidad del agua. Aunque las m oléculas de agua congeladas incorporan m ás enlaces de hidró geno, la geom etría es como si las m oléculas de agua estuvieran m ás sep arad as que en el agua líquida. Como consecuencia, el hielo es m enos denso que el agua líquida y tiende a flotar. Esta propiedad física del agua tiene im portantes efectos en los ecosiste m as acuáticos. En regiones tem pladas de la Tierra, a principio del invierno se form a u n a capa de hielo en la superficie de los lagos. La capa de hielo aísla el agua del lago de las condiciones del aire, creando un am biente m ás estable p a ra los organism os acuáti cos. La tem p eratu ra tam bién altera la densidad del agua líquida. Como la densidad del agua es m áxim a a 4 °C, las zonas m ás profundas de los grandes cuer pos de agua tienden a estar siem pre a 4 °C, m ientras que la superficie del agua puede estar m ás fría o m ás caliente, dependiendo de la latitud y la estación.
C A P ÍTU LO 2
....
*
* ?
* j
p
y ...
M^ Fig u ra 2.11.
E s tru c tu ra de la s m o lé c u la s de a g u a en el
h ie lo .
La química de la vida
m ente con el agua, p a ra form ar iones puentes de h i drógeno que im piden que la sal se recristalice (Figura 2.12). Las m oléculas solubles en agua cuan do están en solución, se hallan a m enudo rodeadas de u n a capa de m oléculas de agua denom inada lá m ina de hidratación. El tam año y la complejidad de la capa de hidratación pueden influir en el modo en que el soluto interactúa con otras m oléculas en sistem as biológicos complejos. En el caso de Mg2+, un gran núcleo con u n a fuerte carga positiva atrae a seis m oléculas de agua en su capa de hidratación. En los tejidos de m uchos anim ales, los solutos m ás habituales son los iones inorgánicos. El K+ es el m ás abundante de los cationes intracelulares y el Na+ el catión m ás abundante en el fluido extracelular. Sin em bargo, en m uchas especies, especialm en te en los an im ales m arin o s, los solutos m ás abundantes son orgánicos, como la urea, los am ino ácidos y los azúcares. Cada tipo de soluto puede ejer cer efectos específicos y d iferen tes en las propiedades quím icas de otras m oléculas que estén en la solución. No obstante, todos los solutos, a pe sa r de su naturaleza química, exhiben cuatro pro piedades básicas, conocidas como p rop ied ad es coligativas. Los solutos reducen el punto de conge lación de una solución, e increm entan el punto de
Cuando el agua se hiela, cada m olécula en el entram ado del hielo form a cuatro puentes de hidrógeno con otras m oléculas de agua.
Otras propiedades físicas del agua tienen un im pacto im portante en los procesos biológicos. El agua tiene u n punto de congelación m ás alto (0 °C) y un punto de ebullición m ás alto (100 °C) que otros sol ventes. Así, en la m ayoría de los lugares habitables de la Tierra, el agua es u n líquido muy estable. El agua tiene u n alto calor de vaporización, la cantidad de energía necesaria p a ra que el agua hierva y se evapore, de m an era que sudar es una estrategia efectiva de enfriam iento de los m am íferos. Una gran cantidad de energía es absorbida cuando el agua lí quida se evapora. El agua de la piel absorbe una g ran cantidad de energía térm ica corporal en el pro ceso de evaporación.
Los solutos influyen en las propiedades físicas del agua Muchos solutos son capaces de disolverse en agua porque pueden form ar puentes de hidrógeno con las m oléculas de agua. Cuando disolvemos NaCl, los iones liberados del cristal de sal se asocian rá p id a
Fig u ra 2.12.
S o lu c ió n de s al en Hz0 .
Las sales, tales com o el NaCl m ostrado en el dibujo superior, son estructuras cristalinas ordenadas. Cuando añadim os agua, la estructura cristalina se rom pe y la sal se disocia. Los iones de Na+ y CI" form an puentes de hidrógeno con el agua.
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ebullición, la presión de v apor y la presión osmótica de la solución. Las propiedades coligativas dependen ú nicam ente de la cantidad de soluto, no de su tam afio o carga. Una solución con u n a alta concentración de so lutos, a 0 °C se enfría pero no induce congelación. La energía térm ica del sistem a es lo suficientem ente b aja p a ra form ar p uentes de hidrógeno extras, pero los solutos bloquean la form ación de los enlaces de hidrógeno necesarios p a ra la form ación del cristal de hielo. Cuando hay solutos, la solución puede en friarse por debajo de 0 °C antes de que se form en los enlaces de hidrógeno extras. El punto de congela ción de los fluidos biológicos, como el citoplasm a o la sangre, es siem pre m enor que el del agua dulce, y a veces incluso m enor que el del agua salada. La dife rencia entre el punto de congelación de los fluidos corporales y el am biente acuático tiene im portantes consecuencias en los anim ales acuáticos. M ecanism os sim ilares son responsables de los efectos de los solutos en la presión de vapor y el pu n to de evaporación del agua. Una m olécula de agua puede escap ar del agua líquida sólo en la interfase agua-gas. Cuando hay m oléculas de soluto en la su perficie, éstas reducen la probabilidad de que una m olécula de agua se escape. T ratarem os la cuarta p ropiedad coligativa, la presión osmótica, después de que veam os u n concepto relacionado: la difusión.
Los solutos se mueven en el agua por difusión La dirección de difusión de las m oléculas en u n a so lución depende del gradiente de concentración, pero la velocidad de difusión depende de m uchos factores adicionales. Las m oléculas se m ueven m uy ráp id a m ente cuando el gradiente esta saturado. Las pro p iedades del soluto en sí tam bién influyen en la velocidad de difusión. Si las m oléculas de soluto son relativam ente grandes, tienen m ás dificultad de m o vim iento a través de la estructura restrictiva del agua. Las m oléculas grandes tipo proteínas difunden m ucho m ás lentam ente que las m oléculas pequeñas tipo ion K+. La lám ina de hidratación que se form a alrededor de m uchas m oléculas ag ran d a el tam año funcional de la molécula, restringiendo su movilidad. Otros factores que influyen en cómo el soluto interacciona con el solvente, como la carga y la solubili dad, tam bién afectan a la velocidad de difusión. Cada soluto tiene un determ inado co eficien te de d ifusión (D), que está influido por las propiedades estructurales del soluto. La velocidad de difusión de
un soluto (d Q /d t, o cantidad de soluto que se mueve p or unidad de tiempo) depende del coeficiente de di fusión del soluto (D), el área de difusión 04) y el g ra diente de concentración (dC/dX, d iferen cia de concentración por distancia). La relación entre estos p arám etros está definida por la ecuación de Fick:
Solutos pequeños, como iones inorgánicos, son ca paces de atrav esar la célula de p arte a parte, n o r m alm ente unos 10 pm , en u n a fracción de segundo. Sin em bargo, m uchos procesos biológicos están in fluidos por la velocidad de difusión, y algunos se considera que tienen u n a “difusión lim itada”. Las es trategias fisiológicas m ás habituales utilizadas por los anim ales p a ra su p e rar las lim itaciones de difu sión actúan increm entando el áre a de difusión. La extensión del áre a superficial en el intestino, los pul m ones y los capilares asegura velocidades de difu sión adecuadas de m oléculas esenciales p a ra la función celular.
En los sistemas biológicos los solutos imponen la presión osmótica Las membranas sem iperm eables de las células perm i ten a algunas m oléculas cruzar m ientras restringen el movimiento de otras. Imaginemos u n a situación en la que a am bos lados de una m em brana tenem os solu ciones idénticas de agua pura, lo que perm ite el m o vimiento libre de las moléculas de agua (Figura 2.13). A cada lado de la m em brana hay aproxim adam ente 55,5 moles de agua por litro. Las moléculas de agua cruzan libremente la m em brana en am bas direccio nes, pero no hay un cambio neto en las concentracio nes de agua a cada lado. Si añadim os NaCl a un lado de la m em brana, la concentración de agua en ese lado decrecería ligeram ente (habría m enos moles de agua por litro). Se crearía un gradiente de concentración de Na+, CL y H 20. Si la m em brana es sólo perm eable al agua, únicam ente las moléculas de agua pueden a tra vesarla p ara igualar los gradientes de concentración. H abría un movimiento neto de moléculas de agua desde el lado con agua pura hacia el lado con solutos. Esto increm entaría el volum en en el lado con solutos. Ningún movimiento de agua podría igualar las con centraciones, porque sólo a un lado hay solutos. Sin embargo, el movimiento de agua neto puede llegar a pararse cuando la fuerza generada por el movimien to del agua se iguala a la fuerza de la gravedad, lo que
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Membrana semipermeable Gravedad
Fig u ra 2.13.
P re s ió n o s m ó tic a .
Las dos soluciones que difieren en la concentración de solutos están separadas por una m em brana sem iperm eable. El m o vim ien to del agua genera presión osm ótica. El m ovim ie n to continuará hasta que la fuerza de la gravedad ¡guale la presión osm ótica.
evita que la columna de agua crezca. En las células, el movimiento de agua está restringido no por la grave dad sino por la flexibilidad de la m em brana celular. En cualquiera de los dos casos, la fuerza asociada con el movimiento de agua es la p resión osm ótica, la cuarta propiedad coligativa de los solutos. La capacidad de las soluciones p a ra inducir al agua a atrav esar la m em b rana se denom ina osm olaridad y se expresa en osmoles por litro (OsM). La osm olaridad es análoga en m uchos aspectos a la molarid ad (M). M ientras que la m olaridad es reflejo de la cantidad de m oléculas de un tipo que hay en una solución, la osm olaridad depende de la cantidad de partículas en solución. La osm olaridad de u n a solu ción de m olaridad conocida puede ser calculada a p artir de la cantidad de partículas de cada tipo de m oléculas. Si u n a solución tiene sólo un soluto, y este soluto no está disociado, la m olaridad y la osm olaridad son equivalentes. Por ejemplo, u n a so lución de 1 mol/1 de glucosa (o 1 M) tiene u n a osm o larid ad de 1 osmol/1 (o 1 OsM). Muchos solutos se disocian en varias partículas. Cada mol de NaCl pro duce 1 mol de N a+y 1 mol de Cl . Así, u n a solución 1 M de NaCl tiene u n a osm olaridad de 2 OsM. Conociendo la concentración y la valencia de un so luto podríam os calcular la osm olaridad, aunque en realidad la osm olaridad es algo menor. Una cierta cantidad de las sales no se disocia, y una cierta can tidad del agua se asocia a los iones p a ra form ar la lám ina de hidratación. La osm olaridad y la presión osm ótica de u n a solución son propiedades físicas de la solución. Sin em bargo, en un escenario biológico la osm olaridad absoluta es a m enudo m enos im por
tante que la osm olaridad relativa. Los térm inos hiperosmótico, hiposmótico e isosmótico se u san p ara describir la osm olaridad relativa de u n a solución con relación a otra. La osm olaridad ejerce su efecto en el volum en celular, así que la osm olaridad de u n a solu ción se expresa en relación a la osm olaridad celular. Si u n a célula se sitúa en u n a solución de osm olari dad m ayor que ella, como m uestra la Figura 2.14, la solución se considera h ip erosm ótica (en relación con la célula). Asimismo, si la célula se coloca en agua p ura, la solución es h iposm ótica. Cuando la osm olaridad es la m ism a a am bos lados de la m em b ra n a celular, la solución es isosm ótica. Los sistemas biológicos detectan los efectos de los solutos a través de las diferencias en las presiones os móticas relativas a ambos lados de la m em brana, y el resultado son cambios en la dirección del agua. Cuando la concentración de solutos es alta en el interior de la célula, el agua atraviesa la m em brana celular, produ ciendo el aumento del volumen (Figura 2.14a). Las cé lulas actúan como sensores osmóticos u osmómetros, cambiando su volumen celular en respuesta al movi miento de agua a través de la m em brana celular. Si las m em branas celulares perm iten sólo el paso del agua, la osm olaridad a am bos lados de la m em brana puede determ inar la dirección y m agni tud del m ovimiento del agua. Sin em bargo, la m em b ra n a celular no sie m p re es u n a m e m b ran a sem iperm eable perfecta, y el efecto del gradiente os mótico en el volum en celular depende tam bién de la capacidad de los solutos de atrav esar la m em brana. Los biólogos distinguen así entre la osm olaridad, re lacionada con la presión osmótica, y la tonicidad,
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hiperosmótica (a) Osmolaridad Fig u ra 2.14.
Solución hipertónica
Solución isotónica
(b) Tonicidad
O s m o la rid a d fre n te a to n ic id a d .
(a) Una célula se encuentra en una solución isosm ótica cuando la solución tiene una presión osm ótica igual a la del citoplasm a celular. Si añadim os sal a la solución, ésta se tran sform a en hirpertónica. El agua sale de la célula, dando lugar a una dism inució n del volum en celular, hasta que las presiones osm óticas se igualan. Si la concentración de sal se reduce, com o sucede cuando añadim os más agua a una solución, la solución se hace hiposm ótica. El agua fluye entonces hacia el in te rio r de la célula, hacien do que ésta se hinche, (b) Los efectos del soluto en el volum e n celular dependen de la capacidad del soluto para entrar en la célu la. Si añadim os NaCI a una solución isosm ótica, la célula pierde agua, dism inuye su volum e n, y la solución se considera hipertónica. Si añadim os urea a la solución, hay un cam bio en el volum e n celular com o consecuencia de que la urea puede atrav esar la m em brana celular. Así, al añadir urea la solución se hace hiperosm ótica, aunque tam bién es isotónica.
que es el efecto de los solutos en el volumen. La to nicidad depende de las diferencias de osm olaridad, pero tam bién de los tipos de solutos y de la p erm ea bilidad de la m em b ran a a estos solutos. Para entender la diferencia entre osm olaridad y tonicidad, vam os a ver el siguiente ejemplo (Figu r a 2.14b). En una solución salina isosmótica, situa m os una célula; ésta ni se hincha ni se encoge (solución isotónica). Si añadim os m ás sal, la célula pierde agua y se encoge. Así la solución es tanto hipe rosm ótica como hipertónica. Imaginemos ahora que transferim os la célula a una solución de urea, un so luto que puede atravesar la m em brana. El gradiente de agua h aría que ésta se m oviera fuera de la célula, m ientras que el gradiente de urea hace que ésta se m ueva dentro de la m em brana. El movimiento libre tanto del agua como del soluto im pediría los cambios en el volum en celular. La solución extracelular podría
todavía considerarse hiperosm ótica, pero como no hay cambios en el volum en celular, la solución tam bién sería isotónica.
El pH y la ionización del agua En cualquier solución, una pequeña cantidad de m o léculas de H ,0 se disocia en sus iones, por ro tu ra de imo de los enlaces covalentes entre el oxígeno y el hi drógeno. Cuando el enlace se rom pe, uno de los áto m os de hidrógeno pierde su electrón a favor del átom o de oxígeno. H : 0 : H ^ H : 0 : - + H+ La disociación de u n a m olécula de agua genera im ion hidroxilo (OH- ) y un protón (H+). En realidad el
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protón rápidam ente se com bina con un a molécula de agua p a ra form ar el ion hidronio (H30 +), aunque convencionalm ente se considera que el producto final es el protón. La disociación del agua en sus io n es es reversible. Tanto la reacción directa (disocia ción del agua) como la inversa (formación del agua) tien en lugar sim ultáneam ente. Sólo un a pequeña cantidad de m oléculas de agua están disociadas en todo m om ento, cerca de 1 entre 55.500.000 m olécu las de agua a u n a tem p eratu ra de 25 °C. En estas condiciones (agua p u ra a 25 °C), la concentración de p rotones que surgen de la disociación del agua es de 10 7 M. Por com odidad, la concentración de protones se suele convertir a la e sca la de pH (Figura 2.15). El pH de u n a solución se calcula como el valor negati vo del logaritm o de [H+]1. Así, el pH de agua p u ra a 25 °C es pH 7 ( -lo g 10 7). Como verem os en este ca pítulo m ás adelante, la escala logarítm ica negativa, rep re sen tad a p o r el prefijo p, es tam bién u n a form a conveniente de expresar las bajas concentraciones de otros iones, tales como el pOH p a ra [OH- ] y el pCa p ara [Ca2+].
La neutralidad no siempre se da a pH 7 Una solución se considera neutra cuando [H+] = [OH- ], o el pH = pOH. El agua p u ra a 25 °C tiene una concentración de 10 7 M tanto de H+ como de OH- : el pH = 7 y el pOH = 7. La tem p eratu ra de una solución
Lejía doméstica
Agua de mar pH
- Fluidos intracelulares
^-C afé
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de agua p u ra altera las proporciones de las m olécu las de agua con suficiente energía térm ica p a ra ro m p e r los enlaces covalentes O -H . Por ejemplo, a 45 °C se disocian al m enos el doble de m oléculas de H 20, bajando el pH a 6,72. A 5 °C sólo se disocia la m itad de las m oléculas de H 20, aum entando el pH a 7,28. En cada u n a de estas situaciones el agua se m antie ne neutra, pero no el pH neutro, o pN, que varía in versam ente a la tem peratura. En la práctica, el agua p u ra cam bia su pH en un índice de —0,0017 unida des po r grado Celsius.
Los ácidos y las bases alteran el pH del agua El agua pura, la situación m ás sencilla, no puede ser nunca m ás que neutra. Sin em bargo, los solutos ionizables pueden influir en el pH de u n a solución. Los ácid os liberan uno o m ás protones. El ácido clor hídrico (HC1) es un ácido porque se disocia en H+y Cl- . Las b a se s ocasionan u n a reducción en la [H+] de la solución. Cuando la base hidróxido sódico (NaOH) se disuelve en agua, se disocia rápidam ente en N a+ y OH- . El OH- adicional surgido de la ráp id a disocia ción de NaOH interacciona con H+ que se form an del H ,0 dism inuyendo la [H+] e increm entando el pH. El grado en el que los ácidos y las bases cam bian el pH de u n a solución depende de la facilidad con que las m oléculas se disocian en condiciones fisioló gicas. Los ácidos inorgánicos como HC1 y H ,S0 4 se consideran ácidos fuertes ya que liberan ráp id am en te sus protones a la solución. De form a análoga, NaOH y KOH son bases fuertes porque se disocian rápidam ente p a ra liberar OH- . M uchas moléculas biológicas son ácidos débiles o bases débiles, po r lo que sólo se ionizan parcialm ente en condiciones fi siológicas. Si definimos como ácido algo que libera un pro tón, entonces podem os p resen tar a los ácidos con la fórm ula general de HA. La disociación del ácido HA p roducirá H+y el anión A- . Podem os describir esta reacción quím ica reversible con la ecuación: H+ + A“
Vino tinto, cerveza Refrescos de cola, vinagre Zumo de limón z } - Ácido estomacal
Definimos la relación entre el sustrato HA y los p ro ductos (H+ y A- ) como la ley de acción de m asas, usando la ecuación:
Ley de acción de m asas = Fig u ra 2.15.
V a lo re s de pH de s o lu c io n e s c o m u n es .
[H + ] X [ A “ [H A ]
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P ara com prender cómo cam bian estos parám etros, consideram os u n experim ento en que el ácido HA se añ ad e a u n a solución de agua pura. Nada m ás añ a dir el ácido al agua, este HA se m antiene intacto y la concentración de [A ] es igual a cero; la ley de acción de m asas es tam b ién prácticam ente cero. Sin em bargo, m uy lentam ente una pequeña cantidad de ácido se disocia. Hay u n increm ento tanto de [H+] como de [A~], y el resultado es el increm ento de la ley de acción de m asas. En algún m om ento la reac ción se ralentiza, con u n a [HA] que alcanza el m íni m o y u n [H+] y [A~] que alcanzan el máxim o. Cuando esto ocurre, la reacción está en equilibrio. Es im por tan te reconocer que, aunque no hay un cambio neto en la concentración de los reactivos, tanto la reac ción directa como la inversa continúan, pero a igual ritm o. Cuando la reacción está en equilibrio, la ley de acción de m asas tiene u n valor específico, Keq, la co n sta n te de equilibrio. En la m ayoría de las cir cunstancias, la constante de equilibrio es transfor m ad a en el valor negativo de su logaritm o (—log 10 q), de form a análoga a como se transform a la [H+] en pH. Así podem os reescrib ir la ecuación de equili brio después de las transform aciones logarítm icas como;
Tabla 2 .3 .
Á c id o s y bases.
Ácido
Reacción
Ácido carbónico
H2C03-»-HC03- + H+ HCO3-
Ácido fosfórico
pK
C03- + H+
3,8
10,2
h 3po 4^ h 2po4- + h +
3,1
H2P04-
6,9
HP042" + H+
HPO/- -* P043" + H+
12,4
Amonio
n h 4+ n h 3
9,3
Ácido acético
c h 3c o o h -+ CH3COO- + H+
4,8
Glicina (aminoácido) r - n h 3+-►r - n h 2 (carboxilo)
Histidina
R-COOH
R-COO-
2,3 9,6
H H N N / \ / \ R-C CH -> R-C CH + H+ 6,0 \ // \ / C—NH C~NH
mos. P ara determ inar el pH, podem os reorganizar la ecuación en la forma: [AT
pH = p í + log —
E xpresándolo de otra m an era, el valor de pK es igual al pH, con lo cual [A~] = [HA]: cuando [A~]/[HA] = 1 y log [A“]/[HA] = 0. Esta sencilla ecuación es útil p a ra com prender diferentes procesos bioquím icos y principios fisioló gicos. Por ejemplo, el valor de pK refleja la fuerza de los ácidos y las bases. Un ácido fuerte puede liberar sus protones incluso cuando la concentración de protones en el medio sea m uy alta (con un pH bajo). Así, el pH debe ser m uy bajo p a ra evitar la disocia ción de u n ácido fuerte. El valor de pK (el pH al cual la m itad de la concentración está disociada) es bajo p a ra los ácidos fuertes, con valores en tom o a 3 p ara HC1 y el ácido sulfúrico (H,S04). De form a similar, las bases fuertes, como el NaOH y el hidróxido amónico, tienen valores de pK superiores a 11. Los valores de pK p a ra algunos de los ácidos y bases biológicos m ás com unes se m u estran en la Tabla 2.3. La ecuación de equilibrio es u n a im portante he rram ien ta p a ra el análisis de soluciones biológicas. U na vez que conocem os el valor de tres de los cua tro p arám etro s, podem os calcular el que desconoce
Esta reorganización es conocida como la ecu ación de H en d erson-H asselb ach , llam ada así po r los investigadores que utilizaron esta fórm ula p a ra ex plicar la relación entre el C0 2 (HA) y el HC03~ (A ), im portante en la fisiología respiratoria. Discutire m os m ás detalladam ente la im portancia de estas re laciones en el Capítulo 10.
Tanto el pH como la temperatura afectan a la ionización de las moléculas biológicas Los cam bios en el pH pueden alterar la disociación de otras m oléculas con grupos ionizables. Echemos u n vistazo al am inoácido glicina p a ra estudiar cómo afecta el pH a su estructura (Figura 2.16). La glicina tiene un grupo carboxilo que puede estar protonado (-COOH) o desprotonado (-C O O - ). Y tiene un grupo am ino que puede estar desprotonado (-N H 2) o pro tonado (-N H 3+). El estado protonado de los grupos carboxilo y am ino en un a m olécula de glicina de pende del pH de la solución. Podemos observar el efecto del pH sobre la es tru ctu ra de la glicina a través de u n a titración, cuan
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negativas como positivas se denom i n a n zw iterión (ion doble). El estado de ionización de las m oléculas es muy sensible a la tem p eratu ra . Volvamos al ejemplo an te rior donde com enzábam os titrando los grupos ionizables de la glicina. Según el pH aum enta hasta igualar el p ^ C00H, los protones se vuelven tan escasos que la m itad de los grupos hidroxilo p ierden sus protones. Si re petim os la titración a m enor tem pe ra tu ra , el valor de pK puede cam biar ya que al dism inuir la tem peratura se increm enta la fuerza del enlace que tme el protón al grupo carboxilo. A cualquier pH, si la tem p eratu ra es Fig u ra 2.16. El c a m b io de pH y el e s ta d o de io n iz a c ió n de á c id o s y ba se s . fría la glicina estará m ás protonada. El am inoácido glicina se presenta en diferentes estados de Ionización que varían En otras palabras, tm pH m ás alto con el pH. A un pH bajo (alta [H+]), tanto el grupo am ino com o el grupo carboxllo req u eriría extraer la m itad de los están protonados. A m edida que el pH aum enta, el grupo carboxilo com ienza a protones de los grupos carboxilos. perdersu protón, encontrándose la m itad de la concentración ionizada a pH 2,3, su valor de p/Ca. El grupo am ino no pierde su protón hasta alcanzar valores m ucho Así, el valor del pH se increm enta al más altos de pH. Cerca del pH neutro, la glicina es esencialm ente neutra. descender la tem peratura. Cada gru po ionizable tiene u n a sensibilidad do añadim os un ácido o u n a base a la solución. característica a la tem peratura, expresada como Com enzam os n u estra titración disolviendo glicina en ApXTC. Por ejemplo, la ionización del ácido fosfóri u n a solución ácida. Con u n pH m uy bajo, donde la co es relativam ente insensible a la tem peratura [H+] es alta, tanto el grupo am ino como el carboxilo (Ap£/°C = 0,005), m ientras que la ionización del gru están protonados. El grupo carboxilo no tiene carga po im idazol de la histidina es m ás sensible a la tem (-COOH) y el grupo am ino tiene u n a carga positiva p eratu ra (Ap_K/°C = 0,017). (—NH3+); esto da a la glicina u n a carga n eta positiva. El estado de protonación de m uchas m oléculas Cuando añadim os u n a b ase a la solución aum enta el puede te n e r efectos im p o rtan tes en los procesos pH, y la protonización de am bos grupos em pieza a m oleculares. Puede h acerse el seguim iento de m u cam biar. Prim ero, los grupos carboxilo com ienzan a chos de los efectos de la te m p e ra tu ra y el pH en las desprotonarse (-COOH -> -COO~ + H+). A pH 2,3, células por los efectos en el estado de protonización exactam ente la m itad de los grupos carboxilo en las de m oléculas esenciales. Por ejem plo, m uchas m oléculas de glicina están ionizados. Este valor de p ro teín as form an estru ctu ras que dep en d en de los pH es la constante de equilibrio p a ra el grupo car estados p articu lares de ionización de los am inoáci boxilo de la m olécula de glicina, o su P ^ o h - Si añ a dos. Los cam bios en el pH o en la te m p e ra tu ra p u e dimos m ás b ase se produce la desprotonación del den afectar al m odo como esas p ro teín as se pliegan grupo am ino. A pH 9,6, exactam ente la m itad de los y funcionan. Regulando activam ente tan to la tem grupos am ino están protonados. Este valor de pH es p e ra tu ra como el pH m uchos anim ales pu ed en dis la constante de equilibrio p a ra el grupo am ino de la m inuir los efectos de los cam bios de los estados de de la glicina, o pírNH2. Si todavía aum entam os m ás el protonización. valor de pH. los grupos carboxilo se m antienen car gados y los grupos am ino se desprotonan en su to ta Las sustancias tampón controlan lidad, dando a la m olécula de glicina u n a carga neta los cambios de pH negativa. A m itad de cam ino entre los dos valores de pK, la m olécula de glicina no p resen ta carga neta, ya Hay diversos m ecanism os que ayudan a las células a que la carga del grupo carboxilo (-COO- ) se com regular el pH. El prim er nivel de defensa es un ta m pensa con la carga del grupo am ino (-N H 3+). La gli pón. Un tam pón es u n a sustancia química en solu cina y otras m oléculas que tiene cargas tanto ción que regula el efecto que produce en el pH de la
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Las bases celulares de la Fisiología A nim al
solución añ ad ir ácidos o bases. Los tam pones se describen a m enudo como si fueran m oléculas indi viduales. En realid ad deberíam os p en sar en ellos como sistem a s tam pón, ya que son m ezclas de al m enos dos form as de una molécula, norm alm ente p ro to n ad a y desprotonada. Si añadim os u n tam pón a u n a solución, los pro tones liberados del ácido pueden asociarse con el tam pón. Como consecuencia, añ ad ir ácido tiene m e n o r efecto en el pH que el que tendría en ausencia del tam pón. La m ayoría de los sistem as tam pón se b asan en ácidos débiles, presentes tanto en la form a ácido (HA) como en la form a am ónica (A- ). Además, un tam pón funciona sólo en u n rango p articular de valores de pH. El ácido acético es u n ácido débil que puede ser usado como tam pón. Los efectos de un tam pón ácido acético/acetato se ilustran po r la curva de titración de la Figura 2.17. Si com enzam os la titración a pH bajo, la m ayoría del ácido acético estaría en form a proto n ad a (HA). Si añadim os pequeños volúm enes de NaOH, el pH se increm entará proporcionalm ente. Por debajo de u n pH de 3,75, el ácido acético perm a nece principalm ente protonado (HA). Si añadim os m ás base, el increm ento en el pH inducirá a parte del ácido acético (HA) a desprotonarse (HA A- ). Como algunos protones son liberados del ácido acético, el NaOH añadido tiene m enor efecto en el pH de la so lución. Este efecto tam pón es evidente en un rango de pH entre 3,75 y 5,75, donde la curva de titración es b astante plana. Una vez que el pH alcanza 5,75, la m ayoría del ácido acético está en la form a desproto n ad a (A- ), p o r lo que no puede actu ar como tam pón. Este rango de pH corresponde a la m ayor capacidad de tam pón de la solución y está centrado en el valor de pK p ara el tam pón, en tom o a 4,75, donde la m i tad de la solución está protonada (HA) y la m itad des p rotonada (A- ).
Tabla 2 .4 .
Fig u ra 2.17.
E fe c to s d e l ta m p ó n en e l c a m b io de pH.
Los tam p ones suavizan los efectos de añadir bases (o ácidos) en el pH de una solución.
Los anim ales usan u n a gran variedad de molécu las diferentes como tam pones (Tabla 2.4). Los m ejo res tam pones en las células anim ales tienen valores de pK que se aproxim an al pH del com partim ento en el que son usadas. El am inoácido histidina contribu ye como tam pón en m uchas células anim ales. El va lor de pK de su cadena de imidazol es m uy sim ilar al pH intracelular. Los residuos de histidina en las pro teínas ayudan a tam ponar el citoplasm a frente a cam bios en el pH. M uchas especies sintetizan tam po nes dipéptidos usando histidina y otro aminoácido. Los dipéptidos como la carnosina y la anserina son tam pones im portantes en los m úsculos de m uchas especies de peces. La m ayoría de los tejidos tam bién obtienen capacidad tam pón del fosfato inorgánico (P.). En los anim ales que resp iran aire, el tam pón extracelular m ás im portante es el bicarbonato/C 02.
T a m p o n es b io ló g ic o s .
Molécula Bicarbonato C0 2
Presencia H3COO
Todos los animales, pero m ás im portante en los animales que respiran aire
Proteínas (generalmente residuos de histidina)
Citoplasma de la mayoría de las células
Fosfato H2 PO4
Todas las células
HPO4 -
Carnosina (|3-alanina + histidina) Anserina (p-alanina + l-m etilhistidina) Ofidina (p-aianina + 3-metilhistidina)
Muy abundante en el citoplasma del músculo
C A P ÍTU LO 2
La química de la vida
I B io m o lé c u la s Los anim ales utilizan cuatro tipos principales de macrom oléculas p a ra fo rm ar las células y reglar la fun ción celular: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La interconversión de estas m acrom oléculas, y su degradación p a ra la obtención de energía, son procesos químicos m ediados y contro lados por catalizadores biológicos llam ados enzim as. Una vía m etabólica es u n a serie de reacciones enzim áticas consecutivas que catalizan la conversión de sustratos en productos, con m últiples estados in ter m edios. El m etab olism o es la sum a de todas estas vías m etabólicas de célula, tejido y organism o.
Carbohidratos
hoch2 HO
/I
HOCHj O
( o
Los animales utilizan los monosacáridos en la biosíntesis y como fuente de energía Los m onosacárid os son pequeños carbohidratos que tien en entre tres y seis carbonos. Los m ás pe queños, como el a-gliceraldehído, son interm edia rios m etabólicos. Los m onosacáridos m ás com unes son los azúcares de seis carbonos (hexosas), inclu yendo la glucosa, fructosa y galactosa (Figura 2.18). A diferencia de otros pequeños carbohidratos, estas hexosas pueden com binarse en largas cadenas con otros m onosacáridos. La glucosa y la galactosa, como tam b ién la m añosa, pueden ser m odificadas p o r adición de grupos ácidos, grupos am ino y grupos am ino m odificados. Estos azúcares derivados sirven p ara diversos efectos en la célula, principalm ente p ara la modificación de otras m acrom oléculas, in cluyendo proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Muchos de los azúcares que los anim ales obtie nen de la dieta son disacárid os, esto es, dos m ono-
P-D-Fructosa
HOCHj
K . OH
)
OH
OH
p-D-Galactosa
HOCHj °x
Los carbohidratos m u estran u n a preponderancia del grupo hidroxilo (-O H ), y por esta razón a m enudo se los denom ina polioles. P ara todos los anim ales, la dieta es u n a fuente vital de carbohidratos usados p a ra construir y d ar energía a la célula. La glucosa es el m ás com ún de los carbohidratos en las dietas anim ales, y es esencial en la biosíntesis y el m etabo lismo energético de la célula debido a su versatilidad m etabólica. Las células pueden degradar la glucosa p a ra obtener energía, o alm acenarla p a ra consum ir la posteriorm ente. La glucosa es tam bién un p recu r sor de casi todos los otros carbohidratos necesarios p ara la célula.
OH
° \O H
H
OH
A
° \ OH K . OH
H
NH
I C= 0 P-D-Glucosamina
ch3
A/-Acetil-p-D-glucosamina Fig u ra 2.18.
M o n o s a c á rid o s c o m u n es .
Estos m odelos estructurales de m onosacáridos m uestran cóm o los grupos laterales se extienden hacia arriba y hacia abajo del plano de la estructura del anillo. Las form as a y /3 de la glucosa difieren en la orientación del grupo h idro xilo en C-1.
sacáridos unidos por enlace covalente (Figura 2.19). P ara utilizar estos disacáridos los anim ales deben prim ero rom perlos en m onosacáridos. Los anim ales tam bién pueden producir disacáridos como la lacto sa, un im portante com ponente de la leche en las se creciones m am arias de los m am íferos, y la trealosa, que es u n a form a de alm acenam iento de energía y u n im portante soluto. La adición de carbohidratos a otras moléculas se denom ina glicosilación. Los patrones de glicosilación pueden alterar el perfil molecular de una macromolécula, cam biando el modo en que interacciona con otras macrom oléculas. La glicosilación puede tam bién alterar la susceptibilidad de la macrom olécula a la de gradación. Los lípidos glicosilados son los glicolípidos. modificados norm alm ente por la unión de una única cadena corta de monosacáridos. Las proteínas glicosiladas son las glicoproteínas, que tienen u n a o m ás cadenas de m onosacáridos, siendo característi cos los derivados de m añosa. Tanto los glicolípidos
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
cógeno es un polím ero de unidades de glucosa unidos por un enlace en tre los átom os de carbono 1 y 4. Las ram ificaciones surgen de la cadena principal cada 5-10 unidades de glu cosa, unidas al carbono 6 . Los a n i m ales tiene la capacidad de rom per OH Lactosa (Gal ((31-4) Gluc) Trealosa (Glc (a1-1a) Gluc) los enlaces tanto del alm idón de las plantas, como del glucógeno, libe rando las unidades de glucosa como hoch2 HO CH, resultado del proceso de catálisis. La X-------O HO CH, \ ° v OH celulosa, otro polím ero de las p lan tas derivado de glucosa, es en esen cia no digerible po r los anim ales debido a la natu raleza de los enlaces Sacarosa (Fru (P2-1cc) Gluc) Maltosa (Glc (1a-a4) Gluc) en tre las u n id a d e s de glucosa. A unque algunos an im ales, en tre Fig u ra 2.19. D is a c á rid o s c o m u n es . ellos los rum iantes y las term itas, Tanto la trealosa com o la m altosa están form adas por dos m oléculas de glucosa utilizan a b acterias sim biontes den pero form an enlaces entre diferentes pares de carbonos. La sacarosa y la m altosa son sintetizadas en plantas; los anim ales las obtienen in girien do las plantas. tro de su ap arato digestivo p a ra libe r a r la glucosa de la celulosa. En como las glicoproteínas se encuentran en la región exm uchos anim ales la celulosa es un im portante ele tracelular de la m em brana plasm ática de las células. m ento de la fibra de la dieta. hoch2
° \ OH
Los carbohidratos complejos; desempeñan múltiple# ' papeles funcionales y estructurales Los carbohidratos complejos, o polisacáridos, son largos polímeros de car bohidratos que sirven con frecuencia de moléculas de almacenam iento de energía o estructurales. Los polisacáridos pueden estar compuestos de largas cadenas de u n único tipo de monosacárido (homopolisacáridos) o por dos m onosacáridos combinados de forma alternativa (heteropolisacáridos). Los carb o h id rato s de reserva en p lan tas y anim ales son hom opolisa cáridos de glucosa. E stas reservas di fieren en el enlace de unión de las m oléculas de glucosa y en la n a tu ra leza de los p atro n es de ram ificación. Las p lan tas alm acenan su energía como alm idón, u n a m ezcla de amilosa y am ilopeptina. Los anim ales al m a c e n a n e n e rg ía en fo rm a de glucógeno, m ucho m ás ram ificado que los polím eros de p lan tas (Figu r a 2.20). La cadena principal del glu-
Amilopectina
• • • i-oA
•••
X -o-^
^
XoX~ X^->\
X ^ T /] ...
Glucógeno Fig u ra 2.20.
G lu c ó g e n o y a lm id ó n v e g e ta l.
Las plantas y los anim ales utilizan polím eros de glucosa com o form a de alm ace nar energía. La am ilosa y la am ilopectina son los dos polisacáridos que com po nen el alm idón, una im portante fuente alim enticia de energía para los animales. Los anim ales producen glucógeno, que recuerda a los polisacáridos vegetales pero m ucho más ram ificado.
C A P ÍTU LO 2
La química de la vida
rasgo estructural unifica a los lípidos como grupo m olecular. Todos ellos están form ados po r un esque leto carbonado, bien en u n a configuración lineal (alifático), bien en estructura en anillo (arom ático). Veamos cada uno de estos tipos de lípidos, consi derando cómo se form an y qué papel desem peñan en la célula. GIcNAc
GIcNAc
GIcNAc
Quitina
Los ácidos grasos tienen largas cadenas alifáticas
Hialuronato
Los ácidos grasos tienen largas cadenas de átomos de carbono que term inan en un grupo carboxilo (Figura 2.22). Pueden v ariar en la longitud de la ca dena desde 2 carbonos (acetato) h asta m ás de 30. Los ácidos grasos de cadena corta suelen denom i n arse ácidos grasos volátiles, o AGV, ya que pueden evaporarse fácilmente cuando están en solución. Los AGV se encuentran a m enudo como producto de la ferm entación y son un im portante producto final de la ferm entación bacteriana de la celulosa en ru m iantes. Los ácidos grasos de cadena m edia y los ácidos grasos de cadena larga son sintetizados en el interior de las células anim ales. Se utilizan como
GlcA
Fig u ra 2.21.
GIcNAc
GIcNAc
GIcNAc
Q u itin a y g lic o s a m in o g lic a n o s .
Los anim ales sintetizan num erosos polisacáridos por la com binación de m onosacáridos y am ino azúcares, com o el /V-acetil-glucosam ina (GIcNAc). La quitina es un polím ero de /V-acetil-glucosam ina, m ientras que el hialurona to es un polím ero de /V-acetil-glucosam ina y ácido glucurónico (GlcA).
2
j
4
6
8
10
12
14
16
c c c c c c c c c c c c c c c c c c
18
\/\/\/\/\/\/\/\/\/
/
1
3
5
7
9
11
13
15
17
18:0 - Acido esteárico (saturado)
Los polisacáridos tam bién son com puestos es tru ctu rales fundam entales de las células anim ales. Los artrópodos construyen su exoesqueleto con qui tina, u n hom opolisacárido de ./V-acetil-glucosamina (Figura 2.21). Los vertebrados secretan el hialurona to, un heteropolisacárido de iV-acetil-glucosamina y ácido glucurónico, en el espacio extracelular, donde gracias a sus propiedades gelatinosas actúan como u n espaciador en tre las células y los tejidos. El h ia luronato es un m iem bro de u n a clase de com puestos llam ados glico sa m in o g lican os que incluyen la condroitin sulfato y k eratan sulfato. Estos com puestos son com ponentes esenciales de tejidos anim ales, como el cartílago.
C
C
Los lípidos incluyen ácidos grasos, triglicéridos, fosfolípidos, esteroides, y derivados de esteroides. Es tas m oléculas p resen tan hidrofobicidad; ningún otro
C
C
C
C
C
c-
HO 18:1 (A9) - Ácido oleico (monosaturado)
C
C
C
C
\ / \ / \ / \ / \ C
C
C
C
/G\ c
C-- =c
18:2 (A9,12) - Ácido linoleico (poliinsaturado) Fig u ra 2.22.
Lípidos
C
^ / \ / \ / \ / \
Á c id o s grasos.
Las grasas saturadas com o el ácido esteárico (18:0) son estructuras lineales. La adición de un doble enlace, com o se m uestra en el ácido oleico (18:1), ácido graso m onosaturado, introduce un pliegue en la estructura. El segundo doble enlace, com o se m uestra en el ácido linoleico (18:2), ácido poliinsaturado, causa más alteraciones en la estructura lineal.
P R IM E R A PARTE
Tabla 2 .5 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Á c id o s graso s c o m u n e s y sus fu e n te s en la d ie ta .
Ácidos grasos
Nombre común
Ácido acético
(2:0)
—
Ácido propiónico
(3:0)
—
Ácido butanoico
(4:0)
Ácido hexanoico
(6:0)
Ácido caproico
Ácido octanoico
(8:0)
Ácido caprílico
Ácido decanoico
(10:0)
Ácido cáprico
Ácido dodecanoico
(12:0)
Ácido láurico
Ácido tetradecanoico
(14:0)
Ácido mirístico
Ácido hexadecanoico
(16:0)
Ácido palmítico
Ácido octadecanoico
(18:0)
Ácido esteárico
Ácido octadecenoico
(18:1, A9)
Ácido oleico
Ácido octadecadienoico
(18:2, A9'12)
Linoleico
Ácido octadecatrienoico
(18:3, A9'12-15)
Linolénico
Ácido eicosatetraenoico
(20:4, A5'8-11-14)
Araquidónico
Ácido eicosapentaenoico
(20:5, A5'8-11-14-17)
EPA
Ácido docasahexaenoico
(C22:6, A4-7'10-13-16-19)
DHA
form a de alm acenam iento de energía y en la m em b ra n a celular. Las cadenas carbonadas de los ácidos grasos son norm alm ente lineales, aunque los ácidos grasos de algunos anim ales pueden te n e r ram ifica ciones. Los ácidos grasos tam bién difieren en el n ú m ero y posición de los dobles enlaces entre los átom os de carbono. Los ácidos grasos saturados no tienen dobles enlaces en la estructura de su cadena lineal. La aparición de u n doble enlace en la cadena lineal de u n ácido graso produce un pliegue en la ca dena, lo cual tiene im portantes consecuencias en la estru ctu ra de la m em b ran a. Los ácidos grasos monosatu rad o s tien en u n doble enlace. Los ácidos gra sos poliinsaturados tienen m últiples dobles enlaces. Todos los ácidos grasos tienen nom bres quím i cos, y m uchos de ellos, adem ás, nom bres com unes. La nom enclatura quím ica incluye tanto la longitud de la cadena del ácido graso como el núm ero de en laces (Tabla 2.5). Por ejemplo, el palm itato es 16:0, que significa que tiene 16 carbonos de longitud y ningún doble enlace. La localización del doble enla ce se especifica usando el símbolo delta (A) y el n ú m ero corresponde a la posición desde el carbono carboxilo. Así, oleato (18:1A9) es un a longitud de 18
—
carbonos con un doble enlace entre el carbono 9 y el siguiente en la cadena (carbono 10 ).
Los ácidos grasos se almacenan como triglicéridos En las células anim ales m uchos ácidos grasos están esterificados con una molécula de glicerol. Un m onoacilglicérido sólo presenta un ácido graso esterificando al glicero, habitualm ente en la posición prim era de la molécula de glicerol. Los diacilglicérid o s tien en ácidos grasos esterificando las posiciones prim era y segunda del glicerol. Los trigli céridos tienen tres ácidos grasos esterificando en toda la estructura del glicerol (Figura 2.23). Estas di ferentes form as de acilglicérido son interm ediarios del m etabolismo de triglicéridos. A parecen en el trac to digestivo cuando los anim ales degradan los trigli céridos de la dieta; se presentan en los tejidos de anim ales como interm ediarios en la síntesis de los tri glicéridos. Cada uno de estos térm inos, monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triglicéridos, se refieren a un tipo de moléculas. Por ejemplo, cientos de diferen tes m oléculas de triglicéridos pueden ser sintetizadas
C A P ÍTU LO 2
1H H— (
0 II (D— C— CH2— CH2 ••• CH3
H— (
0 II D— C— CH2— CH2 • • • CHg
H— (
0 II (D— C — CH2— CH2 ••• CHg
H 1
1
II
Glicerol Fig u ra 2.23.
1
1
Ácidos grasos
T rig lic é rid o s .
Los trig licé rid o s están com puestos por tres ácidos grasos que esterifican una m olécula de gllcerol. Los ácidos grasos pueden variar en lo ngitud y núm ero de dobles enlaces.
La química de la vida
anfipáticas. Las propiedades físicas de un fosfoglicérido están influidas por la longitud de las cadenas de ácido graso, el grado de saturación y la naturaleza del grupo de la cabeza polar. La m ayoría de los fosfoglicéridos aparecen en las m em branas celulares. Las cadenas hidrofóbicas de los ácidos grasos están em bebidas en la m em brana, y los grupos de la cabeza polar form an la superficie de la m em brana. Enzim as reguladoras llam adas fo sfolip asas pueden actu ar sobre fosfoglicéridos de m em brana específicos liberando fragm entos que ac tú an como m oléculas de señalización. Cuando una fosfolipasa actúa sobre un fosfatidil inositol, sus pro-
utilizando diferentes ácidos grasos en cada una de las tres posiciones de la estructura del glicerol. Los triglicéridos son u n a fuente de energía vital p ara los anim ales, y pueden encontrarse en altas concentraciones en los tejidos que alm acenan lípi dos, como gotitas de lípidos. En los insectos, un teji do llam ado cuerpo graso es el sitio m ás im portante de alm acenam iento de la grasa. Muchos otros inver tebrados, como los m oluscos y crustáceos, alm ace n a n lípidos en u n g ra n h e p a to p á n c re a s. Los vertebrados alm acenan los lípidos en el hígado, m úsculo y tejido adiposo, como el blubber (grasa de los anim ales m arinos). Los adipocitos, células del te jido adiposo, alm acenan triglicéridos cuando el ani m al está bien alim entado, y los liberan cuando el anim al requiere un aporte extra de energía.
Los fosfolípidos controlan las membranas biológicas Las células anim ales producen dos tipos de fosfolípi dos: los fo sfo g licérid o s y los esfin golíp id os (Figu ra 2.24). Los fosfolípidos, el com ponente m ás com ún de la m em brana, son m oléculas anfipáticas: con u n a p arte hidrofóbica y u n a hidrofílica. Los fosfoglicéridos son un tipo de m oléculas for m ad as por diacilglicérido, con dos ácidos grasos de cadena larga esterificando las posiciones prim era y segunda del esqueleto de glicerol. Un grupo fosfato se une a la tercera posición del glicerol, form ando un fosfótido. Este grupo fosfato es un puente que une el esqueleto del glicerol con una cabeza polar, form ada p o r cualquiera de u n a serie de m oléculas orgánicas, fundam entalm ente serina, colina, etanolam ina e inositol. Los grupos de la cabeza polar son respon sables del com ponente hidrofílico de estas moléculas
(b) Esfingolípidos Fig u ra 2.24.
/ F o s fo líp id o s .
Los fosfolíp idos, que incluyen (a) fosfo g licé rid o s y (b) esfin golípidos, m uestran una estructura trid im e n s io n a l sim ilar. Es tán form ado s por un esqueleto carbonado diferente: glicerol para fosfog licéridos y esfingosina para esfingolípidos.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
ductos, tanto diacilglicérido como inositol fosfato, regulan otros procesos. Aunque los esfingolípidos son m uy diferentes quím icam ente de los fosfoglicéridos, tienen u n a es tru ctu ra tridim ensional sim ilar (Figura 2.24b). El es queleto del esfingolípido es la esfingosina. Con su larga cadena alifática, su estructura es sim ilar al monoacilglicerol. La ceram ida se form a cuando un áci do graso esterifica la esfingosina, creando una estru ctu ra que recu erd a al diacilglicerol. Muchos ti pos diferentes de esfingolípidos pueden sintetizarse uniendo distintos grupos polares a la ceram ida. Cuando la fosfocolina se une a la ceram ida, se form a la esfingomielina. Los carbohidratos pueden unirse a la ceram ida p a ra form ar glicolípidos neutros y gangliósidos. Los esfingolípidos se en cuentran m uy a m enudo en el lado extracelular de la m em brana celular. Cada célula p resen ta una com binación específica de esfingolípidos, proporcionando u n tipo de m arca celular que otras células pueden reconocer. D urante el de sarrollo, cuando las células se m ueven a través del cuerpo p a ra com enzar el proceso de form ación de tejidos, las m arcas de los esfingolípidos m arcan el cam ino a las células m igratorias. Cuando las células m igratorias en cu en tran la m arca de esfingolípido co rrecta, cesan su m igración y se diferencian p a ra for m a r tejidos.
Los esferoides presentan numerosos anillos en su estructura Los ester o id es son u n conjunto de m oléculas lipídicas que m u estran u n a estru ctura arom ática básica de cuatro anillos hidrocarbonados. El esteroide co lesterol se encuentra en m uchas m em branas celula res y es p arte de los complejos liproproteicos que tran sp o rtan los lípidos a través de la sangre. Es tam bién u n p recu rso r en la síntesis de las horm onas esteroídicas de los vertebrados. Aunque los inverte b rad o s no poseen horm onas esteroídicas, algunos utilizan u n a horm ona tipo esteroide, ecdisona, p ara controlar la m aduración y el desarrollo. Las vías de síntesis de los esteroides im plican productos interm edios no esteroides (Figura 2.25). La síntesis de esteroides com ienza cuando el acetato se u sa p a ra producir m evalonato, el p recursor del isopreno activo. El isopreno activo es el p recursor de m uchas m oléculas fam iliares, como los carotenoides y las vitam inas A, E y K. La ubiquinona, un tipo de quinona es u n com ponente im portante en la produc ción de energía m itocondrial. El isopreno activo se
Vitamina K
*-------
Ubiquinona
Isoprenoidesa
Isopreno activo
J
Vitamina D
4------
Colesterol
i
i i i
Aldosterona
Cortisol
------ * [ Ácidos biliares
Pregnenolana
Corticosterona 4------
[
Fig u ra 2.25.
Progesterona
------ ►
Testosterona
i Estradiol
B io s ín te s is de e s te ro id e s .
Esta sim plificación de la vía de biosíntesis de esteroides ilustra los m uchos in term edia rios que son utilizados por las células.
usa tam bién p a ra producir isoprenoides que actúan como horm onas, incluyendo horm onas de insectos jóvenes y ferom onas como el almizcle. El siguiente paso en la vía de la síntesis de colesterol es el esca leno, un esteroide utilizado por los tiburones p a ra ayudarse en la flotabilidad. El colesterol es el p re cursor de m uchas horm onas esteroídicas diferentes que serán discutidas en capítulos posteriores.
Proteínas Si elim inam os el agua de un a célula, al m enos la m i tad del rem anente que queda se rán proteínas. Las proteínas m edian en prácticam ente todos los proce sos dentro de la célula, y contribuyen a la estructura celular. P ara com prender la im portancia de las pro teínas, debem os prim ero entender su estructura.
Las proteínas son polímeros de aminoácidos Los anim ales sintetizan las proteínas com binando 20 am inoácidos (Figura 2.26). Como su nom bre im plica, los am inoácidos com parten la estructura ge-
C A P ÍTU LO 2
La química de la vida
A m in o á cid o s no pola re s (H idro fó b ico s )
I1 i
/?
H„C+— C — C 1 \
h 3n
+
H
T
I // HoN+—C—C
J 3
C
H,>N ° '
?
ch3
■
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I V
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CH \
i
H „N +— C — C
CH
CH3 CH3
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H„c—CH 3 I
m
?H2
Alanina (Ala, A)
/ \
I
H„N+— C — C
i VU
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Leucina (Leu, L)
h 3n +-
CH„
CH„ i
¿
¿ ¿
CH? i
kJ
S
1
soleuclna (He, I)
I
h 2n
c
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CH?
I 2\ /
CH ,
NH
■
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/ i V
1
HoN+— C — C
|
Valina (Val, V)
u
CH_
ch3 ch3
Glicina (Gly, G)
//
c
u
■
ch3
Metionina (Met, M)
Fenilalanina (Phe, F)
Triptófano (Trp, W)
Prolina (Pro, P)
A m in o á cid o s pola re s sin c a rg a (H id ro fílic o s)
H / h3 n+— C—C H,N+—C—C 1 xnch , I 2¿ II ch2 c 1 ■ nh / 2Vo c / V nh2 o
H
V
i1
HoN+— C — C
H,N+— C — C
OH
Serina (Ser, S)
/
I
\ (
T
I V
^ ■ cv
ch2
/ C \Sj OH CH„
SH
Treonina (Thr, T)
onf-1
I V
™2\Ai\h
I
HoN+— C — C
f ] T OH
Cisteína (Cys, C)
Tirosina (Tyr, Y)
Asparagina (Asn, N) Glutamina (Gin, Q)
A m in o á cid o s pola re s con c arga (H id ro fílic o s)
Acidos ____I____
j:
p
f?1
I
^
HoN+—C—C
ch2
ch2
CHp 1 CH„ | ch2 1 n h 3+
ch2
2
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o
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/
HoN+— C — C
i ™ - o - -c
o
-4 o
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I
HoN+— C — C
-o -
s°
i
H„N+— C — C
Básicos
1
2
CH„ | NH 1 C =N H +
2
<
H i
HoN+— C — C \ — NH
/) NH+
NH2 Aspartato (Asp, D) Fig u ra 2.26.
Glutamato (Glu, E)
Lisina (Lys, K)
Arginina (Arg, R)
Hlstldina (His, H)
Los 20 a m in o á c id o s de la s p ro te ín a s .
n eral con u n grupo am ino (-N H 2) y un grupo carbo xilo (-C 0 0 H ). Se denom inan a-am inoácidos porque tanto el grupo am ino como el carboxilo están locali zados en el p rim er carbono, o carbono a.
Los am inoácidos se diferencian unos de otros por sus radicales (R). Los grupos R de los am inoácidos polares form an enlaces por puentes de hidrógeno con el agua. Algunos aminoácidos polares no tienen
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
carga a pH fisiológico, m ientras que otros poseen grupos R cuyas cadenas laterales pueden llegar a es ta r cargadas. Los am inoácidos ácidos tienen carga negativa a pH fisiológico cuando los grupos carboxilos se desprotonan (-COOH -> -COO~ +H+). Los am i noácidos básicos tom an u n a carga positiva cuando los grupos am ino com ienzan a protonarse (-NH 2 +H+ -*• -N H 3+). Muchos am inoácidos son no polares ya que sus grupos R son largas cadenas alifáticas de carbono o anillos arom áticos que no reaccionan fá cilmente con el agua. El conjunto de aminoácidos, con sus propiedades específicas de la longitud de las cadenas laterales, form a, carga y polaridad, propor cionan a las células de los ladrillos necesarios p ara construir miles de diferentes proteínas.
Las proteínas se pliegan en estructuras tridim ensionales Los am inoácidos se polim erizan en cadenas lineales a través de enlaces peptídicos covalentes que unen el grupo carboxilo de u n am inoácido con el grupo am ino del siguiente (Figura 2.27). Una cadena de dos am inoácidos es u n dipéptido. Los polipéptidos son largas cadenas de am inoácidos. En un extrem o del polím ero, llam ado extrem o C term inal, el am i noácido tiene u n grupo carboxilo libre. En el otro extrem o, el extrem o N term inal, el am inoácido tiene
Extremo Extremo N terminal C terminal ,___ I___ , H
I
\-C -
/
H
H
I —c —c I
-C —
I
I
H
CH„
CH„ I
2
OH Serina
2 H.0 Enlace peptídico
Enlace peptídico
H
0 \
H
V
I
II \
i
/
I H
O
/
H
II /
i
/>
N — C — C — N— C — C — N— C — C
II H CH.
I I xo H CH„ I OH
Glicil - alanil - serína Figura 2.27.
E n laces p e p tíd ic o s .
Los am inoácidos pueden unirse por enlaces peptídicos.
el am ino libre. La secuencia lineal de los am inoáci dos en una proteína se denom ina estru ctu ra p ri m aria. U na vez que la estru ctu ra p rim a ria está esta blecida, las p ro teín as se organizan en conform acio nes tridim ensionales m ás com plejas que confieren las estru ctu ras secundaria, terciaria y cu atern aria (Figura 2.28). Prim ero, la p ro teín a se pliega sobre sí m ism a p a ra asu m ir su estru ctu ra secu n d aria. La inform ación p a ra el plegam iento correcto se en cu en tra directam ente en la estru ctu ra p rim aria. Cuando m iram os desde a rrib a el final de u n a cade n a proteica, vem os varios grupos laterales que se extienden hacia fuera del esqueleto proteico. El ta m año, la carga y la polaridad de los grupos la te ra les influyen en la interacción en tre am inoácidos en la cadena. La estru ctu ra secu n d aria surge cuando los grupos laterales de am inoácidos interaccionan form ando u n a estru ctu ra que es m ás estable que la sim ple conform ación lineal. Las dos estru ctu ras se cu n d arias m ás com unes de las p ro teín as son la alfa (a) a-hélice y la b eta (/3) /3-lámina (Figura 2.29). En la a-hélice, se enrolla en u n a esp iral con 3,6 am i noácidos p o r vuelta y las cadenas laterales exten diéndose hacia fuera. La estru ctu ra se estabiliza de dos form as. Prim ero, se form an enlaces po r p u e n tes de hidrógeno entre C = O de uno de los am ino ácidos y el N - H del am inoácido que está cuatro posiciones m ás adelante. Segundo, la estru ctu ra en a-hélice se estabiliza cuando las cadenas la te ra les que q uedan en fren tad as p u ed en interaccionar. Con el periodo de 3,6 am inoácidos, una cadena lateral es expuesta a la cad en a lateral de tre s a cuatro am inoácidos m ás adelante. Por ejem plo, si dos am inoácidos arom áticos tienen tre s posiciones de separación, cuando la proH teín a se enrolla en u n a a-hélice la estru ctu ra puede estabilizarse po r las interacciones hidrofóbicas en tre estas cad en a s laterales. De form a sim ilar, am inoácidos cargados negativam ente se en cu en tran a m enudo con residuos cargados positivam ente tres posiciones m ás adelante. Sus interacciones electroestáticas estabilizan la p ro teína. El otro tipo com ún de estru ctu ra secun daria, la /B-lámina, se form a cuando regiones lineales de u n a p ro teín a se alinean cara a cara y form an p uentes de hidrógeno. En esta con form ación, las cadenas laterales se extienden hacia a rrib a y hacia abajo en el plano de la lá m ina. Una vez form ada la estructura secundaria, las diferentes regiones se pliegan ju n tas form an-
C A P ÍTU LO 2
--------------------- 1----------------------------
Estructura primaria
Fig u ra 2.28.
La química de la vida
-------------------- 1---------------------
------------------------ 1-----------------------
------------------------1-----------------------
Estructura secundaria
Estructura terciaria
Estructura cuaternaria
N iv e le s e s tru c tu ra le s de las p ro te ín a s .
La secuencia de am inoácidos de las proteínas es su estructura prim aria. Este polipé ptido puede plegarse y estructurarse en conform aciones tridim ensionales.
Fig u ra 2.29.
E s tru ctu ra s e c u n d a ria de la s p ro te ín a s :
la a - h é li c e y (3 -lá m in a .
Las estructuras secundarias más com unes en las proteínas son la a-hélice y la /3-lámina. Enlaces débiles estabilizan am bos tip o s de estructuras secundarias. La in form ación utilizada para plegar la proteína se encuentra en la secuencia prim aria.
do la estru ctu ra tercia ria (Figura 2.30). Si el plegam iento de la proteína sitúa adyacentes dos resi duos de cisteína, sus grupos sulfhídricos (-S H ) pueden form an un tipo de enlace covalente ( - S - S - ) llam ado enlace o puente disulfuro. Múltiples uniones débiles, como las fuerzas de van der Waals, los enlaces de hidrógeno y los enlaces iónicos, unen di ferentes am inoácidos y las cadenas laterales, estabi lizando la e stru c tu ra trid im en sio n al. M uchas p roteínas adquieren im a estructura globular cuando form an interacciones hidrofóbicas entre regiones dispersas a lo largo de la proteína. Situando juntas las regiones hidrofóbicas, se form a un núcleo hidrofóbico que estabiliza la estructura proteica. Una proteína alcanza la estructura cuaternaria cuando m últiples subunidades, o cadenas polipeptídicas, se sitúan juntas. Las proteínas con dos unida des son dím eros. Si am bos m onóm eros del dím ero son idénticos, la proteína se denom ina hom odím ero. Si las subunidades son diferentes, la proteína es u n h eterod ím ero. Las proteínas pueden incluso for m arse con un núm ero m ayor de subunidades, como los trím eros (tres subunidades) o los tetrám eros (cuatro subunidades).
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Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Enlace disulfuro
H
Enlace iónico
Fig u ra 2.31.
C h a p e ro n a s m o le c u la re s .
Las chaperonas detectan las regiones hidrofóbicas de las proteínas, que com ienzan a quedar expuestas cuando la pro teína se desnaturaliza. Las chaperonas ayudan a las proteínas a plegarse o replegarse en su conform ación correcta.
Fig u ra 2.30.
E n la c e s d é b ile s y e s tru c tu ra te r c ia r ia de las
p ro te ín a s .
Tanto los enlaces covalentes com o los enlaces débiles contribuyen a las estructuras tridim ensionales de las proteínas.
Las chaperonas ayudan al plegamiento de las proteínas Las p roteínas pueden realizar su función correcta m ente sólo cuando se h an plegado en su conform a ción correcta. M uchas proteínas pueden utilizar la inform ación que lleva la estructura prim aria p ara plegarse espontáneam ente, pero otras requieren la ayuda de las c h a p ero n a s m o le c u la r e s (Figu ra 2.31). Cada célula contiene diferentes tipos de chaperonas p ara aseg u rar que las proteínas se plie gan adecuadam ente. T rabajan forzando a la proteí n a a u n a conform ación que perm ite que se form en los enlaces débiles apropiados.
Las condiciones am bientales, como la tem perat o a , pueden alterar los enlaces débiles y desb aratar la estructura tridim ensional de la proteína. El a u m ento de la tem p eratu ra debilita los enlaces de h i drógeno que estabilizan la a-hélice y la /3-lámina. La alta tem p eratu ra puede causar el desplegam iento de la proteína, o desnaturalización. Una vez desn atu ra lizada, u n a proteína puede que no realice m ás su función característica y h asta puede d a ñ a r a la célu la. Por eso, cuando u n a proteína es incluso sólo p a r cialm ente desnaturalizada, la célula puede tanto replegarla en su conform ación correcta, como des tru irla antes de que cause daño celular. Las chape ro n a s m oleculares se u n e n a las p ro teín as desnaturalizadas, p ara plegarias en su conform a ción correcta. D urante el estrés por calor, las células increm entan los niveles de chaperonas m oleculares llam adas proteínas de choque de calor p ara sobre llevar el alto núm ero de proteínas desnaturalizadas.
Ácidos nucleicos Los dos tipos de ácidos nucleicos, el ácid o d esoxirrib on u cleico (DNA) y el ácido rib on u cleico
C A P ÍTU LO 2
(RNA), son estructuralm ente sim üares pero des arrollan funciones diferentes en la célula. El DNA es la huella genética p a ra construir la célula. El RNA lee la inform ación codificada en el DNA y la in terpreta sintetizando proteínas. Las células producen m uchos tipos diferentes de RNA, entre ellos el RNA de tra n s ferencia (tRNA), el RNA ribosom al (rRNA) y el RNA m ensajero (mRNA) usado en la síntesis de proteínas. El RNA puede tam b ién asociarse a proteínas p a ra form ar las riboproteínas.
ó 1 "0 1 O
0 II
1 n-
1 —
i— Grupo fosfato
Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos Tanto el RNA como el DNA son polím eros de n u cleótid os. Todos los nucleótido están com puestos de u n a base nitrogenada unida a un azúcar y a un gru po fosfato (Figura 2.32). En el RNA los nucleótidos, que contienen el azúcar ribosa, reciben el nom bre de ribonucleótidos. Los nucleótidos del DNA, los dexosirribonucleótidos, están form ados po r el azúcar
1 h" V
-C H . 0 1 j * . X . 1y 4’ c Azúcar q i\ h h/ i '/ H i i HO OH
I
1
Grupo fosfato
Ribonucleótido
4 'c A z ú c a n c l\ H H /l H H0
h
Desoxirribonucleótido
Purinas
HOCH? o
La química de la vida
OH
Pirimidinas
h 3c
H ^ ^ /H HO
OH
D-ribosa (en RNA)
HOCH? O
Adenina (A)
Timina (T) (en DNA)
Uracilo (U) (en RNA)
OH
úr^i
h
^ ^ ^ /
HO
h
H
D-desoxirribosa (en DNA)
Fig u ra 2.32.
Guanina (G)
Citosina (C)
N u c le ó tid o s .
Los ácidos nucleicos están com puestos por nucleótidos: com binaciones de un azúcar, un fosfato y una base nitrogenada púrica o p irim idín ica. El azúcar en el DNA es la desoxirribosa y en el RNA la ribosa. Cada ácido nucleico se sintetiza a partir de cuatro nucleótidos diferentes que difieren en la naturaleza de sus bases.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
desoxirribosa. Tanto el RNA como el DNA se sinteti zan p o r la com binación de cuatro tipos de nucleótidos que difieren en la naturaleza de sus bases n itrogenadas. Tres de las cuatro bases nitrogenadas, la pirim idina citosina y las p u rinas adenina y guani na, se en cu en tran en los nucleótidos tanto de RNA como de DNA. La cu arta base nitrogenada es otra pi rim idina: el uracilo en el RNA y la tim ina en el DNA. Los ribonucleótidos son ATP, UTP, CTP y GTP. Los desoxirribonucleótidos son dATP, dUTP, dCTP y dGTP. En la m ayoría de los casos la secuencia de n u cleótidos en el DNA y el RNA se rep resen ta usando un código de u n a sola letra. Así, la A se refiere al re siduo derivado del nucleótido de ATP (en RNA) o de dATP (en DNA), C es CTP/dCTP, G es GTP/dGTP, T es dTTP, y U es UTP. Los ácidos nucleicos están form ados po r largos p olím eros de nucleótidos unidos po r enlaces fosfod iéster ( - P - 0 - P - ) que se form an entre el fosfato de u n nucleótido y el azú car del nucleótido siguien te. El final del polím ero que term in a con un grupo fosfato se d enom ina final 5 -prim a (5'); el otro ex
Fosfato Azúcar (desoxirribosa)
trem o term in a con el azú ca r y es el extrem o 3'. Los ácidos nucleicos tien en u n a polaridad, d ad a por sus extrem os 5' y 3', que es u n a consideración im p o rtan te cuando analizam os los procesos bioquím i cos im p licad o s en la función de los ácidos nucleicos.
El DNA es una doble a-hélice que se empaqueta en cromosomas N orm alm ente el DNA se en cu en tra dentro de las células como un polím ero de cadena doble (Figu r a 2.33) en la cual los enlaces de hidrógeno conec ta n las dos h eb ras. Cada nucleótido específico sólo p uede establecer p uentes de hidrógeno con uno de los otros nucleótidos. Se form an tres p u en tes de h i drógeno entre G y C, y sólo dos p u en tes de h id ró geno entre A y T. Cuando u n a cadena de DNA se en cu en tra con su cadena com plem entaria, éstas p u ed en fo rm ar p u en tes de hidrógeno o aparearse. Este ap aream ien to de las dos h e b ra s es u n a re o r ganización antiparalela, donde el extrem o 5 ' de
Surco menor
Enlaces de hidrógeno Surco mayor (a) Modelo esquemático
Esqueleto de azúcar-fosfato
(b) Diagrama Ribbon Fig u ra 2.33.
(c) Modelo espacial
E s tru c tu ra d e l D N A .
Cada cadena de DNA se une a otra, la cadena com plem entaria. Se form an enlaces de hidrógeno entre los pares de bases com plem entarlos. Hay dos enlaces entre A y T. Se form an tres enlaces entre C y G. La doble cadena de DNA se enrolla en una a-hélice, form and o un surco m enor entre las cadenas. El surco m ayor es el reflejo del giro periódico de la hélice.
C A P ÍTU LO 2
u n a cad en a se asocia con el 3' de la o tra cadena. La doble cadena de DNA se enrolla en u n a a-hélice con dos características topológicas: un surco m ayor y u n surco m enor. Las dos cadenas de DNA se p re se n tan como ondas, se p a ra d a s po r depresiones. Este contorno de las dos h e b ra s form a el surco m e nor. El surco m ayor resu lta del p a tró n de giro de la a-hélice. Cada diez p a re s de bases, u n a distancia próxim a a 3,6 nm , la hélice com pleta un giro for m ando el surco m ayor con form a de silla. Las va riaciones en la secuencia de nucleótidos causan p eq u eñ as alteracio n es regionales en la form a del DNA y en la topología de los surcos m ayor y m enor. Esta variación estru ctu ral es inform ación que u san las p ro teín as que se u n en al DNA p a ra en sam b lar se en el p unto correcto y reg u lar la expresión de ge nes específicos. El DNA en las células anim ales está fu ertem en te condensado en estru ctu ras com pactadas con la ayuda de p ro teín as que se u n en al DNA llam adas h isto n a s (Figura 2.34). Si quisiéram os desenrollar todo el DNA de u n a célula de m am ífero, las cade n as p o d rían estirarse varios m etros. Las largas h e b ra s de DNA se enrollan en torno a las histonas, con form a de b arril, h a s ta fo rm ar u n a estru ctu ra que recu erd a u n collar de perlas. E stas h e b ra s es tá n entonces enro llad as y plegadas en u n a estru c tu ra fuertem en te com prim ida, lo cual tiene dos v en tajas principales p a ra las células. En p rim e r lu gar, esto perm ite a la célula p o rta r g ran d es canti dad es de DNA en u n volum en pequeño. En segundo lugar, protegiendo el DNA con h istonas se ayuda a red u cir el daño causado p o r la rad iació n y las su s tan cias quím icas. Sin em bargo, en esta conform a ción co m p rim id a el DNA es bio q u ím icam en te inerte; no pu ed e actu ar como m olde p a ra la sín te sis de RNA (transcripción) o la síntesis de DNA (re plication). Las células p u ed en u sa r enzim as que m odifican las h isto n as p a ra lib erar el DNA de és tas, y de este m odo reg u lar la expresión génica.
La química de la vida
El DNA está organizado en genomas El repertorio completo del DNA en una célula se llama genom a. Dentro del núcleo, el genom a está dividido en segm entos separados de DNA llam ados crom oso m as (Figura 2.35). En los crom osomas están los ge nes, los cuales poseen las secuencias de DNA que se usan p ara producir todos los tipos diferentes de RNA, incluido el mRNA que codifica las proteínas. Cada gen tam bién posee regiones de DNA llam adas prom otores que determ inan cuándo se expresa el gen. Muchos genes están divididos en múltiples segmentos en el m ismo cromosoma. Los segm entos que codifican el RNA se conocen como exon es, y los segm entos de DNA intercalados se llam an intrones. En la m ayoría de los anim ales los genes ocupan m enos de la m itad del genom a. La m ayor p arte del genom a es una mezcla de diferentes tipos de DNA aleatorio y repetido. Mucho de este DNA no sirve p a ra ninguna función conocida y a m enudo se lo lla m a DNA basura. En el reino anim al las variaciones del tam año del genom a son de m ás de 6.000 veces (Figura 2.36). El genom a m ás pequeño se encuentra en uno de los anim ales m ás simples, los placozoanos, un tipo de esponjas que tienen sólo unos 0,02 pg de DNA por célula. El m ayor genom a de los anim ales, unos 133 pg por célula, pertenece a un pez pulm onado africano. Sorprendentem ente, hay poca relación en-
DNA
codificante
bxones
codificante
Gen (b) Gen Fig u ra 2.35. Fig u ra 2.34.
E s tru c tu ra de la c ro m a tin a .
La doble cadena de DNA está enrollada alrededor de las histonas fo rm a n d o la crom atina.
C ro m o s o m as y g e n es .
Los crom osom as poseen regiones estructurales, com o los centróm eros y los telóm eros, además de regiones no c o d ifi cadas y genes.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Mamíferos
□
□
Aves Reptiles Ranas Salamandras
□
Peces pulmonados Teleósteos Condrictios
□
Agnatos Cordados no vertebrados Crustáceos Insectos Arácnidos Miriápodos Moluscos
bólicas son redes enzim áticas en las cuales cada sustrato se transform a en un producto que se convierte en sustrato de otra enzim a. Cuando m i ram os el proceso de form a global, vem os los sustratos iniciales, los productos finales y u n a serie de in term ediarios de vida corta. El movi m iento a través de u n a vía se llam a flujo m etabólico. Las leyes de regu lación enzim ática perm iten a los o r ganism os m ed iar en el flujo del esqueleto carbonado y la energía a través de las com plejas vías m etabólicas. Aunque nos centrem os en las enzim as del m etabolism o interm e diario, es im portante reco rd ar que las m ism as reglas rigen p a ra cual quier enzim a.
Anélidos Equinodermos
Las enzimas son catalizadores orgánicos que aceleran las reacciones químicas
Tardígrados Gusanos planos
Las enzim as, como otros tipos de ca talizadores, tienen tres propiedades: (1 ) son activas a m uy baja concen Cnidarios tración dentro de la célula; (2) incre Esponjas m entan la velocidad de la reacción _ i----------------------- 1------------------------1— pero ellas m ism as no se alteran en el 1(T2 1CT1 1 10 102 103 proceso; (3) no cam bian la n atu rale Tamaño del genoma (pg) za de los productos. M uchas de las Fig u ra 2.36. Ta m añ o de los g e n o m a s en el re in o a n im a l. reacciones quím icas catalizadas por El tam año de los genom as en los anim ales puede variar am pliam ente y no existe enzim as suceden en todos los orga una relación entre el tam año del genom a y la com plejidad. La lo ngitud de las barras nism os vivos. Por ejemplo, todos los representa el rango en el tam año de los genom as m edido en picogram os (pg). organism os, desde las bacterias a los anim ales, necesitan producir en er gía y m odificar m acrom oléculas p a ra form ar células. tre el tam año del genom a y la complejidad del ani No es sorprendente que m uchas de las enzim as que mal. Por ejemplo, tanto los genom as m ás grandes catalizan reacciones quím icas esenciales del m eta como los m ás pequeños pertenecen a peces. El ge bolismo interm ediario sean m uy sim ilares entre to n om a del pez globo tiene sólo un 0,3% del tam año dos los organism os vivos. del genom a del pez pulm onado. Tampoco hay rela Aunque algunas enzim as, llam adas ribozimas, ción entre el núm ero de crom osom as y la compleji son RNA, la m ayoría de las enzim as están form adas d ad del anim al. Los h u m an o s poseem os 46 crom osom as. Algunos ciervos sólo tienen 6 , m ien por proteínas. Los com ponentes no proteicos de las enzim as, llam ados cofactores, tam bién participan tra s que las carpas pueden ten er m ás de 100 . en m uchas reacciones (Tabla 2.6). Muchos cofacto res están unidos indirectam ente con enzim as, pero si están unidos covalentem ente a la enzim a, al coEnzimas factor se lo denom ina grupo p rostético. Los cofac tores pueden ser m oléculas orgánicas, llam adas Las en zim a s son catalizadores biológicos que tra n s coen zim as, que norm alm ente derivan de vitam inas. form an u n sustrato en u n producto. Las vías m etaRotíferos
Nemátodos
□
W- l l
C A P ÍTU LO 2
T a b la 2 .6 .
La química de la vida
C o fa c to re s h a b itu a le s y c o fa c to re s d e p e n d ie n te s de e n z im a s y p ro te ín a s .
Cofactor
Enzima u otra proteína
Iones inorgánicos Cobre
Citocromo oxidasa, superóxido dism utasa
Hierro
Catalasa, hemoglobina, mioglobina
Magnesio
ATPasa de Na+/K+ , hexoquinasa
Zinc
Superóxido dism utasa, anhidra carbónica
Selenio
Glutatión peroxidasa
Coenzimas orgánicos (vitaminas) Coenzima A (ácido pantoteico)
Piruvato deshidrogenasa
Biocitina (biotina)
Piruvato deshidrogenasa
FAD (riboflavina)
Succinato deshidrogenasa, Acetil-CoA deshidrogenasa
NAD (niacina)
Lactato deshidrogenasa, complejo I
Tetrahidrofolato (ácido fólico)
Timidilato sintetasa
Piroxidal fosfato (vitamina B6)
Aspartato am inotransferasa
Metilcobalamina (B12)
Metionina sintetasa
Debido al papel central que las vitam inas juegan en la función enzim ática, las deficiencias vitam ínicas pueden cau sar enferm edades que am enacen la su pervivencia. Iones inorgánicos, como los m etales de zinc, hierro y cobre, son tam bién cofactores h ab i tuales que ayudan en la transferencia de electrones.
Las enzimas aceleran las reacciones reduciendo la energía de activación de la reacción Las leyes de la term odinám ica que gobiernan las re acciones quím icas en los tubos de ensayo, tam bién se aplican a las reacciones quím icas en las células vi vas {véase la Caja 2.1). Las enzim as no determ inan cuándo u n a reacción es o no term o dinám icam ente posible. Sin em bargo, las enzim as tienen la capaci dad de acelerar las reacciones term odinám icam ente viables en factores de 108 a 10 12. A nteriorm ente hem os visto como los sustratos m oleculares en una reacción no catalizada pueden obtener suficiente energía p a ra alcanzar la energía de activación (Ej). Cuando se alcanza EA, el sustrato puede ad o p tar el estado de transición y tran sfo r m arse espontáneam ente en el producto. Aunque la reacción enzim ática usa el m ism o sustrato y da el m ism o producto que u n a reacción no catalizada, va
a seguir una vía diferente. Las reacciones enzimáticas producen un estado interm edio diferente al esta do de transición. Prim ero, la enzim a (E) y el sustrato (S) se unen p a ra form ar el complejo ES. D espués de p a s a r po r los estados de transición (ES*, EP*) se for m a el producto final (P) y se libera de la enzim a. Esto puede representase como sigue: S+ E
ES
ES *
EP *
EP
E + P
La energía requerida p a ra alcanzar el estado in ter m edio es m enor que en las reacciones no catalizadas (Figura 2.37). Con u n a b a rre ra energética menor, m uchas m ás m oléculas de sustrato poseen energía suficiente p a ra alcanzar el estado de transición, y la reacción se acelera. Como en otras reacciones quí m icas, las reacciones enzim áticas son reversibles. La reacción inversa de P -» S im plica los m ism os pasos interm edios. Una reacción enzim ática com ienza con la unión del su strato a u n a localización específica llam ada sitio activo. Podem os im aginarnos el sitio activo como un bolsillo dentro del cual encaja el sustrato. La enzim a puede u n irse al sustrato sólo si éste po see la conform ación ad ecuada. El plegam iento tr i dim ensional de la enzim a, m antenido po r enlaces débiles, form a el sitio activo. Una vez unido el sus-
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Caja 2.1 Refuerzo m atem ático Term odinámica Todas las reacciones químicas, tanto en los tubos de ensayo com o en los sistemas vivos,
las reacciones que suceden espontáneamente poseen un AG negativo, por lo que liberan energía libre.
están dirigidas por las leyes de la termodinámica. La primera ley
Los químicos evalúan estos parámetros en condiciones
de la termodinámica trata de la conservación de la energía. La
e s tán d a r. La energía libre estándar, AG°, se calcula a 25 QC, con
energía que tiene un sustrato es siempre o transferida al pro
cada uno de los reactivos, incluido el H+, en concentraciones de
ducto o liberada. La primera ley no nos dice si la reacción va en
1 M. La concentración de protones usada por los químicos es
un sentido o en otro, sólo que las transformaciones energéticas
equivalente a un pH de 0, lo cual no es relevante para los sis
deben estar en equilibrio. La segunda ley de la termodinámica
temas biológicos. Cuando usamos las leyes de la term odinám i
nos proporciona una forma de predecir si una reacción va a
ca para estudiar sistemas biológicos, los parámetros deben ser
ocurrir o no. Dice que los procesos espontáneos se producen
alterados para reflejar las condiciones celulares normales.
en la dirección en que aumenta el desorden, o e n tro p ía (AS).
Cuando los bioquímicos ajustan AG para condiciones estándar,
En este capítulo veremos muchos ejemplos de incremento de
incluyendo un pH de 7, el símbolo que se usa es AG°'.
entropía. Cuando disolvemos sal en agua o en hielo semifundi-
Es importante distinguir entre AG y AG °' cuando estudia
do, las moléculas que estaban en orden en el cristal, empiezan
mos reacciones químicas. El valor AG0' es una constante. Nos
a dispersarse. La difusión también ilustra el principio del incre
dice cuánta energía libre está disponible cuando la reacción co
m ento espontáneo de la entropía. Los solutos en alta concen
mienza en condiciones estándar. El valor de AG, la energía libre
tración tienden a dispersarse hacia las zonas de baja
real de una reacción en la célula, depende de las concentracio
concentración. En conjunto, estas leyes nos hablan de que la
nes de reactivos. Si una reacción está cerca del equilibrio, en
energía total del universo es constante pero tiende al desorden.
tonce AG es igual a 0. Para la reacción:
¿Qué tiene que ver esto con las reacciones químicas? Como hemos explicado antes, las reacciones químicas espon
A + B :
=Y + Z
táneas liberan energía térmica. Parte de esta energía térmica
la relación entre AG, AG °' y la concentración se define por la
es utilizada en el sistema para aum entar el desorden o en
siguiente ecuación, donde fíe s la constante de los gases:
tropía. El resto de la energía term al se denomina e n e rg ía libre (AG) ya que está disponible para otros procesos. La ecuación que relaciona la entalpia (AH), la entropía (AS), la energía libre (AG) y la temperatura (7") fue propuesta por primera vez en 1878 por J. W illard Gibbs.
AG = AG0'
[Y ][Z ] ' [A ][B ]
Cuando la reacción está en equilibrio AG = 0 y la ley de acción de masas es igual a /Cq, la reacción se simplifica a:
A H = A G + TAS En esta ecuación vem os dos factores que influyen en los
0 = AG°' + fíT \n K
procesos biológicos. Primero, el cambio de la energía asociado al desorden depende de la temperatura. Esto se debe a que la potencia de una cantidad dada de energía termal, o capacidad
AG0' = —fíT\n Keq
para inducir el desorden, depende de la temperatura. La
Podemos m edir la /Ceq directam ente perm itiendo que la re
energía térmica es más efectiva induciendo la entropía a baja
acción alcance el equilibrio. El valor de AG0' puede calcularse a
temperatura. El segundo principio es evidente si reescribimos
partir de la anterior ecuación. Conocidos /Ceq y AG0', podemos
la ecuación para despejar A G.
calcular la cantidad de energía libre real AG disponible para la reacción para cualquier concentración de reactivos.
A G = A H - TAS La cantidad de energía libre disponible en una reacción es la
Recordemos que AG representa la cantidad máxima de energía libre teóricam ente disponible para una reacción, a una
diferencia entre el cambio total de energía y la cantidad de
presión y temperatura constantes que se aproximan a las con
energía asociada con el cambio en el desorden. Esta ecuación
diciones encontradas en la célula. Las células usan enzimas
nos perm ite predecir si una reacción ocurrirá espontánea
para regular las reacciones químicas y transferir tanta energía
mente. Si una reacción va a ocurrir espontáneamente la
com o sea posible a otras form as útiles. Algunas enzimas regu
cantidad de energía que potencialmente liberará (AH) debe ser
lan reacciones que almacenan la energía com o energía quími
mayor que la energía usada para increm entarla entropía (TAS).
ca, com o el ATP o el NADH. La energía libre también puede
Hay que destacar que las reacciones exotérmicas, aquellas que
utilizarse para crear gradientes electroquímicos. La capacidad
liberan calor, tienen un A H negativo. De igual modo, las reac
para transform ar la energía libre en form as útiles es primordial
ciones que liberan energía libre tienen un AG negativo. Todas
para el éxito de los organismos vivos.
C A P ÍTU LO 2
Fig u ra 2.37.
E nzim a s y E A.
Las enzimas son catalizadores biológ icos que aceleran las reacciones sin cam biar la naturaleza de los productos. Cuan do el sustrato (S) se une a la enzima (E), se fo rm a el com plejo enzim a-sustrato (ES). La enzima altera al sustrato a través de una serie de estados de transición, y al final libera al producto (P). La velocidad es m ayor que en las reacciones no cataliza das, ya que dism inuye la energía de activación (EA).
trato , la enzim a induce u n cam bio en la estru ctu ra m olecular de aquél. El cam bio puede ser ta n sutil como u n d esplazam iento en la distribución de elec tro n es a trav és en u n enlace específico del sustrato. Esto puede llevar a que la m olécula de su strato se gire o se doble. Induciendo este sutil cam bio en la estru ctu ra del su strato , las enzim as hacen al su s trato m ás susceptible de exp erim en tar esp o n tán ea m en te m ás cam bios significativos. M uchas enzim as con m últiples su stra to s aceleran las reacciones lle vando p ares de reactivos desestabilizados y m uy próxim os en la conform ación adecuada. Juntos, es tos cam bios in crem en tan la probabilidad de que el su strato su fra u n cam bio m ayor en la estru ctu ra en la form ación de EP*.
La química de la vida
La form a m ás simple de influir en una reacción enzim ática es cam biando las concentraciones de sustratos (S) y productos (P). Usamos las reacciones S -» P p a ra ilustrar la im portancia de las concentra ciones del sustrato [S] en dos situaciones experi m entales. La p rim era situación m uestra cómo la tran sfo r m ación de S a P, o el aum ento de [P], influyen en la velocidad de la reacción (Figura 2.38). La reacción com ienza cuando la enzim a (E) se une a S, form an do un complejo ES y liberando P. Según avanza la r e acción, las m oléculas de P se vuelven m ás abundantes y acaban com pitiendo con las m oléculas de S por el m ism o sitio activo. Finalm ente la re a c ción se acerca al equilibrio, donde la velocidad de las reacciones directa e inversa es la m ism a y la ley de acción de m asas es igual a K ^. Podemos determ inar la velocidad de la reacción directa a p artir de la p e n diente de la curva. Antes de la acum ulación P la ve locidad de la reacción directa se denom ina velocidad inicial y se rep re sen ta por V. La segunda situación m uestra cómo la [S] inicial influye en la velocidad enzim ática (Figura 2.39). El experim ento descrito previam ente se repite m uchas veces usando un amplio rango de [S] iniciales. In crem entando [S] de bajas a altas concentraciones, provocam os un increm ento proporcional en V. En estas condiciones u n a m ayor [S] increm enta la fre cuencia con la cual las m oléculas de S encuentran el
La cinética enzimática define la actividad enzimática Las enzim as aceleran la velocidad de reacción y po sibilitan reacciones que no sucederían a velocidades habituales. Sin em bargo, las células deben aseg u rar se de que las reacciones enzim áticas no suceden a la m áxim a velocidad posible, sino a la velocidad ap ro piada. Por eso, la actividad enzim ática se regula con ru tas m etabólicas complejas. Las condiciones que influyen en la velocidad de las reacciones se deno m inan cinética enzim ática.
Fig u ra 2.38.
T ra n sc u rs o d e l tie m p o de una re a c c ió n
e n z im á tic a .
Un ensayo enzim ático se inicia con la adición de un sustrato a la reacción. La enzima convierte rápidam ente el sustrato (S) en producto (P). La acum ulación de [P] ralentiza eventual m ente la reacción, al com petir P por el s itio activo de S. La velocidad inicial ( t/) es la más alta porque P todavía no se ha acum ulado.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Michaelis y M enten como im a hipérbole rectangular. La ecuación Michaelis-M enten es:
Concentración de sustrato (m M )-------► Figura 2.39.
H ip é rb o la re c ta n g u la r de M ic h a e lis -M e n t e n .
Cada pun to en la curva representa la velocidad inicial ( V) calculada com o m uestra la Figura 2.42. La velocidad m áxim a ( Knax)es 'a velocidad a la cual la curva alcanza una asíntota. La Kmes la [S] requerida para alcanzar una velocidad que es la m itad de la velocidad m áxim a.
sitio activo. Sin em bargo, a p artir de cierto punto los increm entos en [S] ya no causan increm entos pro porcionales en V. La m ayor abundancia de m olécu las de S todavía increm enta la probabilidad de una colisión con E. Sin em bargo, si S se encuentra con E en m edio de u n ciclo de reacción, la enzim a es inca paz de un irse con S. Finalm ente E está saturado con m oléculas S, y posteriores increm entos en la [S] no increm en tan V m ás allá de u n a velocidad m áxim a (FmJ . Cuando las encim as están a Vma3¡, cada m olé cula de enzim a tiene u n núm ero característico de ci clos catalíticos por unidad de tiem po, conocido como núm ero de ciclos, o krM. Una célula puede alcanzar u n a alta velocidad de actividad enzim ática de dos m aneras. Algunas enzi m as actúan m uy rápido y m uestran un alto kat. La célula no necesita m uchas m oléculas de enzim a ya que cada m olécula funciona rápidam ente. Las enzi m as m ás ráp id as pueden desarrollar m ás de 40 m i llones de ciclos catalíticos p o r segundo. De form a alternativa, las células pueden hacer m uchas copias de u n a enzim a con im bajo k rM. La im portancia rela tiva de cada estrategia (enzim as rápidas versus m ás enzim as) depende de la natu raleza de la reacción y del diseño de la enzim a. La relación entre [S] y V fue descrita m atem áti cam en te p o r p rim e ra vez p o r los bioquím icos
El valor de Km es la concentración de sustrato [S] re querida p a ra conseguir un a velocidad inicial (V) que sea la m itad de la velocidad m áxim a (Vmlu¡). Km es un indicador de la afinidad de la enzim a po r el su stra to. Un Km bajo significa que la enzim a tiene un a alta afinidad por el sustrato y que necesita poco sustrato p ara desarrollar la reacción a un a velocidad alta. La reacción Michaelis-Vienten es u n a h e rra m ienta útil p ara establecer la relación entre las propiedades de las enzim as y las condiciones fisioló gicas reguladoras. Los valores de Vmax y Km p ropor cionan im p o rta n te inform ación acerca de las propiedades bioquím icas de u n a enzim a. D esgra ciadam ente es difícil determ inar Km y Vmax ajustando los datos experim entales a un modelo de hipérbola rectangular. Hay que destacar que el valor de Vmax se obtiene de la asíntota de los datos experim entales. La velocidad Vmax real es difícil de d eterm inar direc tam ente ya que se da a [S] infinitam ente altas (la asíntota). En consecuencia, el valor de Km, la [S] re querida p ara alcanzar 0,5 V ^ , tam bién es difícil de d eterm inar directam ente a p artir de u n a hipérbola rectangular. A fortunadam ente podem os reescribir la ecuación Michaelis-M enten con los ejes de [S] y V, p ara g enerar u n a relación lineal. El gráfico de doble recip ro cid ad , obtenido p o r p rim e ra vez por Lineweaver y Burk, proyecta 1/[S] frente a 1/V (Figura 2.40). Los valores de Km y Vmax pueden ser determ inados m atem áticam ente por el corte en el eje x ( - 1 /Km) y el corte con el eje y (1/Vm„). Con el gráfico de doble reciprocidad y otras versiones linealizadas de la relación M ichaelis-Menten, los investi gadores pueden estudiar m ejor el im pacto de las m oléculas reguladoras en las propiedades de las en zim as. No todas las enzim as m uestran cinéticas h ip er bólicas de tipo M ichaelis-Menden. Por ejemplo, las enzim as hom otróficas m uestran u n a relación sig m oidal entre V y [S] (Figura 2.41). Las enzim as ho m otróficas tienen típicam ente m últiples subunidades que pueden cada u n a de ellas unirse a u n a m olécula sustrato. A bajas [S], cada sitio activo tiene u n a baja afinidad por S. La enzim a no se une a S con facilidad y la velocidad de reacción es baja. Cuando una subunidad se une a un a m olécula de S el cambio conform acional increm enta la afinidad po r el sustra-
C A P ÍTU LO 2
[S] Fig u ra 2.40.
G rá fic o de L in e w e a v e r -B u r k .
Cuando los datos de la Figura 2.34 se vuelven a calcular usan do los ejes recíprocos de V y [S] el resultado es una relación lineal. Los valores de Kmy Vmax pueden derivarse de su in ter sección con el e je x (-1 //C m) y el eje y ( W max).
to de las otras subunidades. La enzim a trab aja a ve locidades progresivam ente m ayores con cada unión a u n a m olécula S. Este fenóm eno, donde las enzim as m u estran u n increm ento de la afinidad hacia S se gún se increm enta [S], se conoce como cooperatividad. El grado de cooperatividad se define por el
La química de la vida
coeficiente de Hill, que es la pendiente de la relación en el punto de inflexión. La cinética de las enzim as se determ ina en con diciones experim entales cuidadosam ente controla das, que no se parecen a las condiciones celulares norm ales. In terp retar el im pacto de la cinética de las enzim as en las células vivas suele ser difícil. Las con diciones necesarias p a ra evaluar Vmax requieren que [P] sea igual a 0. lo que nunca sucede en células vi vas. Por tanto, las enzim as en las células casi nunca pueden funcionar a Vmgx. Al igual que con otras re acciones químicas, la velocidad y dirección de la re acción enzim ática dependen de la diferencia entre la ley de acción de m asas, que se calcula a p artir de las [S] y [P] reales, y el valor de Keq, que son las [S] y [P] esperadas cuando la reacción alcanza el equilibrio. En u n a rea cció n cerc a d el equilibrio, la ley de ac ción de m asas está próxim a a íTeq; las reacciones di recta e inversa continúan a velocidades iguales, con poco cam bio neto en [S] o [P]. La m ayoría de las re acciones enzim áticas están lejos del equilibrio en las células. Si la ley de acción de m asas es m enor que la Keq’, entonces la reacción sucederá en sentido directo. Cuando la ley de la acción de m asas es m ayor que la ÍT , la reacción tiende a ocurrir en el sentido in verso. A lterando las concentraciones de sustratos y productos, las células pueden regular las actividades de las enzim as y las ru tas metabólicas.
El ambiente fisicoquímico altera la cinética enzimática
[S] Fig u ra 2.41.
E nzim a s h o m o tró p ic a s y c in é tic a s ig m o id a l.
No todas las enzimas siguen la cinética de M ichaelis-M enten. Las enzimas hom otrópicas tienen una cinética sig m oidal. Las enzimas tienen norm alm ente varios sitios de activación. Cuando la enzima se une a una m olécula de S, los cam bios en la conform ación increm entan la capacidad de unión de una segunda m olécula de S. La pendiente del tra m o lineal de la curva in dica el grado de cooperatividad. La pendiente de esta región proporciona el coeficiente de Hill.
La cinética enzim ática puede ser m uy sensible a las condiciones am bientales, como tem peratura, pH, concentración de sal y presión hidrostática. Cada en zim a tiene u n a actividad óptim a característica bajo u n conjunto específico de condiciones am bientales (Figura 2.42). Algunas enzim as funcionan óptim a m ente en condiciones sim ilares a las norm ales en la célula. Por ejemplo, las enzim as de los m am íferos a m enudo funcionan óptim am ente a las tem peraturas corporales norm ales de 37-40 °C. Sin em bargo, las condiciones óptim as de m uchas enzim as guardan poca similitud con las condiciones celulares norm a les. Algunas enzim as de m am íferos tienen tem p era tu ras óptim as muy por debajo de las tem peraturas norm ales corporales. Las condiciones am bientales influyen en la ciné tica enzim ática de m uchas m aneras diferentes, que a m enudo afectan a los enlaces débiles. En prim er lu gar, los cam bios en los enlaces débiles pueden alterar la estructura tridim ensional de la enzim a. Por ejem-
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
[KCI] (M)
(a)
tercer lugar, las condiciones am bientales pueden al terar la capacidad de la enzim a p ara desarrollar los cam bios estructurales necesarios p a ra la catálisis. Las enzim as deben ser lo suficientem ente rígidas p ara m antener la conform ación adecuada, pero lo suficientem ente flexibles p ara desarrollar cambios conform acionales durante la catálisis. Muchos de los estudios acerca de los efectos de las condiciones am bientales se h an centrado en los efectos de la tem p eratu ra en la enzim a lactato des hidrogenasa, o LDH. Esta enzim a tiene un im por tante papel en el m etabolism o de la glucosa, que se tra ta rá con m ás detalles en el Capítulo 3. Cataliza la siguiente reacción reversible: Piruvato + NADH+ + H +
Temperatura (°C) (b) Fig u ra 2.42.
lactato + NAD+
Las condiciones am bientales pueden cam biar el va lor de Km del LDH p ara el piruvato y el NADH+. Un descenso de la tem p eratu ra increm enta la afinidad de la enzim a por su sustrato piruvato (Figura 2.43). Cuando se com paran los efectos de la tem p eratu ra en el Km de diferentes especies se observan varias pautas. En prim er lugar, en cada especie el valor de Km dism inuye al aum entar la tem peratura. En se gundo lugar, a cualquier tem peratura, cada especie m uestra un valor de Km m uy diferente. Por ejemplo, a 15 °C el LDH de los peces antárticos tiene un alto Km, el LDH de los peces de agua tem pladas tiene un Km interm edio, y el LDH del lagarto del desierto tie ne un Km bajo. En tercer lugar, cuando el LDH de
E fe cto s de la s a l y la te m p e ra tu ra en la
c in é tic a e n z im á tic a .
La enzima m alato deshidrogenasa (MDH) cataliza la reacción oxalacetato + NADH+ NAD+ + malato. (a) La a ctividad de la MDH de conejo cam bia en respuesta a las concentraciones de la sal KCI. La actividad m áxim a tiene lugar cuando la concentración es sim ila r a la concentración celular (100-150 m M K+). (b) El increm ento de tem peratura acelera la MDH. Más allá de la tem peratura óptim a, la enzima se desnaturaliza y pierde su actividad catalítica.
pío, las tem p eratu ras altas pueden rom per enlaces necesarios p a ra form ar el sitio activo. En segundo lu gar, las condiciones am bientales pueden alterar el es tado de ionización de am inoácidos críticos del sitio activo. Por ejemplo, el am inoácido histidina es im p ortante en m uchos sitios activos, y los cam bios en el pH pueden alterar su estado de protonización y, por tanto, su afinidad por el sustrato. Cualquier cambio am bientalm ente inducido en el K , tanto increm en tándolo como reduciéndolo, puede ser perjudicial. En
Temperatura (°C) Fig u ra 2.43.
C o n s e rv a c ió n d e l K m.
El Km de una enzima cam bia a m enudo con la tem peratura. Para una serle de especies no relacionadas, el Km del piruvato se Increm enta al aum entar la tem p era tura; es decir, a una tem peratura elevada la LDH es m enos capaz de u n ir p iru vato. Sin em bargo, cuando observam os los valores cinéticos que tendrían con la tem peratura real del cuerpo del anim al, encontram os que los valores de Km son m uy sim ilares entre las especies. {Fuente: Datos de Hochachka y Som ero, 2002).
C A P ÍTU LO 2
cada especie es observado a su tem p eratu ra corpo ral norm al, los valores de Km resultantes caen dentro de u n estrecho rango entre 0,1 y 0,3 mM. La v aria ción evolutiva en la estructura del LDH es la causan te de las diferencias entre las especies. E stas variaciones estructurales proporcionan a todas las especies u n a enzim a que m uestra u n a cinética sim i lar en sus condiciones n aturales. Esta pauta, conoci da como con servación d el Á'm, es com ún cuando se com paran las cinéticas de las enzim as de diferentes anim ales.
La regulación alostérica y covalente controlan la velocidad enzimática Las m oléculas que no participan directam ente en la catálisis pueden tam bién m odificar la cinética de las enzim as. Los in h ibid ores com p etitivos son m olé culas que pueden unirse al sitio activo, evitando la unión de las m oléculas sustratos (Figura 2.44a). La efectividad de u n inhibidor competitivo depende de [S]. Cuando [S] es baja, el inhibidor desplaza a S del sitio activo, y reduce la velocidad de reacción. A [S] m uy altas, la inhibición p o r el com petidor se reduce enorm em ente. Por tanto, un inhibidor competitivo increm enta Km pero no afecta a Vmaí¡. Los reg u la d o res a lo stérico s son m oléculas que alteran la cinética de las enzim as uniéndose a la proteín a en lugares distantes del sitio activo. El regula dor alostérico altera la estructura tridim ensional de la enzim a e induce cam bios complejos en la cinética enzim ática. Por ejemplo, un activador alostérico puede in crem en tar la afinidad de la enzim a por el sustrato, como se ve en la Figura 2.44b. Los efectores alostéricos pueden activar o inhibir la actividad de las enzim as, cam biando tanto Km como KmBx. Las enzim as a m enudo poseen diversos sitios p a ra los diferentes reguladores alostéricos. Las enzim as con troladas p o r reguladores alostéricos suelen ser m ás grandes y com plejas que las otras enzim as. Cada ru ta m etabólica está norm alm ente regulada por una o v arias enzim as alostéricas clave. Las enzim as tam bién pueden ser reguladas por la modificación covalente de residuos de am inoáci dos clave en la proteína. El tipo m ás com ún de m o dificación covalente es la fosforilación. Casi la m itad de las enzim as conocidas están reguladas po r la fos forilación. En la fosforilación de una proteína, una enzim a específica p rotein q u inasa transfiere el gru po fosfato desde el ATP a la enzim a específica. Por ejemplo, la tirosín quinasa es una enzim a regulado ra que fosforila las p roteínas d iana en el residuo de
La química de la vida
tirosina específico. Otra clase com ún de protein qui n asa es específica p ara los residuos de treonina y serina. La fosforilación de las proteínas es reversible. Las células poseen conjuntos de p rotein fosfa ta sa s que elim inan los grupos fosfatos desde los residuos de am inoácidos fosforilados. M uchas enzim as en puntos clave de las ru tas m etabólicas están regula das po r la fosforilación. Los efectos de la fosforila ción dependen de la enzim a y del sitio específico de fosforilación. Como verem os en capítulos posterio res, la fosforilación tam bién regula m uchas proteí n as no enzim áticas. Adem ás ésta influye en la capacidad de un a proteína p ara interaccionar con otras m acrom oléculas, como proteínas o DNA. En el Capítulo 4: “H orm onas y señalización celular”, dis cutirem os cómo las protein quinasas y protein fosfa ta sa s tran sd u cen las señales horm onales entre receptores y efectores.
Las enzimas transforman los nutrientes reduciendo energía Los nutrientes de la dieta proporcionan la energía p a ra m an ten er los diversos procesos bioquím icos y fisiológicos. Las enzim as transfieren la energía des de los nutrientes a m oléculas que funcionan como al m acenes energéticos. E stas m oléculas ricas en energía son un a form a de intercam bio energético, actuando como sustratos y productos p a ra cientos de enzim as diferentes. Las células alm acenan en er gía química de dos form as principales: reduciendo energía y por enlaces ricos en energía. M uchas enzim as capturan la energía en form a de eq u iv alen tes de reducción: NAD, NADP, FAD y FMN. Los equivalentes de reducción se form an a p artir de u n a vitam ina y un nucleótido. El FAD y el FMN están fuertem ente enlazados, a veces covalentem ente, a la estructura de las enzim as. El NAD y el NADP son solubles, y se unen a las enzim as como sustratos y productor. Las enzim as alm acenan la energía en equivalentes de reducción trasform ándolos de un a form a oxidada (pobre en energía) a una form a reducida (rica en energía). Por ejemplo, el equivalente de reducción NAD puede ser transfor m ado desde la form a oxidada NAD+ a la form a red u cida NADH. De igual modo, el NADP+ oxidado es reducido p a ra form ar NADPH; el FAD+ oxidado es reducido p a ra form ar FADH,, y el FMN es reducido p a ra form ar FMNH,. Las enzim as que usan equiva lentes de reducción se conocen con el nom bre de oxidorreductasas e incluyen enzim as con los nom bres com unes de deshidrogenasa, reductasa y oxidasa.
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
Sustrato
Inhibidor-
Sitio activo
t
t
[S] Km Km (inhibido) (no inhibido)
(a) Inhibición competitiva
+ Activador
(b) Activación alostérlca
Fig u ra 2.44.
(Activador+) (No activador)
R e g u la c ió n e n z im á tic a .
(a) El in h ib id o r com petitivo es capaz de unirse al s itio activo de la enzima, y así evita que se una el sustrato real. A bajas [S], el in
hib id o r desplaza al sustrato. Sin em bargo, si [S] se increm enta hasta niveles m uy altos, el verdadero sustrato desplaza al in hibidor, y así estos reguladores no afectan a la Vmax. (b) Las enzimas alostéricas están reguladas por m oléculas que se unen a si tio s distantes del centro activo. El resultado son cam bios estructurales en la enzima que alteran sus propiedades cinéticas. En esta figura, los reguladores alostéricos activan la enzima increm entando la afinidad por el sustrato, lo que se m uestra en el g ráfi co com o un descenso en el Km. (c) M uchas enzimas están controladas por la fosforilación-defo sforilación. Las protein quinasas fosforilan la enzima diana tran sfiriendo un grupo fosfato desde el ADP a grupos h idró xidos específicos. Las protein fosfatasas eli m inan el grupo fosfato. En esta figura, la enzim a es activada por la fosforilación e increm enta enorm em ente la Vmax.
C A P ÍTU LO 2
La química de la vida
Considerem os las bases energéticas p a ra la reacción del NADH p resen tad as an teriorm ente en este capítu lo. La célula oxida lactato, produciendo piruvato, como el p rim er paso p ara liberar la energía alm ace n ad a en su estructura química. Lactato- -> piruvato- + 2H+ + 2e~ AG°' = - 3 6 kj/m ol La energía libre están d ar (AG°') negativa significa que se libera energía en esta reacción. Si esta reac ción sin catalizar sucede en un tubo de ensayo, la energía liberada se p erd erá como calor. Las células u san la enzim a LDH, m encionada anteriorm ente en este capítulo, p ara acoplar la oxidación del lactato a la reducción del NADH:
cooo-
CH2 I H -O — P— N — C— N
II
o
II
+n h 2
'
Fosfocreatina
NAD4 + 2e- + 2H+ -> NADH + H AG°' = + 6 2 kj/m ol O- H
Lactato + NAD4 >NADH + H + piruvato AG°' : + 2 6 kj/m ol Usando el LDH como catalizador, la célula acelera la velocidad de la reacción y libera energía alm acenada como NADH, en vez de p erder la energía en el medio. La energía liberada por la oxidación del lactato puede ser alm acenada en form a de NADH. La reacción in versa se ve favorecida por la energía libre positiva. El NADH en las células es un alm acén de energía reductora que puede utilizarse para la biosíntesis o la producción de energía. Cualquier enzima que usa NADH como sustrato puede explotar este recurso para proporcionar la energía reductora p ara una reacción. La energía reductora de la célula, o su estado redox, se expresa m ejor como la relación [NADH]/[NAD+], Cuando la célula es rica en energía reductora, la m a yor parte del NAD está en la form a reducida pro vocando u n a alta relación [NADH]/[NAD+]. En condiciones de necesidad energética, la relación [NADH]/[NAD+] es baja. Muchas enzim as implicadas en la generación de energía están reguladas por [NADH], [NAD+] o [NADH]/[NAD+], Esto perm ite a las rutas metabólicas celulares controlar el estado de energía, y responder consecuentemente alterando la tasa de producción energética.
El ATP es la molécula transportadora de energía libre Las células u san m uchos tipos diferentes de m olécu las p a ra alm acen ar la energía (Figura 2.45), pero el
i
-o—P—N
nh3 H H H H I C — N— C— C — C— C — H H H H | C
/ % O o
Fosfoarginina
Acetil CoA Fig u ra 2.45.
E n la c e s de a lta e n e rg ía .
Las células usan varias m oléculas ricas en energía, com o el ATP, la fosfocreatina, la fosfoa rginina y el acetil CoA, com o form as de Intercam bio de energía.
ATP es la m ás versátil de estas m oléculas ricas en energía y participa en incontables reacciones (véase la Caja 2.2). La síntesis de ATP requiere energía y la ro tu ra de ATP libera energía. ADP3- + HP042- + H 4 ATP4- + H ,0 AG°' = + 30,5 kj/m ol El ATP posee dos en la ces fosfod iéster. Algunas en zim as rom pen el enlace entre los grupos fosfato se gundo y tercero, form ando ADP. En algunos casos el fosfato inorgánico (P,) es liberado como producto, pero a m enudo este P, es transferido a otra m olécu la. Otras enzim as actúan sobre el enlace entre el pri-
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
C a ja 2 .2 Evolución y diversidad Bioluminescencia
M uchos animales diferentes son capaces de producir luz o b io lu m in is c e n c ia . La biolum iniscencia es com ún en organism os marinos, especial m ente del fondo marino, más allá de donde alcanza la luz del sol. En este m undo oscuro, los animales producen luz por m uchas razones. Los calamares usan la biolum iniscencia para com unicarse con otros calamares. Los peces de aguas profundas utilizan apéndices biolum iniscentes para atraer a las presas a su boca. Aunque la mayoría de las especies bio lum iniscentes se encuentran en los océanos, probable m ente
entendem os m ejor la biolum iniscencia en las
luciérnagas. Estas antorchas biológicas están alim entadas por la energía de la hidrólisis del ATP.
Pez luminiscente
En las noches cálidas del verano, las luciérnagas macho reposan en el suelo y activan esta ruta bioquímica para em i tir una patrón de em isiones luminosas específicas de la es pecie para atraer a las hembras. Algunas especies de luciérnagas im itan el patrón lum iniscente de otras especies, así las atraen con falsas señales y son devoradas por el pre dador. La luz es producida por células en la linterna, un órga no especializado del abdom en de la luciérnaga, que posee la enzima luciferasa y su sustrato la luciferina. En el prim er paso de la reacción, la luciferasa usa la energía química del ATP para activar la luciferina. La luciferasa usa entonces el oxígeno para convertir el adenilatoluciferil en oxiluciferina, produciendo luz. Varias especies del reino animal producen m uchos tipos diferentes de luciferina, lo que sugiere que esta reacción enzimática surgió repetidas veces en el curso de la evolución. Sin embargo, algunos animales marinos bio lum iniscentes no pueden producir sus propias luciferinas, y deben com erse a otros organism os biolum iniscentes para obtener sus sustratos biolum iniscentes. Algunas especies usan la biolum iniscencia en com bina ción con la fluorescencia para alterar las propiedades espec trales de la luz. Por ejem plo, la m edula Aequorea produce luz ultravioleta, pero una proteína especializada llamada GFP absorbe parte de esta luz y la em ite com o luz verde. El pez dragón rojo de aguas profundas tam bién usa la fluorescen cia para m odificar su biolum iniscencia. La luz verdeazulada se produce en los protocitos del pez dragón. Es reflejada ha cia la superficie pasando a través de una región rica en pro teínas fluorescentes. La luz verdeazulada es absorbida y em itida posteriorm ente com o luz roja.
La capacidad para m odificar el color de la luz perm ite a los peces dragón com unicarse entre sí. La luz roja del sol tiene tan poca energía que no penetra a grandes profundidades, y la mayoría de los animales del océano profundo han perdido la capacidad para detectar la luz roja. Sin embargo, el pez dragón ha m antenido la capacidad para ver en el rojo y pue de reconocer la señal de luz roja de otros peces dragón, m ientras que ésta es in detectable para sus presas o predadores. Referencias • Contag, C. H., and B. D. Ross. 2002. It's not just about anatomy: In vivo bioluminescence imaging as an eyepiece into biology. Journal of Magnetic Resonance Imaging 16:378-387. • Viviani, V. R. 2002. The origin, diversity, and structure function rela tionships of insect luciferases. Cell and Molecular Life Sciences 59: 1833-1850.
C A P ÍTU LO 2
m ero y el segundo grupo fosfato, form ando AMP y pirofosfato (PP¡). Debido a que estas reacciones de intercam bio de energía im plican la rotura de un en lace fosfodiéster, suelen denom inarse enlaces de alta energía. Es im portante recalcar que la energía no está alm acenada en el enlace en sí, sino que es libe ra d a cuando tiene lugar la hidrólisis del ATP (una reacción con m ucha energía libre negativa). Cada uno de estos com puestos fosforilados ricos en e n er gía posee u n a fuerte carga negativa, lo cual im pide a la m olécula atrav esar la m em brana celular. La utilización de u n m etabolito como el ATP es im portante, en p rim er lugar, p a ra evitar altas con centraciones de otros m etabolitos. La participación del ATP perm ite reacciones que de otro m odo serían term odinám icam ente desfavorables. En segundo lu gar, el ATP enlaza las principales ru tas m etabólicas que req u ieren energía celular, como las ru tas endergónicas de biosíntesis, con aquellas que generan energía, como los procesos exergónicos de catabolis mo de carbohidratos. Este ciclo de hidrólisis y sínte sis del ATP perm ite a los anim ales convertir la energía de la dieta en crecim iento y otras reacciones dependientes del ATP. La abundancia relativa de ATP refleja el estado energético de la célula. La concentración absoluta de ATP no es im portante lo que cuenta es la proporción relativa del conjunto adenilato (ATP + ADP + AMP) que existe en las form as ricas en energía ATP y ADP. El estado de ATP de la célula se expresa m ejor po r el p o ten cia l de fosforilación , la energía libre asocia d a con la hidrólisis de ATP (ATP —> ADP + P.):
AG” + RT\n
[ADP][P¡] [ATP]
El ATP es la form a m ás com ún de intercam bio de energía, pero los otros nucleótidos (GTP, TTP y CTP) tienen el m ism o valor energético, aunque sólo el GTP se u sa habitualm ente. Los derivados de guanidina fosforilada son im po rtan tes alm acenes de energía en m uchos anim a les. Los vertebrados u san la fosfocreatina y los invertebrados u san la fosfoarginina, la fosfoglicociam ina, la fosfotaurociam ina o la fosfolom bricina. Los com puestos de fosfoguanidina, cada uno con un en lace - P - N - , son útiles alm acenes de energía ya que no p articipan en m uchas de las reacciones de la cé lula. En consecuencia, las células pueden acum ular concentraciones m uy altas de fosfoguanidinas sin afectar a otras ru tas. La concentración de ATP, sin
La química de la vida
em bargo, se m antiene baja y relativam ente constan te. Cambios im portantes en la concentración de ATP p odrían ten er consecuencias cinéticas p a ra n um ero sas enzim as que u san el ATP como sustrato o p ro ducto. Por ejemplo, la concentración de ATP en los m úsculos de los vertebrados es típicam ente de unos 5 mM, m ientras que las concentraciones de fosfocre atina pueden ser de 10-50 mM. Los tejidos anim ales u san estos com puestos de alta energía cuando la ne cesidad de ATP sobrepasa tem poralm ente la capaci dad de producir ATP. Cuando los niveles de ATP descienden, la energía de la fosfoguanidina se tra n s fiere al ADP p a ra form ar ATP. En los vertebrados la fosfocreatín quinasa (CPK) cataliza esta reacción. Fosfocreatina + ADP ■
ATP + creatina
La acetil coenzim a A, o a cetil CoA, es otro alm acén im portante de energía. La energía se libera en reac ciones que hidrolizan su enlace tioéster ( - 0 - S - ) . Como verem os en capítulos posteriores, m uchas r u tas de biosíntesis y m etabolism o de energías se cru zan en el acetil CoA. En conjunto, los com puestos reductores de energía y los de alta energía dan so porte energético a m uchos procesos celulares.
Resumen Todos los sistem as biológicos dependen de la en er gía, y utilizan m uchas form as de energía cinética y potencial. Las redes nutricionales son esencialm en te tran sferen cia de energía quím ica entre organis m os. Las m oléculas poseen energía térm ica que se refleja en el m ovim iento molecular, y m uchos p ro cesos m etabólicos de las células son m ecanism os p a ra cap tu rar y tran sferir esta energía. Las células tam bién pueden alm acenar energía en form a de gradientes electroquím icos. La energía gravitatoria y la acum ulación de energía elástica se u san en la locomoción. Los enlaces químicos son las uniones entre áto m os que se form an como resultado de la distribución de los electrones. Los enlaces covalentes, que ap a re cen cuando los dos átom os com parten electrones, son fuertes en com paración con los enlaces débiles, que incluyen los puentes de hidrógeno, las fuerzas de van der W aals y las interacciones hidrofóbicas. Estos enlaces débiles son im portantes en el control de la estructura tridim ensional de las m acrom olécu las. Los enlaces débiles se form an y rom pen fácil
P R IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología A nim al
m ente como resp u esta a cam bios m oderados en la tem peratura. La vida en este planeta depende de las inusuales propiedades físicas del agua, como la presión de va por, la presión osm ótica y la densidad. La concen tración de solutos im pone retos osmóticos. Los organism os deben m odular sus soluciones biológicas p a ra regular la ionización del agua en H+y O H . Los cam bios en la concentración de protones, o pH, alte r a n m uchas propiedades m oleculares. Como conse cuencia, los anim ales tienen m uchos m ecanism os fisiológicos p ara regular el pH, incluyendo tam pones de pH. Las células utilizan los nutrientes p a ra obtener los elem entos esenciales de la biosíntesis y energía p a ra alim en tar los procesos m etabólicos. La princi pal form a de alm acenam iento de carbohidratos en las células anim ales es el glucógeno, un polím ero ram ificado de glucosa. Los lípidos son com bustibles vitales p a ra el m etabolism o de la energía. Los triglicéridos son im p o rtan tes alm acenes de energía en m uchos anim ales. Los fosfolípidos, como los fosfoglicéridos y los esfingolípidos, construyen las m em b ra n a s celulares. Los esteroides y sus p recursores d esarro llan m uchos papeles en las células, y las h o rm onas esteroideas son especialm ente im p o rtan tes en las señales celulares. Los ácidos nucleicos DNA y RNA son largos polím eros de nucleótidos. El DNA, la huella genética de las células, esta enrolla do alred ed o r de las histo n as form ando los crom o som as. Las enzim as son catalizadores orgánicos, h ab i tualm ente proteínas que aceleran las reacciones reduciendo las b a rre ra s de activación de la energía. La cinética de las enzim as describe las propiedades catalíticas de la enzim a, como su velocidad de re a c ción y su afinidad p o r el sustrato. E stas característi cas dependen del entorno fisicoquímico, como la tem p eratu ra, la com posición iónica y el pH de la so lución. Las células controlan la velocidad de las reaccio n es de las en zim as de v arias form as. Cam biar la cantidad de enzim a o la concentración de sustratos influye en la velocidad de la reacción. Los inhibidores competitivos, m oléculas que com pi ten con el sustrato o el producto por el sitio activo, regulan m uchas enzim as. Las enzim as alostéricas están reguladas p o r m oléculas que se unen en sitios alejados del sitio activo, alterando las propiedades cinéticas de la enzim a. M uchas enzim as y proteínas no enzim as están reguladas por modificación covalente. Por ejemplo, la protein quinasa u sa el ATP p a ra u n ir grupos fosfatos a residuos de am inoácidos
específicos, y la protein fosfatasa elim ina grupos fos fato. Las células u san com binaciones de enzim as y regulaciones enzim áticas p ara desarrollar y m ante n er com plejas rutas m etabólicas.
P reguntas de revisión 1. ¿Qué aspectos de las reacciones enzim áticas son descritos por term odinám ica versus cinética? 2. ¿Cuáles son las cinco form as de energía utilizadas por los anim ales? Dé ejemplos biológicos y no biológicos de procesos que representen conver sión de energía de un a form a a otra. 3. Com pare los cuatro tipos de m acrom oléculas. Ex plique cómo se produce la variación de la estruc tu ra en cada tipo.
4. Com pare los cuatro tipos de enlaces débiles. 5. ¿Cuál es la diferencia entre los térm inos de cada u n a de estas parejas? • E nergía térm ica y tem p eratu ra • Exergónico y exotérmico 6 . ¿Cuál es la relación entre p K y pH?
7. ¿Cómo puede la tem p eratu ra influir en el pK del agua? ¿Qué im portancia tiene esta m edida en los anim ales que sufren cam bios en la tem p eratu ra corporal?
8 . ¿Cuál es la concentración de protones de una solución de pH 7,4? ¿En qué condiciones puede esta solución ser neutral? 9. ¿Qué cam bio en el pH tiene un m ayor efecto en la concentración de protones: pH 6 a 7 o pH 7 a 8? 10. ¿Qué propiedades de un a partícula influyen en su velocidad de difusión a través de la m em brana? ¿Qué propiedades de la m em b ran a influyen en esta propiedad?
P reguntas de síntesis 1. ¿Cómo puede la densidad del agua cam biar en función de la tem p eratu ra? ¿Cómo puede esta propiedad afectar a los anim ales que viven en am bientes m arinos o de agua dulce? 2. ¿Por qué razón se u sa el térm ino cinética al h a b lar tanto del tipo de energía (energía cinética) como de las propiedades catalíticas de las enzi m as (cinética enzim ática)? 3. Un tipo de proteína puede ten er seis form as dife rentes. Cada form a puede dim erizar con otra. ¿Cuántos hom odím eros y heterodím eros pueden form arse a p artir de estas seis proteínas?
C A P ÍTU LO 2
4. Muchos anim ales m antienen m etabolites en con centraciones próxim as a Km, valor de las enzim as m etabólicas. Por ejemplo, la concentración de piruvato a m enudo es cercana al valor de Kmp ara LDH. ¿Por qué esto puede ser un a ventaja, en té r m inos de regulación m etabólica? 5. Si la reacción enzim ática A + B C + D está próxim a al equilibrio, entonces la ley de acción de m asas está cercana a la constante de equilibrio. ¿Qué sucede con la ley de la acción de m asas si
La química de la vida
añadim os m ás enzim a? ¿Qué sucede si añadim os m ás A? ¿Qué necesitam os p a ra predecir qué va a p a s a r si modificamos la tem peratura? 6 . Describa en térm inos químicos cómo trab ajan los antiácidos. 7. ¿Por qué se nos arru g an las m anos si pasam os m ucho tiem po en la b añ era? ¿Sucede lo m ism o si nadam os en el océano? Describa estos am bientes usando la term inología de osm olaridad y tonici dad.
C a p í tu lo 3 M etabolism o y fisiología celular
n la práctica, to d o s los g ru p o s b io q u ím icos
E
esenciales e ncontrados en los anim ales se o b servan ta m b ié n en o tro s o rga n ism os, co m o plantas, h ongos y bacterias, ya que estas ca racterísticas básicas son rasgos ancestrales que se p resentaron al p rin c ip io en la e volu ción de losFibras de colágeno (am arillas) y eritrocitos (rojas). o rg a n ism o s vivos. Para co m p re n d e r qué hace a los a nim ales únicos, pod e m o s com enzar con las s im ilitu
des q uím icas con o tro s o rga n ism os y el estu d io de
c ó m o estos rasgos cam bian d urante los p rim e ro s
po, la bacteria e n d o s im b io n t e perdió su capacidad de
m o m e n to s de la e vo lu ció n , y o rig in a n la d ive rsida d del
v iv ir fuera de la célula, y la célula huésped se hizo
reino anim al.
dependiente de las c o n trib u cion e s m etabólicas de la
En el ca pítu lo a n te rio r vim o s el orig e n de la p rim e
bacteria e n d o sim bio nte , el antepasado de la m ito con -
ra fo rm a de vida , el progenote. D entro de los p rim e ro s
dria. D urante 2.000 m illo ne s de años se fu e ro n estable
m il m illo n e s de años, el p rog e n ote o rig in ó tre s tip o s
ciendo los diversos grup o s de protistas. Los protistas
difere n te s de o rga n ism os: eubacterias, arqueas y eucariotas. Cada linaje se d ive rsificó ind e p e n d ie n te m e n
son ta n to de anim ales co m o de plantas), los trip an o so -
incluyen a o rga n ism os com o la euglena (cuyos rasgos
te a lo largo de los tre s p rim e ro s m iles de m illo n e s de
mas (parásitos sanguíneos unicelulares flage la do s que
años. Los dos linajes de proca rio ta s, eubacterias y ar queas, se m a n tu vie ro n co m o o rga n ism os unicelulares
causan la m alaria) y las am ebas (células ciliadas que, com o su nom bre indica, tie ne n m o v im ie n to s am eboi-
con m u y poca organización intracelular. En contraste,
des). A u n qu e en o tro tie m p o a estos p rotista s se los de
los eucariotas ancestrales e xpe rim e n ta ro n cam bios
n o m in ó protozoos ya que eran considerados com o
e v o lu tiv o s que die ro n lugar a la fo rm a ció n de c o m p a r
anim ales p rim itiv o s , sabem os ahora que los protistas
tim e n to s subcelulares, m e m bra n o sos, que in cre m e n
son un g rup o de más de 50 filo s diferentes que apare
ta ro n la organización intracelular. Este proceso
cen con a nte rio rida d al o rig e n de los tre s grup o s p rin c i
com enzó cuando los p rim e ro s eucariotas enco n tra ro n
pales de eucariotas: plantas, h ongos y anim ales. El
una fo rm a de e m p a q u etar su DNA en un c o m p a rti m ento d e lim ita d o p o r m e m brana: el núcleo.
té rm in o m e t a z o o , que surge para d is tin g u ir los anim a
M ás tarde, alre d e do r de unos 3.000 m illo ne s de años después, un eucariota in g irió una bacteria sim ila r
ahora co m o s in ó n im o de a nim al, aunque a lgunos taxónom o s separan las esponjas, los anim ales m ás p rim iti
a las m odernas bacterias púrpura. A u nque esta bacte
vos, de los verdaderos metazoos.
ria p úrpura fue p osiblem ente ingerida co m o alim e nto ,
les m u ltice lula re s de los protozoos unicelulares, se usa
La tra n sic ió n desde o rga n ism os u nicelulares a
desa rro lló una relación sim b io n te con su hospedador, y
o rg a n ism o s p lu ricelu lare s tu v o lug a r de fo rm a ind e
se re pro d u jo d entro de la célula huésped. Con el tie m
pendiente en cada uno de los antepasados de plantas,
h o n g o s y a n im a le s . C ada lin a je e n c o n tr ó d ife re n te s
s o n s im ila r e s e n tre n u m e r o s o s ta x o n e s . Lo q u e a p re n
s o lu c io n e s al re to d e la fo rm a c ió n de te jid o s m u ltic e lu
d e m o s d e l e s tu d io de la fu n c ió n c e lu la r de h o n g o s y
la re s . De f o rm a e s e n c ia l, la m u ltic e lu la rid a d t a n to de
p la n ta s n o s d ic e m u c h o a c e rc a d e c ó m o fu n c io n a n e s
h o n g o s c o m o de p la n ta s se ba s a en una fu e r te p a re d
ta s c a ra c te rís tic a s en lo s a n im a le s . P o r o tro la d o , cada
c e lu la r, q u e a p o rta s o p o rte fís ic o y re s is te n c ia a la t u r
lín e a e v o lu c io n a p o r v ía s n u e v a s p a ra a fro n ta r el e s
g e n c ia o s m ó tic a , y p a rtic ip a d e las c o n e x io n e s in te rc e
tré s fís ic o y q u ím ic o im p u e s to p o r el a m b ie n te , u s a n d o
lu la re s . P u e sto q u e las c é lu la s a n im a le s n o tie n e n
m a q u in a ria s s im ila re s . Para e n te n d e r c ó m o d ife re n te s
p a re d c e lu la r, el a n te p a s a d o a n im a l o n u n c a tu v o p a
ta x o n e s s o lv e n ta n p r o b le m a s s im ila r e s , d e b e m o s c o
re d , o la p e r d ió a n te s de e s ta b le c e r el lin a je a n im a l. La
n o c e r las r e s tric c io n e s en la fu n c ió n y la e v o lu c ió n c e
a u s e n c ia de la p a re d c e lu la r en el a n te p a s a d o a n im a l
lu la r de lo s a n im a le s . La fis io lo g ía a n im a l m o d e rn a se
p r o p o r c io n ó c a m b io s y o p o rtu n id a d e s . C o m o la p a re d
ha c o n s tr u id o s o b re el e s tu d io de o r g a n is m o s d e d ife
c e lu la r d e las p la n ta s y h o n g o s re d u c e la tu rg e n c ia o s
re n te s ta x o n e s p a ra c o m p r e n d e r el o r ig e n de la d iv e r
m ó tic a , lo s a n im a le s tie n e n q u e h a b e r d e s a rro lla d o
s id a d c e lu la r en a n im a le s .
•
u n a s o lu c ió n p a ra s u p e ra r el e s tré s o s m ó tic o . La s o lu c ió n , el tra n s p o r te c o n o c id o c o m o A T P a s a d e l\la +/ K +, a p a re c ió p r o n to en la e v o lu c ió n a n im a l, y p e r m itió a las c é lu la s a n im a le s re g u la r el v o lu m e n c e lu la r, y el e q u ilib r io ió n ic o y o s m ó tic o . S in p a re d c e lu la r, el a n te p a s a d o a n im a l ta m b ié n n e c e s ita b a u n a v ía a lte rn a tiv a p a ra m a n te n e r las c é lu la s ju n ta s . El c o lá g e n o , u n a de las p ro te ín a s e s e n c ia le s u s a d a s en la fo rm a c ió n d e lo s te jid o s , ta m b ié n s u r g ió m u y p r o n to en la e v o lu c ió n de lo s m e ta z o o s . Se c o m b in a c o n o tra s p ro te ín a s para f o r m a r el t e jid o c o n e c tiv o . U n a vez e s ta b le c id a esta a s o c ia c ió n , se h ace n n e c e s a ria s y p o s ib le s f o rm a s de c o m u n ic a c ió n m á s e la b o ra d a s e n tre la s c é lu la s . A u n q u e lo s o r g a n is m o s u n ic e lu la re s , c o m o las le v a d u ra s , usa n m e n s a je ro s q u ím ic o s p a ra c o m u n ic a rs e , lo s a n i m a le s p o s e e n m e c a n is m o s m u c h o m á s c o m p le jo s p a ra la s e ñ a liz a c ió n e n tre cé lu la s . N o p o d e m o s e n te n d e r la d iv e rs id a d d e l re in o a n i m a l si n o to m a m o s c o n c ie n c ia d e l o r ig e n e v o lu tiv o de lo s a n im a le s . P o r o tro la d o , m u c h o s ra s g o s c e lu la re s
Fibrillas de colágeno.
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68
PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
I P re s e n ta c ió n A dem ás de satisfacer sus propias necesidades, las células de los anim ales tam bién contribuyen al fun cionam iento de los tejidos y del organism o. Los proce sos fisiológicos complejos son el resultado de la com binación de los procesos celulares. La producción energética, el tran sp o rte a través de m em brana, la es tru ctu ra celular y la expresión de genes son todos pro cesos celulares que afectan al conjunto de la fisiología anim al. Aunque la fisiología de un anim al es m ucho m ás que la sum a de sus procesos celulares, u n a com p rensión de la función celular y las relaciones interce lulares es vital p a ra la com prensión de la fisiología (Figura 3.1).
I M e ta b o lis m o in te rm e d ia rio El térm ino metabolism o se refiere al conjunto de las reacciones quím icas que interconvierten moléculas biológicas dentro de las células. En las células, las en zim as trab ajan ju n tas p a ra form ar las ru tas m etabólicas, en las que el producto de u n a enzim a se tran sfo rm a en el sustrato de otra. Las ru tas an ab óli cas son aquellas vías m etabólicas que unen moléculas p a ra construir m acrom oléculas complejas, como los
lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos. Las ru tas catab ólicas perm iten a las células rom per las com plejas m acrom oléculas en form as que pueden utilizarse p a ra otros fines. El m etab olism o e n e r g é tico son los procesos de las rutas m etabólicas que producen ATP y otras m oléculas ricas en energía p ro porcionando la energía quím ica p a ra la biosíntesis. Las células tienen m ultitud de ru tas y enzim as dife rentes que pueden utilizarse p a ra producir energía, pero los procesos m ás im portante son el m etabolism o oxidativo y la glicólisis.
M etabolism o oxidativo El metabolism o oxidativo hace referencia al conjunto de enzim as que requieren oxígeno, especialm ente las n ecesarias p a ra producir ATP. Las enzim as citoplasm áticas convierten los nutrientes en form as que pu e den tran sp o rtarse al interior de la m itocondria, donde son aú n m ás fragm entadas p a ra liberar su energía química. Una vez dentro de las m itocondrias, m uchos de estos m etabolitos son transform ados en acetil CoA (Figura 3.2). Entonces el acetil CoA e ntra en un a ru ta cíclica conocida como ciclo del ácido tricarboxílico, o ciclo d el TCA. Cuando el acetil CoA es degradado a CO,, la energía quím ica es alm acenada en form a de equivalentes de reducción (NADH y FADH2) y GTP. La
Producción energética
Transporte a través de membrana
Estructura celular
Expresión de genes
F ig u r a 3 .1 .
C é lu la s y te jid o s .
M uchos procesos celulares son la base de los sistem as fisiológicos.
C A P ÍTU LO 3
Acetil CoA F ig u ra 3.2.
P ro d u c c ió n de a c e til C oA a p a r tir de d ife r e n
te s m e ta b o lito s .
m ayoría de la energía que estaba alm acenada en el acetil CoA es liberada cuando los equivalentes de re ducción se oxidan p o r la cadena tran sp o rtad o ra de electrones. Este conjunto de enzim as atraviesan la m em b ran a m itocondrial y convierten la energía quí m ica en gradiente electroquímico que puede ser utili zado p o r la sin tetasa ATP m itocondrial p ara producir ATP. La acción com binada de la cadena tran sp o rtad o ra de electrones (oxidación) y la síntesis de ATP (fosfo rilación) se denom ina en conjunto fosforilación oxidativa. E stas ru tas del m etabolism o oxidativo ap o rtan a la célula m ás energía de la que necesita.
El acetil CoA es producido por la piruvato deshidrogenasa Cuando las células necesitan energía, pueden conver tir los carbohidratos en piruvato dentro del citoplas m a utilizando la glicólisis. M uchas otras sustancias, como el lactato y algunos am inoácidos, pueden tam bién convertirse en piruvato. Este piruvato puede ser tran sp o rtad o entonces al interior de la m itocondria, donde es oxidado p a ra producir acetil CoApor el com plejo enzim ático m itocondrial de la piruvato deshi drogenasa (PDH). La regulación de la actividad de la PDH es compli cada. La subunidad catalítica de la PDH está regulada alostéricam ente p o r el ATP, acetil CoA y NADH. Estos m etabolitos perm iten a la enzim a resp o n d er directa m ente a las dem andas energéticas de los tejidos. Cuando las células tien en u n a cantidad suficiente de energía, la concentración de ATP, NADH y acetil CoA tiende a ser lo suficientem ente alta p a ra inhibir la PDH. Este excedente de piruvato p a ra oxidación p er m ite a la célula usarlo p a ra la síntesis de glucosa y glu cógeno. Cuando la energía alm acenada dism inuye, la concentración de ATP, NADH y acetil CoA tiende tam bién a dism inuir, con lo cual dism inuye la inhibición de PDH. Estos m ism os m etabolitos influyen tam bién
M e tabolism o y fisiología celular
en el estado de fosforilación del PDH, regulando la ac tividad de la PDH quinasa (PDHK) y la PDH fosfatasa (PDHP). Tanto el ATP, como el NADH y el acetil CoA, activan la PDHK y producen la transform ación del PDH en su form a fosforilada e inactiva. La actividad de la PDHP, en cambio, está controlada fundam ental m ente por el Ca2+. Las altas [Ca2+] estim ulan la PDHP y transform an la PDH en su form a activa desfosforilada. Como verem os en secciones posteriores, el Ca2+ regula m uchas otras enzim as del metabolism o en er gético ya que tiende a increm entarse en los periodos de fuerte dem anda energética.
El ciclo del ácido tricarboxílico utiliza acetil CoA para generar equivalentes de reducción Una vez que se produce el acetil CoA dentro de la m i tocondria, su destino depende de las condiciones intracelulares. Cuando las células necesitan energía, el acetil CoA en tra en el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), donde su oxidación conduce finalm ente a la producción de ATP. El ciclo del TCA (Figura 3.3) con siste en ocho enzim as que de form a conjunta catali zan la siguiente reacción: Acetil CoA + 3NAD+ + GDP + P. + FAD — 2C0 2 + 3NADH + FADH2 + GTP Las cuatro deshidrogenasas del ciclo del TCA p rodu cen equivalentes reductores: el NADH es producido p o r isocitrato deshidrogenasa, 2-oxoglutarato deshi drogenasa y m alato deshidrogenasa; el FADH, es p ro ducido por la succinato deshidrogenasa. La m ayor p arte de la energía del acetil CoA se dirige hacia la posterior oxidación de NADH y FADH2. El ciclo del TCA tam bién produce u n a m olécula de GTP, que es energéticam ente equivalente al ATP. E sta reacción ca talizada por la succinil CoA sintetasa, es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato. El ciclo del TCA no es en realidad un a ru ta aislada, sino m ás bien una colección de enzim as actuando en un conjunto de m e tabolitos intercam biados con otras rutas. Es im a ru ta anflbólica, que participa en procesos tanto catabólicos como anabólicos. Cuando los interm ediarios son elim inados po r otras reacciones, las células u san vías an ap leróticas p ara reg en erar los interm ediarios. Las células controlan la velocidad del ciclo del TCA por tres vías: regulando los niveles de enzim as, la concentración de reactantes (sustratos y productos), y controlando la actividad enzim ática. Los tejidos que utilizan m ucha energía, como el corazón o el cerebro,
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cia el sistem a o cad en a tran sp orta dora de electro n es (ETS). El ETS perm ite a las células u sa r la energía reducida p a ra form ar un gradiente electroquímico que puede utilizarse Malato p ara dirigir la síntesis de ATP, adem ás deshidroger de otros procesos de transporte de pendientes de energía. El ETS se en IOUOIUC cuentra dentro de la m em brana interna m itocondrial. Está compuesto por cuatro proteínas m ultim éricas (complejos I, II, III y IV) y por dos Isocitrato deshidrogenasa transportadores de electrones (ubi quinona y citocromo c). Aunque el ETS se representa norm alm ente 2-Oxoglutarato como un conjunto de complejos indi viduales y transportadores, como Succinato QQ /2-0X0glUtarat0 m uestra la Figura 3.4, en realidad los deshidroge 2 ^ __y deshidrogenasa complejos individuales se com pletan en supercom plejos, lo que increm enta Succinil CoA la eficiencia del ETS. A p esar de que los electrones Succinil CoA sintetasa pueden e n trar en el ETS en distintos puntos, cada ru ta converge hacia el F ig u ra 3.3. C ic lo d e l á c id o tr ic a r b o x ílic o (TC A ). prim er tran sp o rtad o r móvil, la ubi Las enzimas del ciclo del TCA oxidan el acetil CoA para liberar su energía en form a de equivalentes de reducción (3 NADH, 1 FADH2) y 1 GTP. quinona. El NADH producido en el ci clo del TCA y otras deshidrogenasas tienen elevados niveles de las enzim as del TCA. En m itocondriales pasan los electrones al complejo I, el m uchos tejidos, el flujo a través del ciclo del TCA se ve cual a su vez reduce la ubiquinona. Varias enzim as afectado por los niveles de acetil CoA y de oxalacetato, unidas al FADH2 que se encuentran en la m em brana así como p o r otros interm ediarios del ciclo. Cuando in tern a m itocondrial p asan los electrones directa los tejidos tien en abun d an te energía, usan norm al m ente a la ubiquinona. Por ejemplo, la enzim a succi m ente el acetil CoA y los interm ediarios como sus nato deshidrogenasa del ciclo del TCA está de hecho trato s biosintéticos. El acetil CoA es un sustrato en el complejo II del ETS. En su interior un grupo FAD im portante en la síntesis de ácidos grasos y el oxa com ienza a reducirse d urante la oxidación del succi lacetato es u n sustrato de la síntesis de la glucosa. nato, form ando FADH,. La enzim a p asa sucesivam en Cuando las reacciones biosintéticas reducen estos te los electrones desde FADH2 a la ubiquinona. Otras sustratos, la velocidad del ciclo del TCA disminuye. El rutas m itocondriales que se verán m ás adelante en ciclo del TCA tam bién está regulado po r efectores este capítulo tam bién u san FAD o FMN p a ra p a s a r los alostéricos. La isocitrato deshidrogenasa (IDH) y la 2electrones directam ente al ETS. oxoglutarato d eshidrogenasa (OGDH) están activadas U na vez reducida, la ubiquinona sufre un ciclo alostéricam ente p o r Ca2+. Las altas [Ca2+], inducidas complejo que dirige la transferencia de electrones al por u n a dem anda m etabólica elevada, increm entan complejo III. Desde el complejo III los electrones son la velocidad de producción del NADH p a ra ayudar a la transferidos a un segundo tran sp o rtad o r móvil, el ci célula a satisfacer sus necesidades energéticas. tocrom o c. El complejo IV, o citocromo c oxidasa, acepta electrones desde el citocromo c y los transfiere a u n a m olécula de oxígeno. La reducción com pleta del El sistema transportador de electrones oxígeno (0 2) requiere cuatro electrones desde el cito(ETS) genera un gradiente de protones, cromo c y consum e cuatro protones, p ara producir calor y especies reactivas de oxígeno dos moléculas de agua: Los equivalentes reductores generados en la mitocon4e~ + 4H+ + O, •2H ,0 dria tran sp o rtan energía desde varios m etabolitos h a '¡trato sintetasa
A
L
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F ig u ra 3.4.
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C a d e n a tra n s p o rta d o ra de e le c tr o n e s .
El c om plejo I recoge los electrones desde el NADH producido por varias deshldrogenasas m ltocondriales. El c om ple jo II, o succlnato deshidrogenasa, tran sfiere electrones desde el succl nato al FAD. Tanto el com plejo I com o el II, así com o otras deshldroge nasas vinculadas a FAD y no m ostradas, transfieren electrones a la ubiquinona (Q). La transferencia de electrones continúa a través del com plejo III, citocrom o c, y finalm e nte por el com ple jo IV, cltocrom o oxídasa. Durante el transporte de electrones, los com plejos I, III y IV tam b ién bom bean protones fuera de la m atriz m itocondria l, creando un gradiente de protones.
La transferencia de electrones no es el único proceso que tiene lugar en el ETS. Los complejos I, III y IV tam bién son enzim as que bom bean protones. Cuando es tos complejos transfieren energía al siguiente transportador, queda suficiente energía libre p ara bo m b ear protones fuera de la m atriz m itocondrial. Como el complejo II y otros elem entos unidos a FAD en el ETS no pueden b o m bear protones d urante sus ciclos de reducción y oxidación, se bom bean m enos protones p o r m olécula de oxígeno consum ido que cuando tiene lugar la oxidación del NADH. El gradiente de protones form ado po r el ETS tiene propiedades tanto quím icas como eléctricas. El com ponente químico es un gradiente de pH, donde el cito plasm a tiene u n a alta [H+] y un bajo pH. Como los protones están cargados, el gradiente de protones tie ne u n com ponente eléctrico: el potencial de m em bra na, A'I'. En conjunto, el gradiente de pH y A1? conform an el Ap, la fu erza m otriz de p rotones (o
fu erza protón m otriz). La fuerza m otriz de protones es una form a de energía potencial que puede utilizar se p a ra dirigir otros procesos, como la síntesis de ATP. Como consecuencia de las diferencias en las ru tas de tran sp o rte de electrones, la oxidación del NADH con tribuye m ás al Ap que la oxidación del FADHr El ETS convierte la m ayor p arte de la energía li b erad a en la oxidación del NADH en fuerza m otriz de protones. La ineficacia del proceso se refleja en la form ación de dos productos interm ediarios: calor y e sp e c ie s rea ctiv a s al ox ig en o (ROS). Las condicio nes que in crem entan el flujo de electrones y el consu mo de oxígeno tam bién in crem entan la producción de calor. Las ROS surgen cuando los electrones se es capan de los com plejos del ETS d u ran te el tran sp o rte de electrones. Como todas las enzim as, los complejos y los tran sp o rtad o re s del ETS sufren u n a serie de cam bios estructurales d u ran te la catálisis. P ara los complejos I y III, estos interm ediarios estructurales
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son capaces de in teractu ar d irectam ente con el oxí geno. N orm alm ente m ás del 99% de los electrones que e n tra n en el ETS hacen el recorrido completo h asta el final de la cadena, form ando agua. Sin em bargo, u n a peq u eñ a fracción de los electrones, m e nos del 1%, se escapan del ETS h asta el oxígeno m olecular y form an superóxidos (0 2~). Los superóxidos, especie reactiva de oxígeno (ROS), pueden a ta car los enlaces químicos y d a ñ a r m acrom oléculas como lípidos, pro teín as y DNA. Las células poseen m ecanism os de defensa antioxidante m uy efectivos p a ra inactivar los superóxidos antes de que causen daño. La enzim a superóxido dism utasa, o SOD, con sum e superóxido y produce peróxido de hidrógeno (H20 2), que es m enos tóxico que el superóxido. Otras enzim as antioxidantes, como la catalasa y la glutatión peroxidasa, consum en el H 20 2, con lo que evitan el daño celular que éste p odría causar.
m entan, acelerando la velocidad de la reacción de la ATPasa FjF0. P ara com prender cómo se regula este proceso, considerem os qué sucede en un músculo que no hace ejercicio. En reposo, la velocidad de degrada ción del ATP es lenta y la [ATP] aum enta, m ientras des cienden las de [ADP] y [PJ. El ETS form a tam bién la m ayor cantidad de Ap ya que la ATPasa, el m ayor su m idero del gradiente, está inhibida. Cuando el flujo a través del ETS es pequeño, la velocidad de la resp ira ción es baja. Ésta es la razón bioquímica de por qué en reposo n uestra respiración es menor. Cuando la activi dad del músculo comienza, el ATP es hidrolizado y la concentración de ADP y P. se increm enta. Con la esti mulación de la ATP sintetasa, Ap dism inuye y el ETS se acelera p ara recuperar el gradiente. Increm entam os nuestro consumo de oxígeno durante el ejercicio como consecuencia de la relación entre la síntesis de ATP y la oxidación.
La ATPasa F,F0 usa la fuerza motriz de protones para sintetizar ATP
La fosforilación oxidativa mitocondrial puede estar desacoplada
La relación funcional entre oxidación y fosforilación Hasta aquí hem os explicado cómo la mitocondria pro depende de la integridad física de la m em brana in ter duce Ap pero no cómo lo usa p a ra producir ATP. Las n a m itoncondrial. Si los protones bom beados fuera de m itocondrias poseen una ATP sintetasa, denom inada habitualm ente ATPasa FjF0, que utiliza la energía con la m itocondria po r el ETS pueden filtrarse de nuevo a tenida en Ap p ara dirigir la fosforilación del ADP. la m itocondria, Ap puede ser disipado, causando dos (Aunque norm alm ente funciona en la dirección de sín efectos distintos en la fosforilación oxidativa. Prim e tesis del ATP, la ATPasa FjF 0 es reversible y capaz de ro, el ETS puede continuar a un ritm o elevado, bom ro m p er el ATP en algunas condicio nes). La ATPasa FjF 0 posee una región que bom bea protones y im a región ca talítica. Cuando los protones pasan a través de la enzim a, que ab arca la m em b ran a in tern a m itocondrial, se utiliza la energía p ara catalizar la sín tesis de ATP. Los dos procesos —oxida ción en el ETS y fosforilación por la ATPasa FjF0— intercam bia Ap como un interm ediario, y el proceso combi nado se denom ina fosforilación oxidativa (Figura 3.5). Obsérvese que no hay un proceso físico de unión entre la oxi dación y la fosforilación; los dos proce sos están acoplados a través de una dependencia m utua de Ap. La velocidad de síntesis de ATP por Matriz Membrana interna— j — / la ATPasa FjF 0depende de la m agnitud de Ap y de la disponibilidad de los sus Fig u ra 3.5. Fuerza m o triz de p ro to n es . tratos ADP y fósforo inorgánico (Pt). Los protones son bom beados fuera de la m itocondria por los com ple jos I, III y IV, Cuando las células hidrolizan ráp i creando una fuerza m otriz de protones (Ap). La ATPasa F1F0 m itocondria l (com ple dam ente ATP, las [ADP] y [PJ se incre- jo V) usa A p com o energía para la síntesis de ATP.
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beando protones y consum iendo oxígeno en un es fuerzo p o r recu p erar los niveles de Ap. Segundo, la re ducción en Ap puede im pedir la producción de ATP m itocondrial. Cuando tiene lugar un a respiración r á pida sin síntesis de ATP, la fosforilación oxidativa está desacoplada. Es por tanto esencial en el proceso de la fosforila ción oxidativa la integridad de la m em brana interna m itocondrial. Todas las m em branas son algo p erm ea bles a los protones, pero la m em brana in tern a m ito condrial es relativam ente resistente al paso de protones. Algunas m itocondrias poseen proteínas lla m ad as p ro teín a s d esa co p lan tes (UCP) que incre m en tan el m ovim iento de protones a través de la m em b ran a interna. La prim era UCP identificada fue denom inada term o g en in a ya que se encontró en un tejido term ogénico (“productor de calor”) especializa do llam ado tejido adiposo m arrón (liATI Cuando esta p roteína actúa en la m itocondria del BAT, su efec to desacoplante acelera la velocidad del ETS, causan do un increm ento en el consum o de oxígeno y en la producción de calor. A ctualm ente, sólo en los m am ífe ros se h a encontrado que posean BAT y term ogenina, aunque otras p roteínas de la familia de las UCP se pueden en co n trar en m uchos eucariotas. El BAT es m ás abu n d an te en los m am íferos que tienen un m a yor riesgo de sufrir estrés p o r frío, como los recién n a cidos y los anim ales invernantes. Veremos m ucho m ás acerca del papel de la term ogenina y de otras UCP en el Capítulo 14.
La creatín fosfoquinasa favorece el almacenamiento y la transferencia de energía Aunque el ATP es el sustrato último p a ra la contrac ción del m úsculo, tam b ién son im portantes en el m etabolism o energético del m úsculo de m uchas espe cies otros com puestos fosfatados alternativos. La fosfocreatína, u sad a por los vertebrados, está sinteti zada por la enzim a creatín fosfoqiúnasa (CPK): CPK Creatina + ATP = ADP+ fosfocreatína La CPK es u n a enzim a com pletam ente reversible y el coste energético de esta transferencia del enlace fosfodiéster es bajo. Así, la fosfocreatína tiene el mismo valor energético que el ATP. La fosfocreatína y la reac ción de la CPK son im portantes en los tejidos aerobios como el cerebro, el corazón y el m úsculoesquelético. El m úsculoesquelético en reposo tiene de cinco a diez
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veces m ás fosfocreatína que ATP. De esta m anera, la fosfocreatína es un rico alm acén de energía m etabóli ca, que puede ser requerida en los m om entos de nece sidad energética. Por ejemplo, cuando los m úsculos com ienzan a trab ajar intensam ente, el ATP se consu m e p a ra m antener la actividad muscular. Esto p ro d u ce un descenso en la [ATP] y un increm ento en la [ADP], lo cual dirige la reacción de la CPK en la direc ción de la producción de ATP, a expensas de la fosfocreatina. En un m úsculo con actividad continua, la reserva de fosfocreatína dism inuye gradualm ente, perm itiendo al m úsculo conservar el ATP en niveles norm ales durante largos periodos. M ientras que la re serva existente de ATP es suficiente sólo p a ra uno o dos segundos de actividad, la gran reserva de fosfocreatina perm ite al músculo m an ten er niveles de ATP y sostener la contracción durante m ucho m ás tiempo. La reacción de la CPK se m ueve en cada una de las direcciones según la concentración de los reactantes. En un tubo de ensayo, los reactivos están hom ogénea m ente distribuidos por toda la suspensión. Sin em b ar go, en la célula estos reactivos no tienen una distribución hom ogénea. Cerca de la m itocondria, donde el ATP se sintetiza, la [ATP] es alta y la [ADP] es baja. Estos gradientes dentro de las células dirigen la difusión de los adenilatos entre las diferentes regio nes. Sin em bargo, los gradientes pueden ser inadecua dos p ara dirigir un a difusión suficientem ente rápida p a ra m an ten er la hom eostasis energética durante p e riodos de alta dem anda de ATP. Por ejemplo, durante una actividad m uscular rápida, el ADP no puede difun dir con suficiente rapidez desde las miofibrillas a la m itocondria p a ra abastecer a la ATPasa FjF0. La lan zadera de la fosfocreatína, como se m uestra en la Fi gura 3.6, es u n a ru ta cíclica que increm enta la eficiencia de la transferencia de energía entre los com partim entos celulares. El ATP producido po r la fosfori lación oxidativa es exportado desde la m itocondria, donde lo encuentra la CPK en el exterior de la m em b ra n a m itocondrial. La CPK usa este ATP p ara fosforilar la creatina y producir fosfocreatína. La fosfocreatína difunde entonces desde la m itocondria a las miofibrillas. En las miofibrillas, otra enzim a CPK puede u sa r la fosfocreatína p ara reg en erar el ATP. Esta lanzadera de la CPK m ejora la eficiencia de la transferencia de energía por dos razones. Primero, creatina y fosfocreatína son moléculas m ás pequeñas que los adenilatos y tienen coeficientes de difusión m a yores. Segundo, la concentración absoluta de creatina y fosfocreatína es m ucho m ayor que la de adenilato, perm itiendo que se form e un gradiente intracelular m ucho mayor, lo cual acelera la velocidad de difusión.
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Glucosa
Miofibrilla
-ATP Hexoquinasa
^ADP Glucosa 6-fosfato «
Glucógeno
— 1 Fructosa 6-fosfato Fosfocreatina
Membrana externa
Fosfofructoquinasa
,r
ADP
Fructosa difosfato
Gliceraldehído 3-fosfato
Dihidroxiacetona fosfato
Fosfotriosa ¡somerasa G liceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa
Mitocondria Fig u ra 3.6.
L a n za d e ra de fo s fo c r e a tin a .
La fosfocreatina está producida por la enzima m itocondria l creatín fosfoquinasa (CPK), y difunde a las m io fib rilla s , donde otra enzima CPK regenera el ATP.
2 NAD+
1,3-Difosfoglicerato (x2) Fosfoglicerolquinasa
*2
ATP
3-Fosfoglicerato (x2)
Glicólisis Aunque contribuye m enos a la reserva energética de la célula que el m etabolism o oxidativo, la g licó lisis es vital por tres razones. Prim ero, a diferencia del m eta bolismo oxidativo, la glicólisis puede continuar a falta de oxígeno. Segundo, sólo la glicólisis puede producir ATP a u n a velocidad tan elevada como p a ra satisfacer las d em andas energéticas de m uchos tejidos, como los m úsculos usados en im esprín final. Tercero, los interm ediarios glicolíticos se utilizan como im portan tes sustratos en ru tas que conducen a la síntesis de otras m oléculas, incluidos carbohidratos, ácidos n u cleicos, am inoácidos y ácidos grasos.
La glicólisis es una ruta muy rápida pero poco eficiente La glicólisis es una ruta lineal que perm ite a la glucosa degradarse a piruvato (Figura 3.7). La reacción global es: Glucosa + 2ADP + 2NAD+ -» 2ATP + 2 piruvato + 2NADH + 2H+ Cuando la glucosa p asa al interior de la célula, la enzi m a hexoquinasa la fosforila rápidam ente, usando una
Fosfoglicerato mutasa ^
2-Fosfoglicerato (x2) Enolasa h 2o
Fosfoenol piruvato (x2) Piruvato quinasa
- 2 ADP
Piruvato (x2) Fig u ra 3.7.
G lic ó lis is .
La glicólisis es una serie de enzimas citoplasm áticas que degradan la glucosa o el glucógeno para producir ATP. Com o la hexoquinasa necesita ATP, la glicólisis a partir del glucógeno produce más ATP (tres ATP por glucógeno) que desde la glucosa (dos ATP por glucosa). O tros productos im portantes de la glicólisis son el piruvato y el NADH. Las tres reacciones irreversibles son lo más destacado.
m olécula de ATP. Como la glucosa no se tran sp o rta fá cilm ente a través de la m em brana celular, la fosforila ción de la glucosa la atra p a de form a efectiva dentro de la célula. El siguiente paso en la glicólisis son una serie de reacciones enzim áticas que convierten a la glucosa en fructosa, que es entonces hidrolizada p ara form ar dos triosas que en últim a instancia se convier
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ten en piruvato. Aunque la glicólisis norm alm ente es tratad a desde la perspectiva de la glucosa o del glucó geno, otros carbohidratos derivados de la dieta pue den tam b ién pro cesarse a hexosas que pueden en trar en la glicólisis. Los disacáridos son los prim eros que se degradan en m onosacáridos: la trehalosa en dos glucosas, la lactosa en glucosa y galactosa, y la saca ro sa en glucosa y fructosa. La regulación glicolítica perm ite a las células equilibrar las necesidades de producción energética y los interm ediarios m etabólicos. Todas m enos tres de las diez reacciones son totalm ente reversibles. Las re acciones irreversibles son las controladas por la hexoquinasa, la fosfofructoquinasa (PFK) y la piruvato quinasa (PK). E stas enzim as son puntos clave en la re gulación dentro de la ru ta. Cuando las células necesi ta n energía, cada u n a de estas enzim as es estim ulada p o r diferentes reguladores. D urante los periodos de alta dem anda energética, gran p arte del ATP se de grada en ADP y AMP. Tanto el ADP como el AMP son poderosos activadores de la actividad enzim ática de la PFK. El ATP, sin em bargo, es un fuerte inhibidor de la actividad de la PFK, así como de la PK. Cuando las células no necesitan energía, la glicólisis se inhibe en la PFK y la PK. Cuando la PFK es inhibida, la glucosa6-fosfato es desviada a la síntesis de glucógeno. Así, el destino de la glucosa -6 fosfato —glicólisis o síntesis de glucógeno— está unido al estado energético a través de la regulación de la PFK. Esto es un ejemplo de re gulación feed b a ck negativa, cuando el aum ento en la concentración de un producto inhibe la ruta. Como resultado de la degradación de la glucosa en piruvato, la célula produce 2 moles de ATP por cada mol de glucosa. Cuando el piruvato es im portado p o r la m itocondria y oxidado, la reacción com pleta rinde 36 m oles de ATP po r mol de glucosa. A p esar de la diferencia en el rendim iento energético, tanto la gli cólisis como el m etabolism o oxidativo juegan un im p o rtante papel en el m etabolism o energético. La glicólisis, ad em ás de ser capaz de operar sin oxígeno, puede producir ATP a u n ritm o m ucho m ayor que el m etabolism o oxidativo. Las condiciones que perm iten que tenga esta elevada tasa tam bién requieren que la ru ta sea algo m ás ineficiente. En cambio, el m etabo lismo oxidativo es m uy eficiente al conservar la en er gía quím ica, pero esto lo h ace necesariam ente lento. Podem os p en sar en la glicólisis como en un coche de carreras m uy bien prep arado, norm alm ente m uy r á pido pero no el m ejor coche en cuanto al consum o. En cam bio, el m etabolism o oxidativo es un coche m uy eficiente en cuanto al consumo. Igual que algunas fa m ilias tienen am bos tipos de coches, algunas células
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m antienen am bos tipos de m otor p rep arad o s p ara trab ajar según las diferentes necesidades.
La mitocondria oxida el NADH glicolítico lanzadera redox La glicólisis puede continuar sólo si la célula oxida el NADH producido. Aimque no puede oxidarlo directa m ente, la m itocondria usa dos lan zad eras red ox p a ra tran sferir la energía reducida del NADH citoplasm ático al ETS: la lan zadera del a-glicerolfosfato y la lan zad era del m alato-aspartato. En la lan zad era del a-glicerolfosfato (Figura 3.8), el NADH citoplasm ático es oxidado prim ero por la a-glicerolfosfato deshidrogenasa (a-GPDH), em b ebida dentro de la m em b ran a in te rn a m itocondrial. Los electrones tom ados del NADH reducen el FADH,, que a su vez reduce los electrones m óviles tra n sp o r tados p o r la ubiquinona. La oxidación del NADH gli colítico en la lan zad era del a-glicerolfosfato genera dos ATP. La lan zad era del m alato -asp artato (Figura 3.9) u sa p ares de enzim as que están localizados tanto en el citoplasm a como en la m itocondria. Prim ero la m alato desh id ro g en asa citoplasm ática oxida el NADH. Esto tran sfiere la energía reducida del NADH
Glicólisis G lu c o s a -------------------- *- Piruvato
NA[
Glicerol 3-fosfato
H + H+
Dlhldroxlacetonafosfato
Glicerol 3-fosfato deshidrogenasa
Membrana Interna
F ig u ra 3.8.
La la n z a d e r a d e l c t-g ly c e ro lfo s fa to .
El NADH glicolítico puede oxidarse por ia acción com binada de las form as citopiasm áticas y m itocondria ies de la glicerol3-fosfato deshidrogenasa. El ciclo com ple to d irige la tran s ferencia del poder reductor del NADH al FADH2 m itocondrial.
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Las deshidrogenasas permiten oxidar NADH en condiciones anaerobias Las lim itaciones de oxígeno pueden p resen tarse d urante la hipoxia o ano xia am biental, o pueden resu ltar de las condiciones del tejido. La hipoxia am biental puede d u rar cortos perio dos de tiem po o ser persistente. Los bivalvos interm areales pueden cerrar sus conchas d urante los ciclos de m a rea, induciendo h oras de hipoxia, m ientras que los parásitos del tracto gastrointestinal pueden vivir constan tem ente bajo hipoxia. La anoxia fun cional puede p resen tarse cuando las necesidades de oxígeno superan las aportaciones de oxígeno por la sa n gre. Por ejemplo, el m úsculo puede F ig u ra 3.9. La la n z a d e ra d e l m a la to -a s p a rta to . volverse hipóxico d urante un ejercicio El ciclo, presentado com o una serle de reacciones desde 1 a 6, concluye con una intenso. Los anim ales subm arinos transferencia neta de NADH den tro de la m itocondria con un reciclado com pleto de los reactantes. Las enzimas m alato deshldrogenasa (MDH) y aspartato aminodism inuyen gradualm ente sus re se r transferasa (AspAT) están localizadas tanto en el citoplasm a com o en la m itocon vas de oxígeno, generando cortos p e dria. Este ciclo tam bién requiere un tran sportado r específico capaz de llevar los riodos de hipoxia en algunos tejidos. m etabolitos a través de la m em brana m itocondrial. En cada una de estas situaciones, los anim ales dependen de la ghcólisis p ara la energía y son capaces de oxi al m alato, el cual en tra en la m itocondria donde es d ar NADH p a ra perm itir que la glicólisis continúe. oxidado p o r la m alato desh id rogenasa m itocondrial del ciclo del TCA. El resto del ciclo aseg u ra que el ci Una de las vías m ás com unes p a ra la regeneración del NAD+ es a través de la actividad de la lactato deshi to p lasm a esté siem pre con suficiente oxalacetato y que el oxalacetato m itocondrial sea elim inado. La drogenasa o LDH: enzim a asp artato am in o tra n sfera sa convierte el Piruvato + NADH + H+ - » lactato + NAD+ oxalacetato en asp artato en la m itocondria. El aspartato es exportado al citoplasm a, donde otra a s p a rta Esta reacción regenera NAD+ y dispone del piruvato, to am in o tra n sfera sa reg en era el oxalacetato. Los perm itiendo a la glicólisis continuar. P ara m uchas es otros su strato s y productos de las reacciones del a s pecies, la producción de lactato es un buen indicador p artato am in o tran sferasa, glutam ato y 2 -oxoglutadel flujo glicolítico. Una vez producido en la reacción rato , son necesario s en el tran sp o rte de m alato y de la LDH, el lactato puede tanto ser alm acenado en el asp artato . tejido, como ser exportando desde la célula al fluido La im p o rtan cia relativ a de estas lan zad eras es extracelular. Aunque el lactato es fuertem ente tóxico, n o rm alm en te difícil de valorar. Es b a sta n te sencilla puede ser tolerado durante cortos periodos. Cuando en el m úsculo volador de los insectos, donde el m e la anoxia llega a su fin, el lactato es m etabolizado, y a tabolism o glicolítico está relacionado con la la n z a m enudo usado como sustrato p a ra reg en erar glucosa d e ra del a-glicerolfosfato. En algunos insectos la y glucógeno. a-GPDH es u n a enzim a sensible al Ca2+. El Ca2+ es Los anim ales m ás tolerantes a la hipoxia y la an o tam b ién u n d esen cad en an te de la contracción m u s xia u san tres m ecanism os generales p a ra prolongar cular. Cuando los niveles de Ca2+ au m en tan , el in su supervivencia. Uno es reducir sus necesidades m e crem ento d isp a ra tan to el consum o de ATP tabólicas p a ra prolongar la vida de las reservas en er (actividad m uscular) como la síntesis de ATP vía agéticas dando lugar a algunas form as de letargo o glicerolfosfato y d esh id ro g en asas sensibles al Ca2+ reduciendo necesidades m etabólicas de tejidos espedel ciclo del ATC.
C A P ÍTU LO 3
tíficos. Por ejemplo, la tortuga puede dism inuir su rit mo m etabólico de golpe. Segundo, los anim ales pue den au m en tar su supervivencia en hipoxia, alm acenando altos niveles de glucógeno. P ara algu nos moluscos bivalvos, p o r ejemplo, al m enos la m itad de su peso seco es glucógeno, lo que perm ite varios días de tolerancia a la anoxia. Tercero, algunos orga nism os tolerantes a la falta de oxígeno alteran la n atu raleza de la glicólisis p a ra producir m enos productos finales tóxicos y lib erar energía extra en el proceso. Algunos m oluscos producen estrom bina, alanopina u octopina. Algunas especies de peces convierten el lactato en etanol, que después es excretado al agua. Es tas reacciones adicionales les perm iten solventar la toxicidad del lactato, pero en el proceso pierden una im portante fuente de energía. Los m oluscos bivalvos y algunos endoparásitos producen tam bién productos finales alternativos, pero se benefician de energía ex tra a lo largo del proceso. El fosfoenolpiruvato (PEP) puede derivarse hacia la glicólisis p a ra producir suc-
NADH
NADH
M etabolism o y fisiología celular
cinato (4 ATP/glucosa) o propionato (6 ATP/glucosa). Las diferentes ru tas alternativas y productos finales anaeróbicos están resum idos en la Figura 3.10. En conjunto, estas variaciones de la glicólisis perm iten a los anim ales te n e r éxito en am bientes anóxicos que son tóxicos p a ra otras especies.
Biosíntesis de carbohidratos La glucosa es esencial no sólo en la producción de energía sino tam bién en la biosíntesis. Los anim ales que no pueden obtener suficiente glucosa en la dieta, pueden producirla a p artir de precursores no carbo hidratos. La ru ta es la g lu co n eo g én esis. Las células regulan el equilibrio entre la síntesis y la degradación de glucógeno p a ra asegurar que siem pre hay la canti dad suficiente de glucosa. Aunque la glucosa es esen cial en la producción de energía, la glucosa y los interm ediarios de la gluconeogénesis son tam bién im portantes en la biosíntesis. Por ejemplo, la ru ta de la fosfato pentosa recu rre a interm ediarios glucogénicos p a ra proporcionar m acrom oléculas esenciales como ácidos nucleicos, proporcionando tam bién po der reductor en form a de NADH p a ra otras reacciones de biosíntesis.
La gluconeogénesis sintetiza glucosa a partir de precursores no carbohidratos ^
NADH
Tauropina (x=taurina) Nopalina (prolina) Alanopina (alanina) Estrombina (glicina) Lisopina (lisina) Octopina (arginina)
Propionato Fig u ra 3.10.
P ro d u c to s f in a le s a n a e ró b ic o s .
Los animales tienen muchas vías diferentes de oxidar NADH cuando el oxígeno está lim itado. Muchos animales y tejidos de penden de la lactato deshidrogenasa, pero pueden existir otras rutasen animales tolerantes a la hipoxia. Algunos productos fi nales anaeróbicos pueden dirig ir la producción extra de ATP.
La vía de la gluconeogénesis, partiendo del piruvato, tiene el siguiente resultado global: 2 Piruvato + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 4H20 glucosa + 4 ADP + 2GDP + 6P( + 2NAD+ + 2H+ La F igura3.11 nos m uestra la ru ta am pliada. Muchas de las enzim as de la gluconeogénesis form an tam bién p arte de la ru ta glicolítica, pero operan en sentido contrario. Sin em bargo, las tres reacciones irreversi bles de la glicólisis son sorteadas en la gluconeogéne sis con otras enzim as. Com encem os n u estra presentación sobre la glu coneogénesis siguiendo el destino del piruvato, que puede form arse a p a rtir del lactato y de num erosos am inoácidos. La reacción catalítica que produce el piruvato desde PEP está catalizada p o r la piruvato quinasa. La ru ta gluconeogénica so rtea este paso usando dos enzim as. Dentro de la m itocondria, la pi ruvato carboxilasa convierte el piruvato en oxalacetato. El PEP es entonces sintetizado a p a rtir de
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Fig u ra 3.11.
G lu c o n e o g é n e s is .
Las células convierten el p iruva to a glucosa y glucógeno usando las enzimas de la gluconeogénesis. La ruta exacta de la síntesis del fosfoe n o lp iru v a to depende sobre to d o de los tejid o s y las especies. Algunas especies usan la PEPCK m ito condrial para producir fosfoe nolp iruvato.
oxalacetato y GDP gracias a la enzim a PEP carboxiquinasa (PEPCK). La localización de la PEPCK difiere entre diferentes especies y tejidos. Si la PEPCK es m i tocondrial, el PEP es tran sp o rtad o al citoplasm a. Si la PEPCK es citoplasm ática, la m itocondria convierte el oxalacetato en m alato, lo exporta, y resintetiza el oxalato en el citoplasm a. H abiendo sorteado la re a c ción de la piruvato quinasa, el PEP es transform ado en fructosa 1 ,6 -difosfato utilizando en sentido con trario las m ism as enzim as u sad as en la vía glicolítica. La fructosa 1,6-difosfatasa (FBPasa), otra enzim a específica de la gluconeogénesis, elim ina un fosfato de la fructosa 1 ,6 -difosfato y produce fructosa 6 -fos fato. Este paso enzim ático sortea la reacción irrev er sible de la PFK en la glicólisis. La fructosa 6 -fosfato se convierte en glucosa 6 -fosfato, que puede utilizar se p a ra producir glucógeno, o en algunos tejidos tran sfo rm ad a en glucosa gracias a la glucosa 6 -fosfatasa. Esta enzim a evita el paso de la hexoquinasa en la glicólisis. Debido a que la gluconeogénesis requiere una gran cantidad de energía, las células estim ulan la glu coneogénesis sólo cuando tienen energía disponible en exceso. Los indicadores m etabólicos del estado energético, como el acetil CoA y los adenilatos (AMP, ADP y ATP), regulan el ritm o de la gluconeogénesis. La ru ta está controlada principalm ente por regula ción alostérica de dos enzim as: la piruvato carboxilasa y la FBPasa.
2-Fosfoglicerato
i
3-Fosfoglicerato
■►ADP 1,3-Difosfoglicerato
Gliceraldehído 3-fosfato—► Dihidroxiacetona fosfato
I__________________________)
La síntesis y la degradación de glucógeno están reguladas por hormonas
Fructosa 1,6-d ¡fosfato FBPasa
>j ^ F
Fructosa 6-fosfato Glucosa 6-fosfato ________
l____ Glucosa-1 fosfato
Glucosa
cp i in p
Glucógeno
El glucógeno está alm acenado en form a de gránulos que com binan el carbohidrato con las enzim as que catalizan su síntesis y su degradación. P ara producir glucógeno, las células ex traen las glucosa 6 -fosfato de la ru ta glicolítica usando la fosfoglucom utasa que produce glucosa 1-fosfato. Después ésta es m odifica da por la unión de difosfato de u rid in a (UDP) p a ra fo rm ar UDP-glucosa (Figura 3.12). La glucógeno sintetasa utiliza esta UDP-glucosa como sustrato, enla zando la glucosa al polím ero de glucógeno existente
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M e tabolism o y fisiología celular
Glucógeno (n) F ig u ra 3.12.
M e ta b o lis m o d e l g lu c ó g e n o .
La activación de glucosa 1-fosfato y de UDP-glucosa plrofosfatasa perm ite a la glucógeno sintetasa alargar la cadena de glucógeno. La glucógeno fosforllasa controla la ruptura del glucógeno para producir glucosa 1-fosfato.
y liberando el UDP. La síntesis de glucógeno requiere u n a inversión de energía. Cada vez que u n a m olécu la de glucosa se in co rp o ra al glucógeno, se gastan dos m oléculas fosfatadas de alta energía: u n ATP por la hexo q u in asa y u n UTP por la UDP-glucosa pirofosforilasa. Cuando las células n ecesitan glucosa, rom pen las m oléculas de glucógeno en un proceso llam ado g lu co g en ó lisis, que lib era la glucosa en form a de glucosa 1 -fosfato u san d o la enzim a glucógeno fosforilasa. E sta enzim a está regulada po r el AMP, que se acum ula cuando las células son energéticam ente po b res. S uperpuesto a esta regulación alostérica hay u n complejo p atró n de regulación covalente. Am bas enzim as, la glucógeno sin tetasa y la glucógeno fosforilasa, están reg u lad as p o r fosforilación-defosforilación, y el equilibrio en tre am bos procesos d eterm ina cuándo la m olécula de glucógeno debe crecer o dis m inuir. M uchos de los estím ulos que inducen cam bios en el m etabolism o del glucógeno ejercen efectos recíprocos en la glucógeno sin tetasa y en la glucóge no fosforilasa. Es decir, los cam bios celulares que ac tivan la glucógeno sin tetasa tam bién inactivan la glucógeno fosforilasa (Figura 3.13). Cuando las célu-
Glucógeno sintetasa (inactiva) Protein quinasa
Protein fosfatasa
Glucógeno sintetasa (activa)
Glucógeno (n glucosas)
Glucógeno (n+1 glucosas)
Glucógeno fosforilasa (activa) Glucógeno fosforilasa quinasa
Glucógeno fosforilasa fosfatasa
Glucógeno fosforilasa (inactiva) Fig u ra 3.13.
C o n tro l de la g lu c ó g e n o s in te ta s a
y la g lu c ó g e n o fo s fo r ila s a .
En condiciones en las cuales es deseable la ruptura del glucó geno, tanto la glucógeno sintetasa com o la glucógeno fosforila sa son fosforiladas por protein quinasas. La fosforilación inhibe la glucógeno sintetasa y estim ula la glucógeno fosforilasa. De form a análoga, la defosforilación de estas dos enzimas por pro teínas fosfatasas favorece la síntesis del glucógeno.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
las n ecesitan energía, dos p ro tein q uinasas diferen tes son estim uladas p a ra estim ular la degradación del glucógeno: u n a pro tein q uinasa activa la glucó geno sin tetasa y la o tra p ro tein q u in asa inhibe la glucógeno fosforilasa. A la inversa, cuando la célula tiene un excedente de energía, se activan dos protein fosfatasas: u n a inhibe la glucógeno fosforilasa y la o tra activa la glucógeno sin tetasa.
M etabolism o de lípidos Los lípidos tienen num erosas funciones en las células anim ales; actúan como sustratos de producción ener gética, elem entos de construcción de las m em branas, y m oléculas de señalización. Son vitales en el m etabolis mo energético de m uchas células, como las del tejido cardiaco, a m enudo m ás que los carbohidratos. Los lí pidos son ricos en energía y se alm acenan de form a efi ciente como gotitas lipídicas dentro de las células. Los tipos de lípidos m ás im portantes en el m eta bolismo energético son los ácidos grasos y los triglicéridos. Los ácidos grasos pueden descom ponerse en acetil CoA p o r /8-oxidación, u n a ruta cíclica que encontram os en la mitocondria. Muchos tejidos son tam bién capaces de sintetizar ácidos grasos a p artir de acetil CoA usando la enzim a ácido graso sintetasa. Los triglicéridos son la principal form a de alm acena m iento de los ácidos grasos. La lipog én esis es la síntesis de triglicéridos, a través de la cual los ácidos grasos son esterificados a u n a cadena de glicerol. La lip ó lisis es la hidrólisis de los triglicéridos, que libera ácidos grasos. Una regulación enzim ática alostérica y covalente im pide la sim ultaneidad de la síntesis y la degradación. Ade m ás, algunos tejidos están especiali zados en la síntesis de lípidos, y otros en la oxidación de lípidos.
La /3-oxidación mitocondrial oxida los ácidos grasos Los ácidos grasos son u n im portante com bustible p a ra m uchos tejidos, como el corazón de los m am íferos, que n orm alm ente obtiene un 70% de su energía de la oxidación de ácidos gra
F ig u ra 3.14.
sos. La ru ta de oxidación de ácidos grasos tiene lugar fundam entalm ente en la m itocondria, y tiene como producto final el acetil CoA. Dependiendo de las con diciones, este acetil CoA puede e n tra r en el ciclo de los TCA o ser derivado a otras rutas. Los ácidos grasos pueden ten er m uchas estructuras, que difieren en la longitud de la cadena, el patrón de ram ificaciones y el grado de saturación. E stas variaciones requieren re acciones secundarias p a ra convertir los ácidos grasos en form as que puedan e n trar en la ^-oxidación. Va m os a centrarnos en la ru ta de oxidación del palm itato, pero a lo largo del proceso irem os identificando algunas ru tas alternativas usadas p ara procesar otros ácidos grasos. Como el actual sustrato de la ^-oxidación es el acil CoA ácido graso, las células deben convertir prim ero los ácidos grasos en sus ásteres de CoA usando una acil CoA ácido graso sintetasa. Las cadenas de ácidos grasos m edias y cortas son capaces de e n tra r directa m ente en la m itocondria, donde se rán activadas por im a acil CoA ácido graso sintetasa. El palm itato, que no puede e n trar en la m itocondria, es activado por un a acil CoA ácido graso sintetasa extram itocondrial. Como la m itocondria no puede im portar directam en
T ra n s p o rte de á c id o s g ra so s a l in te r io r de la m ito c o n d ria .
El acil CoA ácido graso es tran sportado desde el citoplasm a al in te rio r de la m ito condria usando la carnitina palm ito il transferasa (CPT) y la lanzadera de la carnitina. Prim ero, el acil CoA ácido graso es tran sform ado en acil carnitina por la enzima CPT-1, liberando coenzim a A (CoASH). Después la acil carnitina es transportada a través de la m em brana interna m itocondria l por el intercam bio carnitina-acil carnitina, el acil CoA ácido graso es regenerado por la CPT-2.
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te ningún acil CoA ácido graso, em plea un complejo sistem a m ultienzim ático de tran sp o rte llam ado lan zad era de la carnitina (Figura 3.14). El acil CoA ácido graso atraviesa la m em b rana m itocondrial externa, donde la enzim a carnitina palm itoil tran sferasa- 1 , o CPT-1, reem plaza el CoA p o r carnitina, form ando car n itina acil ácido graso. Este ácido graso derivado es tran sp o rtad o a través de la m em brana m itocondrial interna, donde CPT-2 lo convierte de nuevo en acil CoA ácido graso. Esta elaborada com binación de tran sp o rte proporciona u n nivel de control adicional sobre la longitud de la cadena de oxidación del ácido graso. Regulando la actividad de la CPT-1, las células controlan cuanto ácido graso puede en trar en la m ito condria p a ra el catabolism o. La CPT-1 está inhibida p o r el m alonil CoA, el cual, como verem os m ás ad e lante en este capítulo, es un interm ediario en la sínte sis de ácidos grasos. Esta regulación alostérica da a la célula la garan tía de una oxidación de los ácidos gra sos a tiem po, cuando tam bién está inducida la biosín tesis de los ácidos grasos. Una vez dentro de la m itocondria, los ácidos gra sos en tran en la vía de la ^-oxidación (Figura 3.15). Ésta en u n a vía cíclica que corta secuencialm ente p a res de carbonos desde el final de la cadena del ácido graso, en form a de acetil CoA. El ácido graso reducido vuelve a la ru ta, y el ciclo es repetido h asta la total de gradación del ácido graso en acetil CoA. Con cada paso a través del ciclo, se producen equivalentes de reducción en dos procesos enzim áticos: la acil CoA ácido graso deshidrogenasa produce FADH,, y la /3-hidroxiacil CoA d eshidrogenasa produce NADH. Cerca del 30% de la energía lib erada desde los ácidos grasos deriva de los equivalentes de reducción producidos en la /3-oxidación. El 70% restante procede de la oxida ción del acetil CoA en el ciclo de los TCA. La /3-oxidación m itocondrial es la ru ta m ás im portante de degradación de los ácidos grasos, pero m uchas células poseen vías alternativas que comple m entan la ru ta m itocondrial. Los peroxisom as poseen en su interior una versión de la /3-oxidación que proce sa cadenas m uy largas de ácidos grasos (más de 22 carbonos), que no son eficientemente oxidados en la ru ta m itocondrial. La /i-oxidación peroxisom al proce sa los ácidos grasos de cadena muy larga a través de varios ciclos, que liberan ácidos grasos reducidos al ci toplasm a donde pueden ser oxidados por /3-oxidación m itocondrial. Una tercera ru ta de la oxidación de los ácidos grasos, llam ada co-oxidación, tiene lugar en el retículo endoplasm ático del hígado y riñones. Esta vía no es im portante en la producción energética, pero puede utilizarse en la síntesis de otros metabolitos.
M e tabolism o y fisiología celular
H
H
H
1 1 1 / —c —c —c —c I I I x0 H
H H Ácido graso
^ATP A cil CoA ácido graso sintetasa
- CoASH ‘•AMP+PP;
H
H
H
! i i / ►— C— C— C— C
i
i
A
s-CoA
Acil CoA ácido graso FAD
A cil CoA ácido graso deshidrogenasa
H
H
H
[ I 1 —c— c = c —c^
O
I
S-CoA
H Enoil CoA
Y "-'
Enoil CoA hidrolasa
H
OH H
i i i —C—C—C—C
A A A
/*
Xs-CoA
p-hidroxil CoA
r
$-hidroxiacil deshidrogenasa
- NAD+
N * NADHj+H*
II I /P — C—C—C—C I
I
X s-C0A
p-cetoacil CoA s - CoASH
H -----------C — C ^
H
¿>
\
//
^
X S-CoA
+ HC — C
X S-CoA
Acil CoA ácido graso Fig u ra 3 .15.
Acetil CoA
O x id a c ió n de á c id o s gra so s .
Los ácidos grasos son activados en el citoplasm a para form ar acil CoA ácido graso. Una vez transportado al in terio r de la m i tocondria, el acil CoA ácido graso entra en la ruta de la p-oxidación. La oxidación, hidratación, y tio lisis produce acetil CoA, equivalentes de reducción, y acil CoA ácido graso reducido en dos carbonos. El acil CoA ácido graso reducido vuelve a entrar en la ruta de la p-oxidación, y el ciclo se repite hasta que el áci do graso es reducido a unidades de acetil CoA.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Los ácidos grasos se sintetizan a partir de acetil CoA
tetizado el palm itato y es liberado por la enzim a. El palm itato es un com ponente habitual de las reservas de ácidos grasos, aunque m ucho del palm itato p ro ducido es procesado m ás adelante por enzim as com plem entarias. E stas enzim as alargan la cadena de carbonos e introducen dobles enlaces. El ácido graso m ás com ún en las células es eloleato (C18:l), que tie ne dos carbonos m ás que el palm itato y un único do ble enlace.
La síntesis de ácidos grasos utiliza el acetil CoA como elem ento p a ra construir largas cadenas de ácidos grasos, utilizando u n a ru ta enzim ática que es en esen cia la inversa de la ^-oxidación. El p rim e r paso p a ra la síntesis de ácidos grasos (Figura 3.16) está catalizado p o r la acetil CoA carboxilasa. Esta enzim a convierte el acetil CoA de dos carbonos en m alonil CoA de tre s carbonos, el su s tra to de la enzim a m ultiproteica ácido graso sintetasa. En cada ciclo a través de la ru ta, la ácido graso sinte ta sa utibza la energía red u cid a del NADPH p a ra a u m en tar la longitud de la cadena del ácido graso en dos carbonos. D espués de siete ciclos, cuando el áci do graso h a crecido h a s ta 16 carbonos, tenem os sin
Los triglicéridos son la principal forma de almacenamiento de lípidos Los triglicéridos, la principal form a de alm acena m iento de los ácidos grasos, están form ados por tres ácidos grasos esterificados a u n a m olécula de glice-
Acetil CoA
hco3-
^ Acetil CoA carboxilasa
\D P + P ¡-*-^ HCOH
I
ch^ ° \ Í H2 ^ c ;c=o i" ' i s
1
^ FAS
. u \ FAS CoASH
lNADPH]
I
s A
\ " CoASH
FAS
©
FAS
©
Acido graso sintetasa
FAS
© CHS
ch3
ch3
CH.
CH? 1 CH? i 1 C= 0 1 S 1
CH II CH i1 c =o 1 S í
¿
¿
CH, I1 c =o l/ '- N S SH 1 1 FAS
Fig u ra 3 .16.
c =o
s
, ^
SH T ©
SH T ©
FAS
FAS
S ín te s is de á c id o s g ra so s .
El acetil CoA es la m olécula a p artir de la cual se sintetizan los ácidos grasos, pero prim ero debe ser activada tra n s fo rm á n dola en m alon il CoA, gracias a la enzima acetil CoA carboxilasa. La ácido graso sintetasa (FAS) utiliza el m alon il CoA para añadir dos unidades de carbono a la cadena de ácido graso en crecim iento, a través de una serie de cuatro reacciones: (1) condensación, (2) reducción, (3) deshidratación y (4) reducción. Al final del ciclo, (5) el ácido graso cam bia de posición, lo que perm ite la unión de un nuevo m a lon il CoA.
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rol. M uchos tejidos p u ed en p roducir triglicéridos a p a rtir de ácidos grasos p a ra alm acen ar d u ran te la r go tiem po este im p o rtan te com bustible m etabólico. Tejidos específicos actú an como tejidos de alm ace nam iento de lípidos, produciendo o liberando ácidos graso s según las n ecesidades de otros tejidos. Estos tejidos incluyen el adiposo y el hígado en v erte b ra dos, y el h ep ato p án creas o cuerpo graso en inverte brados. La síntesis de triglicéridos, o lipogénesis, es un proceso de m últiples pasos solapado con la síntesis de fosfolípidos (Figura 3.17). Cada ácido graso es ac tivado en su éster de CoA p or u n a acil CoA ácido g ra so sintetasa. Com enzando po r glicerol 3-fosfato, los ácidos grasos son añadidos secuencialm ente al car bono 1 y m ás tard e al carbono 2. Después de elim inar el grupo fosfato, se form a el diacilglicerol. La adición de u n tercer ácido graso com pleta la m olécula de triglicérido. La degradación de los triglicéridos, o lipólisis, re quiere u n a enzim a llam ada lip a sa que ataca a la m o lécula de triglicérido y rom pe el enlace entre el ácido graso y el esqueleto de glicerol. Las lipasas sensibles a las h o rm onas liberan los ácidos grasos de los trigli céridos y diglicéridos. Otra lipasa, la monoglicérido lipasa, com pleta la descom posición del triglicérido, li b erando el último ácido graso del esqueleto de glice rol. Estos ácidos grasos liberados o bien se utilizan directam ente dentro de la célula, o bien se em iten a la circulación p a ra el consum o en otros tejidos que los utilizan como m etabolism o energético. El equilibrio entre la síntesis y la degradación de triglicéridos está cuidadosam ente controlado en los anim ales. La degradación de triglicéridos no produce energía directam ente, pero la síntesis sí requiere energía. Como en otras vías que hem os descrito, si la síntesis y la degradación ocurren sim ultáneam ente, las células pueden desperdiciar energía.
Los ácidos grasos pueden transformarse en cuerpos cetónicos Los ácidos grasos son u n a fuente de energía valiosa, pero en algunas condiciones pueden ser prim ero pro cesados en cuerpos cetónicos: acetona, acetoacetato y /3-hidroxibutirato (Figura 3.18). Los cuerpos cetóni cos proporcionan un tipo de com bustible p a ra los teji dos que no pueden u sa r directam ente los ácidos grasos. El cerebro de los m am íferos depende norm al m ente de la oxidación de la glucosa p a ra la energía, pero después de un periodo largo de falta de alimento, los niveles de glucosa dism inuyen, forzando a los teji-
M e tabolism o y fisiología celular
Dihidroxiacetona fosfato
Glicerol
OH+ H+
2
Acido graso
%*
c h 2o h
Mur
CH— OH
I
CoA— S — C — R Acil CoA ácido graso
CH2— o — P¡ Glicerol 3-fosfato Acil CoA ácido graso
Acil CoA ácido graso
►CoASH
O ii
CH2— ° — c
— F¡1
II
CH — O—C— R2 CH2— O — P¡ Ácido fosfatídico
CH2— o — c —Rt I
II
CH — O—C— R2 c h 2o h
1,2-Diacilglicerol Acil CoA ácido graso
►CoASH
O
II
CH2— o — c — Rt CH— O -C — R2
ii CHo— O — C — Ro Fig u ra 3 .17.
S ín te s is de tr ig lic é r id o s .
El glicerol 3-fosfato, producido por glicólisis (dihidroxiace tona fosfato) o glicerol, es el aceptor de dos ácidos grasos activados (acil CoA ácido graso) en un doble proceso secuencial. La form ación de trig lic é rid o s requiere la defosforilación y adición de otro grupo ácido graso en la tercera y últim a posición de la cadena de glicerol.
dos a depender m ás de las reservas de lípidos. Como el cerebro no puede u sa r directam ente los ácidos gra sos, el hígado convierte estos ácidos grasos en cuer pos cetónicos, que pueden se r transportados al interior del cerebro y oxidados. El prim e r paso en la síntesis de los cuerpos cetó nicos, o c e to g é n e sis, es la producción de acetoacetil
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In te g ra c ió n de las ru ta s del m e ta b o lis m o e n e rg é tic o
Cetogénesis
Acetoacetil CoA Acetil CoA
HMG CoA sintetasa
HMG CoA liasa Acetoacetato NADH + H P-HBDH
NAD+ p-hidroxibutirato Fig u ra 3 .18.
$-HBDH
i NAD+
p-hidroxibutirato
M e ta b o lis m o c e tó n ic o .
El acetil CoA puede convertirse en cuerpo cetónico, acetoacetato y p-h id ro x ib u ti rato. Esta reacción norm alm ente ocurre en tejid o s cetogénicos específicos, com o el hígado. Los cuerpos cetónicos son liberados a la sangre para el consum o en los te jid o s cetolíticos, com o el cerebro. El acetil CoA es resintetizado con el consum o de un GTP para regenerar el sustrato succinil CoA.
CoA a p a rtir de dos m oléculas de acetil CoA, cataliza do po r u n a tiolasa. É sta es la m ism a enzim a u sa d a en el últim o paso de la /3-oxidación, pero en la cetogéne sis actúa en sentido inverso. Después de la conden sación con otro acetil CoA y la subsiguiente hidrólisis se form a el acetoacetato. Éste puede tra n sfo r m arse en /3-hidroxibutarato po r la enzim a /8-hidrox ib u tarato desh id ro g en asa (,3-HBDH), o rom perse esp o n tán eam en te p a ra fo rm ar acetona. En los teji dos diana, la c e to lisis reconvierte el |8-hidroxibutarato y el acetato en acetil CoA. El acetoacetato es activado a éster de acetil CoA, y se hidroliza entonces p o r la tiolasa p a ra fo rm ar dos m oléculas de acetil CoA. Los cuerpos cetónicos son una útil alternativa a los ácidos grasos p ara m uchos m am íferos. Aunque se pierde algo de energía en el ciclo completo de la ceto génesis y la cetolisis, p a ra algunos tejidos, en especial en condiciones de inanición, los cuerpos cetónicos son la única fuente de energía m etabólica disponible. Los condrictios (tiburones y sus parientes) de hecho aparece bioquím icam ente predispuestos a u sar los cuerpos cetónicos como su com bustible “lipídico”. A diferencia de otros vertebrados, sus m úsculos son in capaces de utilizar directam ente los ácidos grasos; dependen, en cambio, de los cuerpos cetónicos como com bustible p a ra la energía.
Las estrategias m etabólicas en los ani m ales controlan las constantes fluc tuaciones en la disponibilidad de nutrientes, las dem andas energéticas y las condiciones am bientales. P ara asegurarse el correcto flujo de la en er gía n ecesaria requieren exquisitos controles en las rutas de los m etabolis m os interm ediarios. Pueden regularse recíprocam ente ru tas opuestas p ara evitar la sim ultaneidad en la síntesis y la degradación de un nutriente rico en energía, en lo que se conoce como ci clos fútiles. De form a similar, pueden utilizarse varias alternativas de modo que se consideren las ventajas y des ventajas de cada tipo de combustible. La elección está tam bién influida por las prioridades m etabólicas a corto o largo plazo de las células y los organis-
Los intermediarios energéticos regulan el equilibrio entre anabolismo y catabolismo Muchas células tienen m ás o m enos entre 2 y 10 nmol de ATP por gram o de tejido. Los tejidos activos pue den consum ir ATP a u n a velocidad ta n alta como 3050 (¿mol por gram o. Si las células d ejaran de sintetizar ATP, sus reservas de ATP podrían dism inuir en cuestión de segundos. P ara evitar el déficit de en er gía, las células coordinan cuidadosam ente las vías de síntesis y de utilización del ATP. Una célula activa las ru tas de producción de energía cuando necesita en er gía, pero cuando ésta es abundante estim ula rutas anabólicas, reservando nutrientes o produciendo ele m entos esenciales p a ra el crecim iento o la división ce lular. ¿Cómo perciben las células la necesidad de energía y regulan la transición entre anabolism o y ca tabolism o? M uchas de las rutas que hem os descrito son sensibles a los indicadores celulares del estado energético, sobre todo del acetil CoA, los adenilatos y elNSDH. Los cam bios en las concentraciones de estos productos reflejan el estado energético y producen cam bios com pensatorios en las rutas m etabólicas. Cuando las células están en un estado de "alta en er gía” las concentraciones de acetil CoA, NADH y ATP son relativam ente altas y las concentraciones de CoA, NAD+, ADP y AMP son bajas. Recordem os que estos
C A P ÍTU LO 3
m etabolitos estim ulan la gluconeogénesis m ientras inhiben la glicólisis (Figura 3.19). E quiparando el rit mo de síntesis con el de consum o de ATP, las células son capaces de m an ten er las concentraciones de ATP en m árgenes estrechos. Los anim ales tam bién pueden u sa r otros m etabo litos p a ra regular recíprocam ente ru tas opuestas. Cuando las condiciones m etabólicas inducen a las células a llevar a cabo la síntesis de ácidos grasos, el increm ento en los niveles de m alonil CoA bloquea la oxidación de los ácidos grasos inhibiendo CPT-1. Más allá, las células sep aran anabolism o y catabolismo usando tejidos especializados. El hígado tiene las en zim as de la cetogénesis pero no puede degradar los cuerpos cetónicos. Los m úsculos tienen las enzim as de la cetolisis pero no pueden sintetizar los cuerpos cetónicos. De hecho, el control del metabolism o e n er gético en los anim ales complejos refleja un a división en el trabajo de algunos tejidos que trab ajan así p a ra
Glucosa
i i
Fructosa-6-fosfato
Fructosa-1, 6-difosfato Glicólisis
Gluconeogénesis
i
I
|
I
Fosfoenol piruvato
Oxaloacetato
M e tabolism o y fisiología celular
otros. El hígado y el tejido adiposo desem peñan im p ortantes funciones p a ra el equilibrio m etabólico to tal del anim al, dando poca prioridad a sus propias necesidades m etabólicas y celulares.
Las propiedades físicas de los combustibles influyen en su elección Cada uno de los principales com bustibles m etabólicos tiene propiedades físicas que influyen en el modo en que este com bustible es alm acenado y usado. Los car bohidratos se alm acenan como grandes granulos de glucógeno cubierto por m oléculas de agua que form an un a capa de hidratación. Los glánulos de glucógeno pueden ser ta n grandes que interfieren en los proce sos celulares. Algunos tejidos, como el m anto de los m oluscos bivalvos, pueden acum ular grandes canti dades de glucógeno sin problem as, pero si el glucóge no alcanza estos niveles en un m úsculo puede im pedir la norm al contracción muscular. Aunque el glucógeno es rápidam ente movilizado, sus propiedades físicas im piden que m uchas células lo alm acenen en grandes cantidades. En cam bio, los lípidos están alm acenados en concentraciones m ucho m ayores en la form a des h id ratad a de gotas am orfas de triglicéridos. E stas di ferencias físicas, junto con el contenido energético de u n a cantidad dada del combustible, afectan a la selec ción de éste. Las células pueden obtener cerca de diez veces m ás ATP de los lípidos que de un a m ism a canti dad de glucógeno. Dadas las ventajas de los lípidos como fuente de energía, puede asom brarnos que los anim ales usen el glucógeno como tal. Recordemos que el glucógeno puede m ovilizarse m ucho m ás rá p i dam ente que los lípidos, y juega un papel esencial en condiciones en que la energía es necesaria con ra p i dez, como en la resp u esta “ataque o h u id a”. Muchas células usan u n a com binación de lípidos y carbohi dratos p a ra equilibrar las ventajas y desventajas de cada uno de los com bustibles.
fAcetil CoA Piruvato
+NADH +Acetil CoA +ATP Fig u ra 3.19.
'' Acetil CoA
R e g u la c ió n r e c íp r o c a d e l m e ta b o lis m o
de la g lu c o s a .
Los com puestos de alta energía, com o el ATP, acetil CoA y NADH, inhiben la glicólisis y estim ulan la gluconeogénesis en las enzimas reguladoras clave.
La selección de combustible puede ser calculada a partir del cociente respiratorio Cada u n a de las ru tas de oxidación de los com busti bles m u estra u n a relación característica entre la cantidad de (1) ATP producido, (2) oxígeno consum i do y (3) CO, generado. La razó n de que estos p a r á m etros difieran en tre los com bustibles puede estar en el origen de las diferentes vías de degradación. Los porcentajes de las diferentes com binaciones de estos tres p arám etro s proporcionan inform ación
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acerca de la selección del com bustibe. La diferencia en la relación en tre el ATP producido y el oxígeno consum ido (ratio ATP/O) puede se r un vestigio de la dependencia de las enzim as ligadas a FAD. Cada vez que u n a m olécula de NADH se produce en la m ito condria, la fosforilación oxidativa puede p ro d u cir 3 m oléculas de ATP y consum ir 1 átom o de oxígeno (ATP/O = 3). Cuando se produce u n a m olécula de FADH2, sólo se g en eran 2 m oléculas de ATP m ientras se consum e el m ism o único átom o de oxígeno (ATP/O = 2). La oxidación de los carbohidratos usa fundam entalm ente enzim as dependientes de NADH, y la oxidación de los lípidos lib era m ucho m ás con las enzim as dep en d ien tes de FAD. Debido a esta dife ren cia, los carb o h id rato s rin d en m ás ATP p a ra un volum en de oxígeno dado. Esta diferencia surte efec to en la elección del com bustible, al m enos en los anim ales que viven en niveles bajos de oxígeno. Por ejem plo, el corazón de la m ayoría de los hum anos u tiliza lípidos com o fuente de energía. En contraste, los hu m an o s que viven a altitudes elevadas, como los h ab itan tes del altiplano de los A ndes, d ependen m u cho m ás de la oxidación de la glucosa. Por supuesto, en u n a situación de hipoxia o anoxia m ás extrem a, tien en pocas posibilidades si sólo d ependen de la gli cólisis. Las diferencias en la relación de CO, producido p o r 0 2consum ido, conocida como co cien te r e sp ir a torio (RQ), su rg en a p a rtir de las ru ta s de oxidación. La glucosa tiene 6 carbonos, y oxidándola por com pleto a 6 CO, d a 2 NADH en el citoplasm a, 2 NADH vía PDH, 6 NADH vía ciclo de los TCA, y 2 FADH2 vía succinato deshidrogenasa. Los 12 equivalentes de reducción consum en 12 átom os de oxígeno, o 6 m o léculas de O,. Así, la oxidación de carbohidratos da u n RQ de 1 (6 m oles de CO, por 6 m oles de 0 2). En cam bio, la oxidación de los ácidos grasos gen era un RQ de cerca de 0,7, aunque el valor exacto depende del tipo de ácido graso. C onsiderem os la ru ta de oxi dación del palm itato. Como es un ácido graso de 16 carbonos, se g en eran 16 m oles de CO, por m ol de palm itato. Se n ecesitan siete ciclos de ^-oxidación p a ra d eg rad ar el palm itato en 8 m oléculas de acetil CoA, rindiendo 7 FADH2y 7 NADH. La oxidación de los 8 acetil CoA en el ciclo de los TCA da 24 NADH y 8 FADH2. La oxidación de los 46 equivalentes de red u c ción consum e 23 m oles de O,, dando un RQ de 0,7 (16 m oles de CO, p o r 23 m oles de O,). Como consecuen cia de esta característica relación entre RQ y el com bustible de oxidación, las m edidas del C0 2 producido y el 0 2 consum ido p o r el conjunto de los anim ales p u ed en a p o rta r elem entos im portantes de com pren
sión de las ru ta s que son u sa d as como soporte del m etabolism o energético.
I F is io lo g ía c e lu la r Al inicio de este texto, veíam os como los orígenes evo lutivos de los anim ales requerían una nueva relación entre las células p a ra fom entar las relaciones m ultice lulares. Las m em branas celulares 1 llevan a cabo dos funciones principales que son esenciales en la multicelularidad y en la función celular. Prim ero, perm ite a la célula aislarse del am biente en sí m ism a, dándole el control sobre las condiciones intracelulares. Segundo, las m em branas ayudan a las células a organizar rutas intracelulares en com partim entos subcelulares dife renciados, incluyendo orgánulos. La separación de los procesos tam bién requiere m ecanism os específicos de transferencia de moléculas a través de las m em bra nas. M uchas propiedades y respuestas fisiológicas de penden del transporte celular y de la transferencia entre com partim entos subcelulares. En últim a instan cia, las propiedades celulares que determ inan la fun ción fisiológica están controladas a través de la regulación de la expresión génica. Las diferencias fi siológicas entre las especies tam bién están al final re lacionadas con la variación genética que se presenta después de la divergencia entre los linajes.
Estructura de la m em brana Todas las m em branas celulares están com puestas por u n a bicapa lipídica. El m odelo del m osaico fluido, m ostrado en la Figura 3.20, ilustra las características estructurales de las m em branas biológicas. Cada una de estas dos capas es u n a lám ina de m oléculas lipídicas ordenadas u n a al lado de otra. Muchos de los tipos de lípidos presentados en el Capítulo 2 pueden encon tra rse en la m em brana, pero los m ás com unes son los fosfolípidos, en especial los fosfoglicéridos. Dos monocapas se ju n ta n p a ra form ar la bicapa lipídica. La superficie de la bicapa lipídica está form ada por las cabezas polares de los fosfolípidos, y la zona interna está com puesta po r las cadenas de los ácidos grasos de los fosfolípidos unidas a través de fuerzas de van der Waals. 1 Las mem branas celulares se refieren a todas las membra nas del interior de la célula, entre ellas la m embrana plas mática que rodea la célula y las membranas que forman los orgánulos.
C A P ÍTU LO 3
Residuo de azúcar de gílcoproteína Gllcoproteína
Bicapa fosfolipídíca
Canal proteico
Proteínas periféricas
F ig u ra 3.20.
Proteínas Integrales
Colesterol
M o d e lo d e l m o s a ic o flu id o .
Las m em branas están form adas por lípidos com o lo sfosfolípídos, colesterol y glicolípídos. Las proteínas pueden estar em bebidas en la bícapa llpídíca. Cada uno de los elem entos se m ueve en la m em brana la teralm ente, dando un flu id o funcional.
El perfil de los lípidos influye en las propiedades de la membrana Los an im ales p ro d u cen m em b ran as especializadas con rasg o s m oleculares únicos, g racias a la v aria ción de la e s tru ctu ra y pro porción de los diferentes tipos de lípidos; a esto se lo conoce con el nom bre de perfil lipídico. M uchas de las variaciones pu ed en ser atrib u id a s al perfil de los fosfoglicéridos, de los cu a les los m ás a b u n d an tes son la fosfatidilcolina (PC), la fosfatidilserina (PS) y la fosfatidiletanolam ina (PE). Cada uno de estos fosfolípidos es en realid ad u n a clase de m oléculas que difiere en la longuitud y sa tu ració n de la cad en a de ácidos grasos. A unque los fosfoglicéridos son las m oléculas m ás a b u n d an tes en la bicapa, las m em b ran as tam bién poseen otros lípidos, en tre los que se incluyen esfingolípidos, glicolípidos y colesterol, así como n u m ero sas p ro teí nas. Los esfingolípidos tien en la m ism a estru ctu ra g en eral que los fosfolípidos, pero con diferentes p ro p ied ad es físicas. Los glicolípídos re c u erd an a los fosfolípidos, pero con m odificaciones en el esquele to carb o h id rato que trasm iten u n a carga negativa a la cab eza polar. Las células nerviosas poseen altas con cen tracio n es de esfingolípidos y de glicolípídos ya que m odifican las p ro p ied ad es eléctricas de la m em b ran a. Los glicolípídos son tam b ién im p o rtan tes en la com unicación en tre células. El colesterol tien e u n p ap el poco com ún en las m em b ran as. A unque falta en algunas m em b ran as, com o la m e m b ran a m itocondial, el colesterol puede llegar a co n stitu ir la m itad de los lípidos que form an
M etabolism o y fisiología celular
o tra s m em b ran as. El colesterol influye en las p ro p ied ad es de las m e m b ra n a s de form a com pleja, debido al m odo en que se in teg ra en la b icap a lipídica (Figura 3.21). Un extrem o de la m olécula interactú a con los fosfolípidos cerca del g ru po de la cabeza polar, rellenando los espacios en tre los fosfolípidos p a ra r e ducir la p erm eab ilid ad a los solutos de bajo peso m olecular. El colesterol ta m bién rom pe las in teraccio n es en tre los ácidos g raso s y au m en ta la fluidez de la m em b ran a. La in u su a l cap acid ad del co lesterol de a u m e n ta r la fluidez de la m e m b ra n a m ien tra s dism inuye la p e r m eabilidad p ro p o rcio n a a los anim ales un im p o rtan te m ecanism o p a ra c o n tro la r las p ro p ied ad es de la m em b ran a.
Los lípidos de membrana son heterogéneos A unque el m odelo del m osaico fluido ilustra las rela ciones generales entre los lípidos y las diferentes pro teínas de las m em branas, subestim a la variación espacial vista en los lípidos de m em b ran a (Figu r a 3.22). Las capas in tern a y externa de la bicapa de fosfolípidos poseen típicam ente tipos diferentes de lí pidos. E ncontram os PE y PS casi exclusivam ente en la capa interna, m ientras PC esta concentrado en la capa externa. Los glicolípídos sólo se encuentran en
X CH/
F ig u ra 3 .21.
X CH?
P ro p ie d a d e s d e l c o le s te r o l in u s u a le s en la
m e m b ra n a .
El colesterol refuerza las interacciones entre las cabezas pola res de los grupos fosfolíp idos m ientras que rom pe las in te r acciones entre las cadenas de ácidos grasos.
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de los lípidos consiguiendo el grado a p ro p iad o de m ovim iento m olecular. Como se expone en el Capítulo 2, las fu erzas de v an der W aals son enlaces débiles sen sib les a las condiciones am b ien tales. La b aja te m p e ra tu ra , p o r ejem plo, p uede re fo rz a r las in te r acciones en tre los lípidos de la m em b ra n a y re strin g ir los m ovim ientos en su in te rio r (Figura 3.23). Como esto p uede afectar n eg ativ am en te a la fu n Citoplasma Balsa de lípidos cionalidad de la m e m b ra n a , m uchos an im ales rem o d elan activam ente sus Fig u ra 3.22. H e te r o g e n e id a d de la m e m b ra n a . m e m b ra n a s p a r a co m p en sar los efec Las membranas celulares son heterogéneas en composición. Muchas células to s del en to rn o físico. A lterando el tienen distintos perfiles en las monocapas interna y externa, y a veces intercam perfil de lípidos de la m em b ran a, bian fosfolípidos entre las capas. Las balsas de lípidos son regiones de la m em brana plasmática que acumulan colesterol y glicolípidos, engrosando la p u ed en m a n te n e r la fluidez de la membrana. Esta región engrosada adhiere proteínas con grandes dominios m e m b ra n a con stan te. E ste p a tró n de transmembrana. regulación de la m e m b ra n a se llam a a d a p ta ció n h o m e o v isco sa . Hay tres vías por las que las m em b ran as lipídicas p u ed en a lte ra rs e p a ra com pensar la capa externa. La m em b ran a tam bién posee dife la dism inución de la fluidez; cada estrateg ia reduce ren tes regiones enriquecidas con colesterol y glicolí pidos. E stas b a lsa s de líp idos son típicam ente m ás el n úm ero de interacciones de van der W aals entre los fosfolípidos. En p rim e r lugar, las células p ueden rígidas que la fluida m em b ran a que las rodea y sirven p a ra dos im portantes funciones. Su com posición m o re m p la z a r las larg as cad en as de ácidos grasos en las colas de los fosfolípidos po r ácidos grasos de ca lecular produce un ligero engrosam iento de la bicapa d en a corta. En segundo lugar, pu ed en introducirse lipídica. Como consecuencia, aquellos fosfolípidos con larg as cadenas de ácidos grasos o con ácidos gra dobles enlaces en los ácidos grasos p a ra in te rru m p ir la estru ctu ra lineal de las colas. Los pliegues en sos satu rad o s tienden a localizarse en estas balsas de las colas im piden de form a efectiva la form ación de lípidos por sus g randes colas. Asimismo, las proteí n as con dom inios tran sm em b ran a relativam ente enlaces con otros ácidos grasos. En tercer lugar, las células p u ed en alte ra r los tipos de fosfolípidos p a ra g randes tam b ién se acum ulan en estas zonas. Debido apro v ech arse de las diferencias in h eren tes a la a la diferente com posición m olecular de las balsas de m ovilidad de los grupos polares. La adaptación h o lípidos, éstas pueden actu ar como m icrocom partim eoviscosa de las m em b ran as celulares h a sido d e m entos dentro de las células, dando a la célula una vía adicional p a ra organizar rutas. m o stra d a en n u m ero so s organism os en re sp u e sta a los diferentes factores de estrés am biental, tales Fluido extracelular
El estrés ambiental puede alterar la fluidez de la membrana Una p a rte esen cial del m odelo del m osaico fluido es la cap ac id a d de los co n stituyentes de m overse a tra v é s de la m e m b ra n a . Los fosfolípidos pu e d e n ro ta r en su posición así com o m overse lateralm en te a tra v é s de la m em b ran a. Las condiciones que p e r m iten a los lípidos el m ovim iento son tam b ién a d e cu ad as p a ra el m ovim iento de las p ro teín as. La fluidez de la m e m b ra n a d ep en d e de las p ro p ie d a des de los lípidos de la m e m b ra n a , que e stán influi dos p o r el en to rn o físico. Las células reg u lan la fluidez de la m e m b ra n a co n trolando la n a tu ra le z a
Líquido cristalino F ig u ra 3.23.
Gel
T e m p e ra tu ra y flu id e z de la m e m b ra n a .
La temperatura altera la fluidez de las membranas al modifi car la Interacción entre los fosfolípidos.
C A P ÍTU LO 3
como la tem p e ra tu ra , la p resió n hid ro stática y la concentración de sal.
Las membranas poseen proteínas integrales y periféricas Las pro teín as son u n constituyente esencial de m u chas m em b ran as celulares; en algunos casos consti tuyen m ás de la m itad de la m asa de la m em brana. A lgunas p ro teín as, conocidas po r el nom bre de p ro te m a s de m em b ran a in tegral, están fuertem ente u n id as a la m em b ran a, bien em bebidas en la doble capa lipídica, bien atrav esando la m em b ran a en su totalidad. Las p ro teín a s p eriférica s tienen una asociación m ás débil con la bicapa lipídica. N orm al m ente, estas p ro teín as se unen a las pro teín as de m em b ran a in teg ral o a veces al com ponente lipídico, como las glicoproteínas. Las diferentes relaciones en tre la b icapa y las p ro teín as de m em b ran a se m u estran en la Figura 3.24. Las proteínas de m em brana tienen im portantes funciones estructurales y reguladoras en la célula. Contribuyen al soporte estructural relacionando las proteínas de soporte intracelular con las extracelulares. Como las m em b ran as son b a rre ra s físicas p ara el movim iento libre de m uchos solutos orgánicos e inor gánicos esenciales, las células usan proteínas integra les p a ra tra n sp o rta r las m oléculas a través de las m em branas.
M etabolism o y fisiología celular
Transporte a través de m em brana Muchos procesos celulares dependen de la capacidad de m over moléculas a través de las m em branas. Las células deben ser capaces de obtener nutrientes y ex pulsar productos finales a través de sus m em branas plasmáticas. Las horm onas sintetizadas en las células deben ser procesadas y em paquetadas p ara la secre ción. Todas las células anim ales deben ser capaces de m over iones específicos a través de su m em brana plas m ática p ara controlar sus propiedades iónicas y osmó ticas. Proteínas integrales específicas de m em brana son las m ediadoras en estos procesos de transporte. Las propiedades cinéticas de los transportadores son sim ilares a las de las enzim as tratadas en el Capítulo 2; los transportadores tienen una constante de afinidad (K J y u n a velocidad m áxim a C/max). Las tres clases principales de transporte a través de la m em brana son la difusión pasiva, la difusión facilitada y el transporte activo. Estos tipos de transporte se distinguen por la di rección del transporte, la naturaleza del transportador y el papel de la energía en el proceso (Figura 3.25).
Las moléculas liposolubles atraviesan la membrana por difusión pasiva
Aunque las m em branas son barreras p ara el movi miento de m uchas moléculas, algunas son capaces de atravesar las m em branas sin necesidad de un tran s portador. La capacidad de una molécu la p ara cruzar libremente una m em brana biológica depende de su hidrofobicidad. Muchos solutos, como las horm onas esteroídicas, son solubles en lípidos. Cuando estas moléculas en cuentran una m em brana celular se di suelven en la bicapa lipídica y escapan hacia el otro lado. Tanto la entrada como la salida se producen sim ultánea m ente, pero el movimiento neto (entrada-salida) depende del gradiente de concentración. El movimiento neto de las moléculas es de altas a bajas con F ig u ra 3.24. P ro te ín a s in te g r a le s de m e m b ra n a . centraciones. Cuanto m ayor es el gra Las proteínas de m em brana pueden establecer m uchos tip o s diferentes de rela diente de concentración, m ayor es la ciones con las m em branas. Cada proteína de m em brana tiene en su estructura tasa de movimiento a través de la m em regiones hidrofóbicas que interaccionan favorablem ente con la bicapa. brana. Este tipo de transporte se llama D ependiendo de la proteína, estas regiones pueden ser a-hélices o en barril-p. Las proteínas transm em brana atraviesan por com ple to la bicapa, exponiendo difusión pasiva. No se requieren regiones a un lado y a otro de la m em brana. A m enudo estas regiones expues transportadores específicos ni energía tas poseen m odificaciones, com o la cadena de carbohidrato de las glicoproteí adicional, aparte del mismo gradiente nas. Las proteínas periféricas de m em brana no están incrustadas dentro de la de concentración, p ara transportar la m em brana sino asociadas con regiones expuestas de proteínas integrales de m em brana. molécula a través de la m em brana.
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PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Debido a que la difusión pasiva está controlada principalmente por las pro piedades físicas de la molécula, las cé lulas poseen pocos m ecanism os para controlar la tasa de difusión pasiva.
Medio extracelular Soluto soluble en lípidos
Las proteínas de membrana pueden facilitar la difusión de moléculas no permeables P ara m uchas m oléculas, los g rad ien Difusión Canal Permeasa Transporte tes de concentración p u ed en favore pasiva I-----------------------------------1 activo cer el m ovim iento a trav és de las Difusión facilitada m em b ran as, p ero la m olécula en sí Medio intracelular es dem asiado hidrofílica p a ra poder Fig u ra 3.25. M o d e lo s de tra n s p o rte a tr a v é s de m e m b ra n a . cruzar. E stas m oléculas hidrofílicas atrav iesan las m em b ran as p o r otras Los m ecanism os de transporte a través de la m em brana celular dependen de la solubilida d de los solutos en los lípidos, así com o de la dirección y la m agnitud del ru ta s que im plican a p ro teín as tr a n s gradiente de concentración. La difusión pasiva no necesita transportadores, ya p o rta d o ra s específicas. Este tipo de que los solutos solubles en lípidos se m ueven librem ente a través de la m em bra tra n sp o rte , llam ado d ifu sió n fa c ili na. La d ifusión facilitada transporta solutos im perm eables a través de la m em bra tada, está m ediado p o r p ro teín as. Al na gracias a las proteínas transportadoras, incluyendo canales (tanto canales iónicos com o porinas) y permeasas. Los solutos pueden ser tam b ién tran sporta igual que en la difusión pasiva, no se dos por tran sporte activo, que puede m over m oléculas contra un gradiente de concentración. req u iere m ás en erg ía que el g rad ien te de concentración p a ra pro vocar el tran sp o rte. Tres tipos prin cip ales de p ro teín as llevan a cabo la difusión facilitada: ca n a K+ o N a+ cruzar a ritm o sensible. La especificidad del les iónicos, p o rin as y p erm easa s (véase la Figu tran sp o rte se debe a un com ponente estructural del r a 3.25). canal conocido como filtro selectivo. El canal puede Los ca n a les ió n ico s son p roteínas de m em brana abrirse en respuesta a condiciones celulares. Los c a que form an poros a través de los cuales sólo pueden n a les d ep en d ien tes de ligan d o se ab ren cuando es p asar iones específicos, y sólo cuando el canal está tá n presentes m oléculas reguladoras específicas abierto. Los canales son específicos p a ra uno o a ve (Figura 3.26). Un canal dependiente de ligando im ces dos iones. Los canales de Ca2+, po r ejemplo, po portante es el canal de Ca2+ sensible al inositol trifos seen una estru ctu ra que perm ite el movim iento libre fato (IP3); este canal induce la liberación del Ca2+ de calcio, pero no perm ite a otros cationes como Mg2+, alm acenado cuando está presente su ligando IP3. Los
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(a) Dependiente de voltaje Fig u ra 3 .26.
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(b) Dependiente de ligando
(c) Mecanodependientes
T ra n s p o rta d o re s im p lic a d o s en la d ifu s ió n f a c ilita d a .
Los canales son proteínas que m edian en la difusión facilitada de iones y otros m etabolitos. Los canales pueden tener una conform ación tanto abierta com o cerrada. Se abren para im pulsos concretos, incluyendo ligandos es pecíficos, condiciones de voltaje, o asociaciones físicas con elem entos estructurales.
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C A P ÍTU LO 3
ca n a les d ep en d ien tes de voltaje se ab ren o cierran en resp u esta al potencial de m em brana. Por ejemplo, los canales de K+ en los m úsculos y las neuronas se ab ren cuando la m em b ran a se despolariza. Los ca n a le s m eca n o d ep en d ien tes se regulan a través de interacciones con las proteínas subcelulares que constituyen el citoesqueleto. Cuando la form a de la célula cam bia, como sucede con la actividad m uscular o los cam bios en el volum en celular, el citoesqueleto puede sufrir cam bios estructurales. Mediante interac ciones directas con el citoesqueleto, los canales m eca nodependientes n otan el cambio en la form a de la célula y resp o n d en abriéndose o cerrándose. Los ca nales dependientes desem peñan im portantes papeles en m uchos procesos fisiológicos, particularm ente en nervios y músculos. Las porin as son grandes canales que funcionan de form a sim ilar a canales iónicos pero perm itiendo el paso de m oléculas m ucho m ayores. Un tipo de porina, la acuaporm a, perm ite al agua atrav esa r la m em b ra n a plasm ática. Cada m olécula de acuaporina puede tra n sp o rta r tres mil millones de m oléculas de agua por segundo. Otro tipo de porina se encuentra en la m em b ran a externa de la m itocondria, donde p er m ite la transferencia de moléculas de bajo peso m ole cular desde el citoplasm a a la mitocondria. El tercer tipo de proteína que facilita la difusión es im a perm easa. En vez de crear un poro p a ra una m o lécula, u n a p erm easa funciona como una enzim a. Se une al sustrato y sufre u n cambio conform acional que hace que el tran sp o rtad o r libere la sustancia hacia el otro lado. Varios te- Exterior jidos poseen glucosa perm easa, un tran sp o rtad o r que perm ite a la gluco sa e n trar en la célula pasando de altas a b ajas concentraciones. Al contrario que las p orinas y los canales iónicos, las p erm easas pueden llegar a satu ra rse con sustrato a altas concentra ciones, por lo que el proceso de tran sp o rte depende de la rapidez con la que la perm easa pueda tran sp o rtar su sustrato a través de la m em brana.
El transporte activo utiliza energía para bombear moléculas en contra del gradiente En la difusión pasiva y facilitada, las m oléculas sólo se pueden m over de al tas a bajas concentraciones. En cam
Figura 3.27.
M etabolism o y fisiología celular
bio, las células u san el tran sp orte activo p ara mover m oléculas a través de la m em brana contra los g ra dientes de concentración. Las dos form as principales de tran sp o rte activo se distinguen po r la fuente de la energía que m ueve el proceso. En el tran sp orte a c ti vo p rim ario la proteína tran sp o rtad o ra u sa u n a re acción exergónica a fin de proporcionar la energía p a ra tran sp o rtar u n a m olécula. La otra form a de tran sp o rte activo, llam ado tran sp orte activo se cu n dario, liga el m ovim iento de u n a m olécula al de una segunda molécula. Los tran sp o rtad o res activos prim arios m ás com u nes usan la hidrólisis del ATP p ara obtener la energía necesaria. Tres tipos generales de transportadores dependientes de ATP, o ATPasas, intervienen en el tran sp o rte activo prim ario: las ATPasas tipo P, las tipo F (o tipo V) y los transportadores ABC (Figu r a 3.27). Las ATPasas de tipo P usan la hidrólisis del ATP p a ra bom bear iones específicos a través de las m em branas. Por ejemplo, las células anim ales tienen u n a ATPasa de N+/K+ en la m em brana celular que ex pulsa N a+ de la célula a cam bio de K+. Muchos tejidos tienen ATPasa de Ca2+ p ara tra n sp o rta r el Ca2+ a tr a vés de las m em branas. Las ATPasas de tipo F y tipo V son ATPasas es tructuralm ente relacionadas, que bom bean H+ a tr a vés de la m em brana utilizando la energía de la hidrólisis del ATP. La ATPasa tipo F m itocondrial fun ciona a la inversa, utilizando el movim iento de H+a fa vor de los gradientes electroquím icos p ara obtener
ATPasas.
Las células poseen diferentes tip o s de tran sportado res dependientes de ATP. Las ATPasas tip o P, incluidas la ATPasa de Na+/K+ y la ATPasa de Ca2+, bom bean iones usando la energía de h idró lisis del ATP. O tras ATPasas bom bean protones, com o es la tip o F encontrada en m itocondrias y la tip o V encontrada en lisosom as. Los transportadores ABC, com o la proteína resistente a m ultidroga s, usan la energía del ATP bom beando grandes m oléculas fuera de la célula.
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PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
energía p ara la síntesis de ATP. Las ATPasas tipo V p erm iten a las células y orgánulos lib erar protones p a ra acidificar im com partim ento, como el lum en del lisosom a, o el interior del estómago. Los tran sp o rtad o res ABC m ueven grandes m olé culas orgánicas a través de la m em brana celular. Las células a m enudo usan los transportadores ABC p ara sacar toxinas de la célula. La proteína resistente a m ultidrogas, una im portante tran sp o rtad o ra ABC, suele estar relacionada con tipos de cáncer que llegan a ser resistentes a la quim ioterapia. Algunas células cancerígenas sobreviven a la quim ioterapia tran sp o r tando la droga tóxica fuera de la célula antes de que el agente quim ioterapéutico pu eda m atarla. El transp o rte activo secundario utiliza la energía proporcionada por el gradiente electroquím ico de u n a m olécula a fin de obtener la energía p a ra mover otra m olécula contra su gradiente. Si las m oléculas se m ueven en direcciones opuestas, el tran sp o rtad o r se llam a an tip ort o intercam biador. Por ejemplo, los glóbulos rojos usan u n intercam biador C1~/HC03~ p a ra tra n sp o rta r estos iones a través de la m em bra n a. La dirección de movim iento de unión con este tran sp o rtad o r depende de los gradientes relativos de los dos iones. De form a alternativa, un sin p ort o c.otran sp ortad or se usa p ara m over m oléculas en la m ism a dirección. Por ejemplo, las células intestinales u san el co transportador de N a+-glucosa p ara im por ta r glucosa contra su gradiente de concentración, di rigidas p o r el gradiente electroquím ico de en trad a de N a+. El tran sp o rtad o r en cálidas del hígado es capaz de tra n sp o rta r glucosa hacia la célula contra su gra diente de concentración acoplándolo al movimiento
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Medio intracelular
Fig u ra 3 .28.
Las m em branas perm iten a las células establecer com partim entos con propiedades específicas. Una propiedad im portante es la com posición iónica de las soluciones a cada lado de la m em brana. Las células dependen fundam entalm ente de la acum ulación dife rencial de iones específicos a través de las m em bra n as celulares p a ra crear el potencial de m em brana. Los transportadores activos, como las ATPasas, esta blecen el potencial de m em brana, un gradiente que
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Las células excitables utilizan cambios en el potencial de membrana para comunicarse
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Medio extraceluiar
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de iones de N a+. La fuerza m otriz del m ovim iento de Na+ hacia la célula es m ayor que la fuerza que se opo ne al m ovim iento de en trad a de glucosa en la célula (Figura 3.28). Todos estos procesos de tran sp o rte influyen en los gradientes quím icos a través de las m em branas, pero sólo u n a p arte de los tran sp o rtad o re s afectan a los gradientes eléctricos. Los tran sp o rtad o re s que m ueven m oléculas sin carga, como la glucosa perm easa, se llam an tran sp ortad ores electron eu tros. De igual modo, los tran sp o rtad o re s como el in ter cam biador de Cl /11CO q u e intercam bian dos iones con la m ism a carga son tam bién electroneutros. Por el contrario, los tran sp o rtad o re s que transfieren una carga a través de la m em b ran a se denom inan electrogén icos. Cuando analicem os la ATPasa Na+/K+ en el texto, debem os reco rd ar que es un tra n sp o rta dor electrogénico ya que intercam bia tres iones N a+ p or dos K+.
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C o tra n s p o rte de N a + -g lu c o s a .
Este tran sportado r utiliza el fuerte gradiente electroqím ico del Na+ para d irig ir el tran sporte de glucosa al in te rio r de la célula, contra el gradiente de concentración. Una vez que el tran sportado r se une al Na+, un cam bio conform acional increm enta su afinidad por la glucosa. Cuando está com pletam ente cargado, el tran sportado r libera el Na+ y la glucosa en el in te rio r de la célula.
C A P ÍTU LO 3
sirve p a ra dos funciones im portantes en la célula. En p rim er lugar, proporciona a la célula u n a fuente de energía p a ra dirigir el tran sporte de m em brana. En segundo lugar, los cam bios en el potencial de m em b ra n a son utilizados por las células p a ra la señaliza ción célula a célula. Am bas funciones están influidas p o r la relación entre los gradientes iónicos específicos y las consecuencias eléctricas resultantes. En el texto adicional que presentam os, considerarem os la im portancia de la ecu a ció n de N ernst y de la ecu ación de Goldman p a ra determ inar el potencial de m em b ra n a y su contribución a los procesos fisiológicos (véase la Caja 3.1). En los anim ales la concentración de N a+ es típica m ente unas diez veces m ayor fuera de las células (por ello es aproxim adam ente + 58 mV como se calcula en la Caja 3.1). Por el contrario, la concentración de K+ fuera de la célula es de sólo 1/40 la del interior, por lo que E k es de unos - 9 0 mV. Basándonos en las con centraciones de iones específicos en las cálidas, y en el potencial de la m em b ran a neuronal en reposo de al red ed o r de - 70 mV, podem os predecir los m ovim ien
9
tos de N a+ y K+ (Figura 3.29). Si los canales de N a+ están abiertos, el N a+ en tra en la célula, provocando u n a reducción en el potencial de m em brana, o d esp o larización . Por el contrario, la ap ertu ra de im canal de K+ h a rá que éste salga de la célula, produciendo u n a hiperpolarizac.ión. Las células poseen comple ja s cadenas de canales iónicos que perm iten el movi m iento de iones específicos como el K+, N a+, Ca2+ y Cl_ a través de la m em brana celular. La ap ertu ra y cierre de los canales iónicos en respuesta a un a señal de un ligando, dependiente de voltaje o mecánica, crea un rápido flujo de iones que cam bia el potencial de m em brana. M uchas células se com unican usando ciclos de despolarización, hiperpolarización y repola rización. La naturaleza de la señal está codificada en la pauta de cambio del potencial de m em brana y en los tipos de iones que se m ueven. Las células excita bles, como los m úsculos y las neuronas, se b asan en cam bios en el potencial de m em brana p a ra provocar respuestas celulares. E stas células son la piedra a n gular de m uchos sistem as fisiológicos, y son exclusi vas de los anim ales.
Canales de Na'
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M etabolism o y fisiología celular
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Canales de K+
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abiertos
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-100 Tiempo (ms) Fig u ra 3.29.
H ip e r p o la r iz a c ió n y d e s p o la r iz a c ió n .
El gradiente de Na+ y de K+ a través de la m em brana celular determ ina en gran m edida el potencial del resto de las m em branas. Cuando se abren canales dependientes de iones específicos, el m o v im ie n to de los iones cam bia el po tencial de m em brana. Si K+ se m ueve fuera de la célula, la m agnitud del potencial de m em brana se increm enta (hi perpolarización). Si el Na+ se m ueve hacia el in te rio r de la célula, la m agnitud del potencial de m em brana dism inuye (despolarización).
94
PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 3.1 Refuerzo matem ático: Ecuaciones de IMernst y Goldman
El potencial de m embrana que existe a tra
donde R es la constante de los gases, T es la tem peratura
vés de la m embrana celular y en las m em bra
(en grados Kelvin), z e s la valencia, F e s la constante de Fa
nas de algunos orgánulos, es un gradiente electroquím ico
raday (23,062 cal /V-mol) y [X] es la concentración m olar del
que puede utilizarse para m uchos fines. Las células produ
ion. Para un catión m onovalente, com o el Na+, el potencial
cen potenciales de membrana usando bom bas de iones que
de equilibrio puede calcularse com o:
controlan la energía química, especialm ente la hidrólisis del ATP. (Como ya se ha señalado antes en este capítulo, la m i
E, = 0 .0 5 8 log IN a lfa e n . Na [Na+] dentro
tocondria usa energía reducida para producir el potencial de membrana que controla otros procesos). La célula utiliza la energía del potencial de membrana para dirigir otros proce
Así, si la concentración de Na+ es diez veces m ayor fuera de la célula ([Na+]fuera/[N a+]dento = 10), entonces el equilibrio po
sos de transporte. El reconocim iento célula a célula usa
tencial calculado es de + 5 8 m V a tem peratura am biental
cam bios cíclicos en el potencial de membrana, alcanzados a
(18 2C). Si el potencial de la m embrana celular es igual a
través de los efectos secuenciales de los canales de iones y
+ 5 8 mV, entonces no hay energía disponible en el gradiente
las bom bas iónicas. Aunque ya hem os descrito el papel del
de Na+, a pesar del gradiente de concentración. Sin em bar
potencial de m embrana en estos procesos, no hem os expli
go, m uchas células poseen un potencial de m embrana que
cado las bases eléctricas del potencial de m em brana en sí
es
m ism o.
- 9 0 mV). Así, el gradiente electroquím ico del Na+ en condi
La energía disponible en el gradiente electroquím ico de
considerablem ente
m enor que
£Na (por ejem plo,
ciones celulares norm ales está tan lejos del equilibrio que
pende de m uchos factores, entre ellos el gradiente de con
hay una considerable energía disponible para dirigir otros
centración del ion, el in tercam bio de iones y el potencial de
procesos, com o el cotransporte de Na+- glucosa.
membrana de la célula. Un am plio potencial de membrana negativo favorece los m ovim ientos de los iones positivos al interior de la célula. Sin embargo, el m ovim ien to de los io nes positivos al interior de la célula reduce el potencial de membrana favorable y crea un gradiente de concentración. Finalm ente las dos fuerzas, el potencial de m embrana y el gradiente de concentración, se igualan. No hay m ovim iento neto de iones en este punto de equilibrio, y consecuente m ente no hay energía disponible en el potencial de m em brana.
La ecuación de Nernst nos perm ite com prender num ero sas propiedades del potencial de m embrana, com o la rela ción entre el potencial y el gradiente de concentración, o el papel del potencial de equilibrio en la dirección y m agnitud del m ovim ien to de iones. Sabemos que para un gradiente de concentración de 10 unidades, cada catión m onovalente puede tener un potencial de equilibrio de - 5 8 mV. Cada ca tión bivalente puede tener un potencial de equilibrio de 29 mV ( z = 2). La ecuación de Nernst tam bién predice el efecto de la tem peratura en el potencial de equilibrio de un
Para un gradiente de concentración dado, es posible cal cular el potencial de m em brana que puede ser necesario para para crear un equilibrio electroquím ico. Dado un ion X, este potencial de equilibrio (EX) puede calcularse según la ecuación de Nernst: r _ RT | ^ zF
ion. Un increm ento en la tem peratura aum enta el potencial de equilibrio; para un gradiente de concentración dado, el m ayor potencial de m em brana es necesariam ente opuesto al m ovim iento de los iones debido a su increm ento de ener gía cinética.
[X] fuera [X] dentro
Características estructurales de las células animales Aunque m uchos de los procesos fisiológicos que h e m os presentado en el texto son exclusivos de anim a les, todas las células eucariotas presen tan una considerable hom ología en la función celular. La m a
A pesar de sus valores, la ecucación de N e rnst no se ocupa de num erosos aspectos de la funció n celular que
ravilla de los anim ales es cómo la evolución de los procesos tiene resultados en u n a diversidad funcio nal, a p esar de los relativam ente m odestos cam bios en la construcción de los bloques celulares. G ana rem os claridad en la com prensión de los procesos fisiológicos estudiando el papel de los diferentes com partim entos celulares que contribuyen al proceso.
C A P ÍTU LO 3
M etabolism o y fisiología celular
son im portantes en la com prensión del papel del potencial
Para una célula com o el axón del calamar gigante, se pue
de m em brana en la funció n celular. En las células anim a
den usar los siguientes valores para calcular el potencial de
les, la situación es m ucho m ás com pleja debido a la pre
membrana:
sencia de m últip le s iones, con dife re n te s valencias, gradientes de concentración y perm eabilidades. Tom ando en consideración todos los iones esenciales y sus perm e abilidades (P), el potencial de m em brana puede calcularse
[K+]¡ = 400 m M y [K+]o = 20 m M [Na+]¡ = 50 m M y [Na+]o = 440 m M [CI-], = 51 m M y [C |-]0 = 560 m M P J P K = 0,04
p¿ K+] 1 p¿ K+]
fí7 _ ,
- r f lr
pc i [ c r ;
i,[N a +] N,[Na+]
-f'
PC|/PK = 0,45
1 pCi[ci-
La ecuación de Goldman predice que el potencial de m em La mayoría de las derivaciones de esta ecuación consideran sólo Na+, K+ y C l_, los principales participantes del potencial total de la membrana celular. Podem os reorganizar la ecua ción en una form a más m anejable, com o se presenta a con tinuación. Hay que hacer notar que el efe cto del producto entre Cl_ y la valencia (z = 1) invierte la proporción: Pk[K+] 0 + PNa[Na+]0 + P c i[C r]i m
F
n
Pk[K+]¡ + PNa[Na+] ¡ + P c i[C r]0
A partir de esta ecuación, conocida com o ecuación de Goldm an, la incidencia de la perm eabilidad del ion queda patente. Cada ion con baja perm eabilidad (bajo P) tie n e un e fe cto pequeño en el potencial de m em brana, aun cuando éste presente un alto gradiente de concentración en la
brana del axón del calamar gigante es de - 6 0 mV en reposo. Los cálculos del potencial de membrana están basados en la concentración de iones en el m om e nto de m ayor con centración de iones en el m áxim o volum en de las solucio nes a am bos lados de la m embrana. Sin embargo, es im portante reconocer que el ion que produce un aum ento en el potencial de membrana se halla en una fina capa de la m embrana, sólo cerca de 1 nm de la superficie. Los cam bios en el potencial de m em brana ocurren con cam bios m uy pe queños en la concentración de los iones en la célula en la fase de m áxim o volum en de la solución. Los m ovim ientos iónicos a través de los canales o bom bas influyen en los io nes de esta capa, pero tienen un e fecto pequeño en la con centración total de los iones de la célula. Cuando el potencial de m embrana cambia durante el potencial de acción, es el
mem brana. La ecuación de Goldman puede usarse para predecir el potencial de membrana en células diferentes, basándose en sus gradientes de concentración y sus perm eabilidades.
cam bio de perm eabilidad de cada uno de los iones esencia les (el valor de Px en la ecuación de Goldman) el que dirige el cam bio del potencial de membrana.
Experim entalm ente, es fácil m edir las perm eabilidades rela tivas de los iones, más que la perm eabilidad absoluta. Por lo tanto, la ecuación suele replantearse después de dividir cada térm in o por PK: c
RT
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[K+]0 + PNa/P K [Na+] 0 + Pa / P K[ C r i [K+]¡ + PNa/P K [ N a l + Pci/ P k[C !-]0
La m itocondria es la central energética de la célula La m itocon d ria es u n orgánulo complejo, que posee u n a in trincada re d de m em branas (Figura 3.30). El com partim ento m ás interno es la m atriz m itocon drial, delim itada p o r la m em brana m itocondrial in
Referencias • Hodgkin, A. L., and A. F. Huxley. 1952. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in the nerve. Journal of Physiology 117: 500-544.
terna. La m em brana m itocondrial externa rodea al orgánulo y crea otro com partim ento llam ado espacio interm em branal. Cada uno de estos com partim entos tiene su propia dotación de enzim as y desarrolla dife rentes funciones p a ra la m itocondria y p ara la célula. La m atriz acoge las enzim as y m etabolitos del ciclo TCA. La m em brana m itocondrial interna, que a me-
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PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Retículo mitocondrial Miofibrilla
Membrana externa
Corte transversal mitocondrial Matriz
Punto de contacto Fig u ra 3 .30.
E s tru c tu ra m ito c o n d ria l
Las m itocondria s aparecen en casi todos los tip o s de células, aunque con diferentes apariencias. La m itocondria del m ús culo se presenta com o una red que se extiende entre las m io fib rilla s musculares. En un corte transversal aparece com o un orgánu lo in dividual, pero las reconstrucciones trid im e n s io nales m uestran una estructura reticular. D entro de la m ito condria pueden verse grandes plieges de la m em brana interna.
nudo está intensam ente plegada, contiene las enzi m as de la fosforilación oxidativa y todo lo necesario p a ra el tran sp o rte de los m etabolitos dentro y fuera de la m itocondria. Cerca del 80% de la m asa de la m em b ra n a son proteínas; contiene la m ayor cantidad de proteínas de u n a m em b ran a biológica anim al. La m i tocondria organiza la m em b ran a in tern a en capas, o lam elas, que están fuertem ente plegadas. En algunos tejidos, h asta 70 m 2de m em b rana m itocondrial in ter n a pueden estar plegados en un volum en m itocon drial de 1 cm 3. La estru ctu ra m itocondrial varía enorm em ente entre diferentes tipos de células. M uchas células, como las del hígado, contienen cientos de m itocon drias individuales alargadas dispersas a lo largo de la célula. E stas m itocondrias individuales se desplazan con gran rapidez a través de la célula. Algunas células organizan sus m itocondrias en redes de orgánulos interconectadas, llam adas retícu los m itocon d riales. El retículo m itocondrial está constantem ente rem ode lado po r enzim as que m edian su fisión y su fusión. Las células resp o n d en frecuentem ente al cam bio en las dem an d as de energía m odificando sus niveles de m itocondrias, usando vías tanto sintéticas como degradativas. M uchos de los genes necesarios p ara
la síntesis de proteínas m itocondriales están locali zados en el núcleo. La biogénesis m itocondrial nece sita que cada uno de estos genes se exprese al unísono p a ra producir los cientos de proteínas nece sa rias p a ra un a nueva m itocondria o p a ra aum en tar la extensión del retículo m itocondrial. La biogénesis m itocondrial tam bién requiere la replicación del DNA m itocondrial (DNAmt) y la síntesis de m em b ra n as m itocondriales adicionales. Las vías d eg rad ati vas controlan los niveles de m itocondrias y de proteínas m itocondriales. Los fragm entos de mitondrias d añ ad as son digeridos po r autofagosom as y de gradados en los lisosom as. Las células que fracasan en la destrucción de las m itocondrias defectuosas p ueden sufrir un déficit de energía y finalm ente p u e den llegar a morir.
El citoesqueleto controla la forma celular y la dirección del movimiento intracelular El cito esq u eleto es un a red de fibras proteicas que se extiende a través de la célula (Figura 3.31). Tiene un im portante papel en el m antenim iento de la estructuta celular, actuando como un m arco en cim a del cual se estructura la m em brana. Da a cada célula su form a externa característica y tam bién so p orta y organiza las m em branas intracelulares. Los orgánulos que form an un a red interconectada como el retículo endoplásm ico y el ap arato de Golgi están estructurados sobre el citoesqueleto. El citoesqueleto es dinám ico estructuralm ente, sometido a constante reorganización. Adem ás de sus papeles estructurales, el citoesqueleto es un participante im portante en m u chos procesos celulares, incluida la transducción de señales. El citoesqueleto consta de tres tipos de fibras: m icrofllam en tos. m icrotú b u los y fila m en to s in term ed io s. Estas fibras son largas cadenas de monóm eros conectados en sus extrem os p a ra form ar un polím ero. Los m icrotúbulos son grandes tubos r í gidos com puestos po r la p ro teín a tu b u lin a. Los microfilam entos son peq u eñ as cadenas flexibles de actin a. Los filam entos interm edios, como su nom bre indica, son de tam año interm edio, y están com puestos po r m uchos tipos de m onóm eros. La m ayoría de las células poseen cada uno de estos ele m entos del citoesqueleto, pero m uchas células son especialm ente ricas en uno de los tipos. Por ejemplo, la cola del esperm atozoide son largos m icrotúbulos, los m úsculos son en g ran p arte polím eros de actina, y la piel es rica en filam entos interm edios de queratina.
C A P ÍTU LO 3
M e tabolism o y fisiología celular
El retículo endoplasmático y el aparato de Golgi median en el transporte de vesículas
— Microtúbulos (verde)
I
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Núcleo
— Microfilamentos (rojo)
(a)
Filamentos intermedios
Núcleo
(b) F ig u ra 3.31.
Las c é lu la s p o s e e n c ito e s q u e le to s
c o m p u e s to s por tre s tip o s de fib r a s p ro te ic a s .
La fig u ra (a) muestra m icrotú bulo s (verde) y m icrofilam entos (rojo). La figura (b) m uestra fila m en tos Interm edios.
Otras p roteínas trab ajan asociadas con el citoes queleto p a ra producir diferentes tipos de m ovimiento. E stas proteínas, llam adas p roteín as m otoras, son m ecanoenzim as que u san la energía de la hidrólisis del ATP p a ra m overse a lo largo del citoesqueleto. La m iosin a es la pro teín a m otora que se m ueve a lo lar go de los polím eros de actina; la cin esin a y la dineína se m ueven en los m icrotúbulos. En el Capítulo 6 estu diarem os la estructura y función del citoesqueleto y de las p roteínas m otoras en el contexto del movim iento celular e intracelular.
Las células tienen capas de orgánulos m em branosos que se extienden desde el entorno del núcleo h asta la periferia de la célula (Figura 3.32). La prim era capa, el retícu lo en d op lasm ático (RE), es la puerta a otros com partim entos. Las proteínas sintetizadas en el RE se pliegan y se envían a su destino final en la m em brana celular, el ap arato de Golgi, los lisosom as y los endosom as. El vehículo que tran sp o rta las proteí n as entre los com partim entos es u n a vesícu la, pe queño orgánulo m em branoso. Algunas vesículas están rodeadas po r u n a cubierta protectora de proteí nas, como la clatrina, el complejo proteico protector I (COPI) COP-I y COP-II. E stas proteínas ayudan a for m a r la vesícula, pero tam bién tienen un papel im por tante en donde se envía la vesícula. Las células se suelen rep re sen tar de form a que sugieren que las vesículas fluyen librem ente a través del citoplasm a. En realidad, las vesículas son tra n s p ortadas a través de la célula por proteínas m otoras que se m ueven por las vías del citoesqueleto. Por ejemplo, las vesículas recubiertas con COP-I pueden ser tran sp o rtad as a través del aparato de Golgi, m ien tra s que las vesículas recubiertas con CAP-II pueden ser enviadas al retículo endoplasm ático. E stas proteí n as protectoras y otras proteínas de la m em brana de las vesículas influyen en cuál es la proteína m otora que se une. Si u n a vesícula une m iosina podrá ser tran sp o rtad a por los m icrofilam entos, pero si une di neína podrá ser tran sp o rtad a por los m icrotúbulos. Las protein quinasas y las protein fosfatasas regulan el tráfico de las vesículas alterando el citoesqueleto, las proteínas m otoras y las proteínas vesiculares. Es tos procesos aseguran que las vesículas y sus conteni dos son enviados a la localización correcta en el m om ento correcto. Muchos tipos de vías intracelulares usan la red REGolgi. La m ayoría de las células producen proteínas, y a veces otras moléculas, p ara ser liberadas desde la cé lula. Este proceso, llamado exocitosis, com ienza en el retículo endoplasmático. Las proteínas son sintetiza das aquí y em paquetadas en vesículas que se mueven a través del aparato de Golgi, h asta fusionase al final con la m em brana celular p ara liberar el contenido de la ve sícula al espacio extracelular. En la vía inversa, la endocitosis, las vesículas se form an en la m em brana celular, englobando gotitas líquidas (pinocitosis) o partículas grandes (fagocitosis). Estas m ism as vías de la endocitosis y la exocitosis regulan las proteínas que se encuentran en la m em brana celular, como transpor-
98
PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Mitocondria dañada
Citoplasma
Fluido extracelular
v— Membrana Pinocitosis \ Plasmática
Retículo endoplásmico
Figura 3.32.
M o v im ie n to in tra c e lu la r.
Las vesículas se m ueven p o rto d a la célula, tran sfiriendo m em branas y el contenido de las vesículas entre los com partim entos.
tadores de m em brana y canales. Cuando los transpor tadores no son ya necesarios, pueden elim inarse de la m em brana y alm acenarse en vesículas h asta que se necesiten de nuevo. En cambio, cuando una vesícula secretora se fusiona con la m em brana celular, su con tenido interno es expulsado, pero la m em brana de la vesícula, tanto los lípidos como las proteínas integra les, se dispersa en la m em brana celular. Las células controlan el núm ero y tipo de proteínas en la m em bra n a celular regulando la endocitosis y la exocitosis. Las vesículas ricas en transportadores se fusionan con la m em brana p ara increm entar su capacidad de tra n s porte. A la inversa, durante la form ación de la vesícula se separan regiones de la m em brana celular p ara eli m inar los transportadores que son entonces alm acena dos o degradados. Las vesículas en tránsito pueden ser dirigidas hacia otros com partim entos p ara ayudar al procesam iento de sus contenidos. Los endosom as ac tú an como redistribuidores de las vesículas, recolec tando y redistribuyendo su contenido y las proteínas de m em brana que contienen en nuevas vesículas que son enviadas a su localización correcta. Envían proteínas d añadas y m aterial extraño a los lisosomas p ara su de
gradación proteolítica. Cuando las vesículas alcanzan su destino, otra serie de proteínas m edian la fusión de las vesículas con las m em branas en el punto de des tino. Las vías intracelulares de este tipo perm iten a las células anim ales controlar m uchos procesos conside rados a lo largo de este capítulo, entre los que se inclu yen la secreción, la ingestión y el transporte a través de m em brana. Otras funciones de estas vías, específica m ente de la vía secretora, es construir y m antener la red de fibras extracelulares: la m atriz extracelular.
La matriz extracelular participa en las interacciones entre las células Las células se organizan en un tejido tridim ensional p or u n a red de fibras llam ada m atriz extracelu lar. Las proteínas usadas en la construcción de la m atriz se sintetizan en el retículo endoplasm ático, se alm a cenan en vesículas y se m andan fuera de la célula usando la vías de secreción. D urante el tránsito a tr a vés del aparato de Golgi, ciertas enzim as modifican las proteínas, adicionando cadenas laterales de azú-
C A P ÍTU LO 3
M etabolism o y fisiología celular
cares. Esta adición de azúcares, pro Proteínas y glicoproteínas ceso llam ado glicosilación, altera las Estructuras sencillas Complejos propiedades de las p roteínas de di ferentes m an eras. P ara em pezar, la - Carbohidrato Cross links Monómeros de c< glicosilación puede reducir la pro p en Fibras de Colágeno colágeno sión de la proteína a la degradación. La im ión del agua al azúcar hidrofílico crea una cubierta gelatinosa cpie llena el espacio entre las células. Además, - Colágeno las variaciones en el tipo de azúcar o en su posición pueden alterar la capa cidad de la p roteína p ara un ir otras - Heparina proteínas. GAG y proteoglicanos Las m acrom oléculas de la m atriz extracelular pueden ser de dos clases: Estructuras sencillas Complejos proteínas o glicoproteínas sencillas y u n grupo que incluye los glicosam ino Hialuronato glicanos o GAG (Figura 3.33). El colá geno es u n a glicoproteína form ada Núcleo proteico Keratán sulfato como u n a triple hélice de tres m onó m eros individuales de colágeno, for Agrecan m ando a m enudo una fibra larga y rígida. La elastina es u n a proteína p e Condroitín sulfato Agrecan queña que está entrelazada form ando intrincadas redes. Cuando las interco F ig u ra 3.33. C o m p o n e n te s de la m a triz e x t r a c e lu la r nexiones se estiran actú an como im a La m atriz extracelular esta com puesta por la com binaciónde proteínas y glicoporgoma, dotando al tejido de elasticidad. teínas, glicosam in oglicanos (GAG) y proteoglicanos. M uchas de las m oléculas in Muchos com ponentes de la m atriz dividuales, m ostradas en la colum na de la izquierda, pueden com binarse en extracelular están interconectados m acrom oléculas más com plejas, que se presentan en la colum na de la derecha. El com ponente proteico se m uestra en verde y los com puestos GAG en azul. p o r la glicoproteína fibronectina. Cada m olécula de fibronectina se une a otras fibronectinas así como a otros com puestos de En m uchas células, la m atriz extracelular es es la m atriz p ara form ar u n a red de conexiones fibrosas. tructuralm ente sencilla y com puesta po r sólo unas po cas proteínas. En otros tejidos, la m atriz extracelular El hialu ro n ato es u n GAG sencillo de tam año ex puede estar form ada por una extensa red. La lám ina cepcional. Consiste en u n disacárido de ácido glucub a sa l (Figura 3.34) se encuentra en m uchos tejidos, rónico-W -acetilglucosam ina repetido m uchas miles como el hígado, donde actúa como un soporte sólido de veces. Con su lám in a de hidratación, form a un gel que ayuda a anclar las células. Está diseñada y m a n no com presivo que actúa como protector acolchado en tre las células. El hialu ronato llena los espacios tenida fundam entalm ente por un tipo de células especializadas llam adas fibroblastos. La m atriz en tre las articulaciones en el m undo anim al, facili tando el m ovim iento. Otros GAG, como el condriotín extracelular es m ás que un sim ple cem ento que m a n tiene unidas las células. M uchas estructuras especilisulfato y el k e ra tá n sulfato2, se u n en covalentem ente zadas como el exoesqueleto de los insectos son a p ro teín as form ando los p ro teo g lica n o s. El cartíla go se com pone p rincipalm ente de agrecano, un prom atrices extracelulares m odificadas secretadas por células especializadas. Por ejemplo, el hueso y el ca r teoglicano que in co rp o ra m ás de 100 GAG en su estru ctu ra. M uchos proteoglicanos unen diferentes tílago son tejidos form ados por la m atriz extracelular p ro teín as de la m atriz ex tracelular p a ra form ar una de los osteoblastos y condroblastos, respectivam ente. Las células usan varias estrategias p ara m odular red interconectada. tanto las propiedades de la m atriz como sus relaciones con ella. Primero, m uchos tipos de com puestos de la 2 El keratán es un glicosaminoglicano de la matriz extracelu m atriz extracelular pueden sintetizarse de diferentes lar, mientras el keratín es tina proteína encontrada en los fi lamentos intermedios del citoesqueleto. m aneras. Por ejemplo, los m am íferos tienen 20 genes
y
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Tejido conectivo: Colágeno-------Vaso sanguíneo Hialuronato —
Membrana plasmática
Colágeno
Proteoglicano
Macrófago----------Fibroblasto F igura 3.34.
Lám ina basal.
En m uchos tejidos, los fibroblasto s producen una fina capa de m atriz extraceluiar llam ada lámina basal. M uchas células usan la lám ina basal com o c im iento , pero otras células ju n to con los vasos sanguíneos la usan com o una estructura porosa.
del colágeno diferentes, de m anera que en principio el colágeno trim érico puede construirse de 8.000 formas (203). Incluso aunque m uchas de estas posibles varian tes nunca lleguen a constituirse, esto ilustra el poten cial p a ra la variación en uno de los m uchos compuestos de la m atriz m itocondrial. Segundo, las variaciones ocurren en el tipo y la posición de los grupos carbohi dratos de glicoproteínas sencillas y proteoglicanos. Cada variación influye en las propiedades físicas de las proteínas de la m atriz extraceluiar. Controlando cuáles son las proteínas sintetizadas y cómo son modificadas por glicosilación, las células determ inan qué constitu yentes están disponibles p ara la construcción de la m a triz extraceluiar. Las células controlan qué proteínas son liberadas al especio extraceluiar usando la vía de secreción m ostrada en la sección anterior. La secreción de los com ponentes de la m atriz ex traceluiar desde la célula es en realidad sólo un paso en la construcción del tejido. Las células tam bién pro ducen proteínas de m em b ran a integrales, llam adas receptores de m atriz, que las conectan con la m atriz extraceluiar. Las integrinas son un tipo im portante de receptores de la m atriz que se unen al citoesqueleto en la p arte in tern a de la célula y a la m atriz extracelu ia r en su cara externa. Una célula cam bia sus asocia ciones con la m atriz extraceluiar cam biando los tipos de integrinas en su m em brana, m ediante la exocitosis y la endocitosis. Las células tam bién pueden rom per la m atriz ex traceluiar secretando p ro teasas llam adas m etaloproteinasas de m atriz (MMP). Controlando tanto la síntesis como la degradación de la m atriz las células p ueden regular su capacidad p a ra m overse a través de los tejidos. Por ejemplo, cuando los vasos sanguí neos crecen, u san las MMP p a ra ro m p er la m atriz ex traceluiar de las células locales y perm itir al vaso sanguíneo p en etrar en nuevas regiones del tejido.
Genética fisiológica y genómica La naturaleza de la diversidad fisiológica, tanto en la resp u esta de un individuo como en la variación que se p resen ta a lo largo de la evolución, reside en los ge nes: cómo difieren entre especies y cómo se regulan en las células individuales. La regulación hom eostática depende de la capaci dad de la célula p a ra poner la proteína correcta en el lugar indicado, en el m om ento adecuado y con la acti vidad apropiada. Las células tienen m uchos m ecanis m os p ara controlar el ritm o de síntesis de proteínas específicas. La RNA polim erasa lee los genes, p rodu ciendo el mRNA correspondiente en el proceso llam a do de tran scrip ción . Una vez form ado el RNA, se utiliza como molde p a ra sintetizar la proteína en el proceso de traducción. Las células pueden controlar los niveles tanto de RNA como de proteínas usando m ecanim os que actúan sobre las tasas de síntesis y de degradación.
El control de la transcripción se produce en regiones reguladoras de los genes El ritm o de síntesis de m uchas proteínas es pro p o r cional a los niveles de mRNA. Antes, los niveles de mRNA se m edían usando nothern blots, pero recien tem ente los avances en genóm ica y en ingeniería han perm itido el desarrollo de técnicas p a ra calcular si m ultáneam ente complejos cam bios en los niveles de mRNA de miles de genes (véase la Caja 3.2). En un m om ento determ inado, la m ayor p arte del genom a de u n a célula está com pactada alrededor de las histonas y enrollada en nucleosom as (véase la Figura 2.34). En estas condiciones los genes son inac tivos, incapaces de unirse a la m aquinaria de tra n s cripción. Cuando se necesita el producto del gen, la
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Nucleosoma
Histona
Fig u ra 3.35.
i Remodelación ▼ de histonas
R e g u la c ió n de la tr a n s c r ip c ió n .
El DNA inactivo está fuertem ente enrrollado en to rn o a las histonas. La rem odelación de la crom atina da acceso a las proteínas unidas al DNA a las regiones de control génico. Los fatores de transcripción perm iten a la RNA polim erasa II u n ir se e in icia r la transcripción. Otras proteínas reguladoras de DNA, com o los activadores y coactivadores que se m uestran aquí, in crem entan la probab ilidad de que la m aquinaria transcripcional pueda unirse.
crom atina puede ser rem odelada p a ra perm itir el ac ceso de los activadores transcripcionales a las regio nes reguladoras de los genes. Los reguladores transcripcionales, tanto las proteínas de unión al DNA como los coactivadores, asociados con unos con otros form an el complejo regulador en el prom otor. El com plejo de iniciación de la transcripción se ensam bla a u n a región específica del prom otor denom inada sitio de iniciación de la transcripción, típicam ente una secuencia TATA (la TATA-box). Una vez ensam blado el complejo, com ienza el proceso de la síntesis del mRNA. Las células pueden regular el ritm o de síntesis del mRNA alterando la conform ación del gen y cam bian do la capacidad de la m aquinaria transcripcional p ara ensam blarse. A veces la expresión del gen está inducida por la estim ulación de enzim as que rem odelan la crom atina. E stas enzim as actúan alterando la estructura de las histonas que organizan el DNA en nucleosom as. Las histonas pueden ser m odificadas p o r acetilación, m etilación y fosforilación. Por ejem plo, cuando u n a h istona acetil tran sferasa (HAT) une u n grupo acetilo a u n a lisina específica, induce un
M etabolism o y fisiología celular 1 0 1
cam bio en la estructura de la histona que perm ite rem odelar la crom atina p a ra favorecer la expresión de un gen. El gen puede ser silenciado por una histona deacetilasa (HDAC) que elim ina el grupo acetilo. Una vez que queda expuesta la región reguladora dentro del gen, la m aquinaria transcripcional es ca paz de unirse. Los factores de transcripción pueden unirse a sitios próximos, o distantes, del sitio de ini ciación de la transcripción. Algunos factores de tra n s cripción introducen pliegues en el DNA que aproxim an entre sí regiones críticas del gen. Otros factores de transcripción unen coactivadores, que sir ven como punto de acople p ara otras proteínas. Final m ente, se unen los factores de transcripción general, y el proceso de la trancripción puede em pezar (Figu ra 3.35). El proceso completo depende de form a críti ca de las interacciones de docenas de proteínas. En consecuencia, las células pueden afinar el proceso re gulando la capacidad de diferentes proteínas p ara interactuar, norm alm ente a través de cam bios en la fosforilación de proteínas. El estado de fosforilación puede afectar al paso de un factor de transcripción entre el citoplasm a y el núcleo. Tam bién puede alterar la capacidad de los reguladores transcripcionales p a ra in teractu ar con el DNA u otras proteínas, tanto estim uladoras como inhibidoras. Como cada gen está regulado por docenas de factores de transcripción, las com binaciones de las condiciones de regulación son interm inables. El mRNA prim ario transcrito posee las secuen cias que finalm ente pueden codificar la proteína (exon es) adem ás de otras secuencias que están in tercaladas entre los exones (intrones). El prim er paso es procesarlo p a ra elim inar los intrones y em palm ar juntos los exones. Después, el RNA ya unido debe ser poliadenilado; u n a larga cadena de 200 o m ás residuos de ATP se añ ad e al extrem o 3' de la m o lécula tran scrita p a ra producir la cola de poli A+ ca racterística del mRNA. Una vez term in a d a esta m odificación postranscripcional, el mRNA m aduro se exporta al citoplasm a.
La degradación de RNA influye en los niveles de RNA C ontrolar la transcripción es un m ecanism o celular im portante p ara m odificar los niveles de RNA; otro es m odificar el ritm o de degradación del RNA. El RNA es degradado po r un a nucleasa llam ada RNasa. Diferentes RNasas actúan en el extrem o de los nucleótidos (exonucleasas) o en puntos interm edios (endonucleasas). La acción de las nucleasas puede
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 3 .2 Métodos y modelos de sistem as DIMA A rrays
Los cam bios en la expresión de los genes
yendo southern y northern blot, es el apaream iento entre
son un com ponente im portante de la sensibi
las bases com plem entarias de los ácidos nucleicos. Una
lidad fisiológica. Si la señal es un indicador del desarrollo
cadena de ácidos nucleicos es incorporada a un soporte
de un estrés ambiental, los cam bios fisiológicos disparan
sólido, de manera que perm ite la hibridación de una cade
cam bios en la expresión de un conjunto am plio de genes
na de ácidos nucleicos com plem entaria con ella. El prim er
con patrones extraordinariam ente com plejos.
paso de esta tecnología de análisis m asivo es la prepara
En los treinta últim os años, estos cam bios sólo han po
ción de un DNA microarray. Pequeñas cantidades de ca
dido exam inarse gen a gen. Los investigadores usaban
denas sencillas de DNA son transferidas a un soporte
análisis sencillos de northern b lo t para valorar si la trans
sólido, com o una lámina de vidrio o un chip de silicona.
cripción de un gen determ inado cambiaba de form a signi
Robots de alta precisión pueden transferir, o puntear, más
ficativam ente. Pero en la década de 1990, dos avances
de 10.000 secuencias de DNA diferentes de form a precisa
tecnológicos condujeron a una form a com pletam ente nue
y cordinada al soporte. Esta matriz (array) de DNA actúa
va de acceder a la valoración de cóm o los genes respon
entonces com o una tram pa para los ácidos nucleicos com
den a los cam bios fisiológicos.
plem entarios.
Primero, los proyectos de secuenciación genóm ica co
El siguiente paso en el análisis es la preparación de las
menzaron a producir una gran cantidad de in form ación ge
m uestras. Se desarrolla un experim ento para expo nera los
nética. Segundo, la investigación biom édica acoplada a la
organism os a dos condiciones experim entales distintas.
ingenieria robótica estudió nuevas form as de evaluar los
Por ejem plo, podem os com parar la respuesta de un pez
perfiles de expresión génica. En vez del ensayo de un
amazónico a concentraciones norm ales de oxígeno y a
m RNA de un gen cada vez, desarrolló m étodos para in
concentraciones bajas de oxígeno (véase la figura). El
vestigar sim ultáneam ente m iles de genes. Al m ism o tie m
RNA, recogido de cada pez, se marca con colorantes flu o
po que estas tecnologías se desarrollaban, la función de
rescentes: el RNA del pez control se marca con colorante
m uchos de estos genes era aún desconocida. Cuando las
rojo y el RNA del pez hipóxico se marca con colorante ver
bases de datos genóm icas aum entaron a m ediados de
de. Se enfrenta entonces el m icroarray de DNA a las
1990, estas tecnologías de alto rendim iento se hicieron
m uestras mezcladas de RNA. El RNA rojo y el RNA verde
más extensam ente aplicables, y los investigadores pronto
com piten entre sí para unirse al DNA com plem entario del
reconocieron su utilidad en los procesos de estudios fisio
microarray. Un m icroscopio de fluorescencia m ide la canti
lógicos.
dad relativa de rojo y de verde en cada coordenada. Puede
Pero ¿cómo funciona esta tecnología? El principio de to
aparecer un punto tanto rojo com o verde si las dos espe
dos los m étodos de detección de ácidos nucleicos, inclu
cies de RNA están presentes en igual cantidad. Un punto
im pedir la función de m olde del mRNA en la síntesis de proteínas. Las enzim as que d eg rad an el RNA atacan indis crim inadam ente a la m ayoría de los mRNA, pero las células tienen vías p a ra deg radar o proteger de form a p referente ciertos mRNA. U na larga cola de poli A + protege a un mRNA de ser degradado. Poco después de ser liberado al citoplasm a, las exonucleasas ro m p en poco a poco el final de la cola de poli A+. En este punto el mRNA todavía puede ser traducido a proteí n a. Una vez que la exonucleasa acorta la cola h asta un
tam año de 30 bases, el RNA es atacado por u n a endonucleasa, causando un daño suficiente como p a ra im pedir que la proteína sea traducida. Otros procesos aceleran el ritm o de degradación del mRNA. Algunos mRNA son inestables, existiendo en el citoplasm a sólo durante unos pocos m inutos a n tes de com enzar a degradarse. Estos mRNA inesta bles tienen grandes extensiones sólo con las bases A y U en su región 3' (3'UTR). Esta región rica en AU atrae a proteínas que aceleran la degradación del mRNA. La capacidad p a ra acelerar la degradación del RNA es
C A P ÍTU LO 3
M etabolism o y fisiología celular 1 0 3
verde sugiere que la expresión del gen se induce en con diciones de hipoxia, m ientras que un punto rojo supone que la expresión del gen está reprim ida en condiciones de hipoxia. M ás allá, el análisis de estas parejas puede con ducir a reconocer cóm o los genes cambian los patrones de expresión en condiciones de hipoxia mantenidas. Com o el array puede llevar m uchos m iles de puntos, el
Identificación de genes
Normóxico
Secuencia genómica
Hipóxico
Extracción de RNA
análisis genera m iles de comparaciones. El siguiente paso es analizar la gran cantidad de inform ación para establecer patrones de respuesta genética. La b io in fo rm á tic a es la tecnología que perm ite a los investigadores extraer gran des cantidades de inform ación de los patrones significati vos.
La
bioin fo rm á tica
analiza
los
datos
del
Síntesis de DNA DNA complementario
array
t
Colo rante rojo
-Colo rante verde
identificando grupos de genes que tienen patrones de com portam iento sim ilares. En el array m ostrado en la fig u ra, los genes 72, 198, 1022 y 3960 se inducen durante las dos prim eras horas de hipoxia; después su expresión vuel ve a los niveles control. Estos análisis revelan las com ple jas redes de sensibilidad genética que subyacen en la fisiología. Estos grupos pueden ser genes relacionados en una vía m etabólica, o genes diferentes controlados por el m ism o regulador transcripcional.
Referencias • Lockhart, D. J., and E. A. Winzeler. 2000. Genomics, gene expres sion and DNA arrays. Nature 405: 827-836.
Respuesta retardada
esencial en m uchas células, especialm ente aquellas que producen proteínas reguladoras. Cuando una p roteína de señal ya no es necesaria, la m aquinaria RNasa puede d eg rad ar rápidam ente el mRNA e im pe dir su traducción. Las células tam bién pueden reducir el ritm o de degradación del RNA. P roteínas estabilizadoras pue den un irse a regiones específicas de la cola de poli A+ o a otras regiones del mRNA evitando el ataque de las RNasas. Esto perm ite a la célula m an ten er un conjun to de mRNA preform ados disponibles p a ra un uso in
Respuesta rápida
m ediato si las condiciones celulares necesitan el p ro ducto de ese gen.
Cambios globales en la traducción controlan numerosas vías Cuando un mRNA llega al citoplasm a, puede com en zar el proceso de traducción con la ayuda de ribosom as y de aminoacil-tRNA (Figura 3.36). Los ribosom as, complejos de RNA y proteínas, catalizan la form ación del enlace peptídico entre los am inoáci
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Codón de iniciación F igura 3.36.
Codón de finalización
T ra d u cció n .
La in form ación de la secuencia de una proteína se deriva de la secuencia del mRNA. La traducción requiere el ribosom a, factores de iniciación, factores de elongación y proteínas accesorias.
dos de las proteínas en form ación. Los am inoácidos se p resen tan en la form a de aminoacil-tRNA. Cada am inoácido u sa un tRNA específico que puede unirse a un grupo tam bién específico de tres nucleótidos del mRNA llam ado codón. El extrem o 5' del mRNA in corpora p roteínas llam adas factores de iniciación, com binadas con metionina-tRNA (tRNAMET) y un ribosom a. Este complejo se m ueve a lo largo de la cadena de mRNA h asta que encuentra la secuenica AUG, que es el codón de iniciación. Entonces se incorpora otro aminoacil-tRNA y el ribosom a cataliza la form ación del enlace peptídico entre los dos am inoácidos p ara com enzar el proceso de elongación. La m ayoría de las veces, proteínas llam adas factores de elongación p a r ticipan en el ribosom a y aceleran el ciclo catalítico. En una célula anim al típica, cada ribosom a individual añ ad e u n am inoácido a la cadena a im ritm o de uno o dos p o r segundo. El proceso continúa h asta que el complejo ribosom al localiza a un codón de finaliza ción, una secuencia de nucleótidos que es incapaz de u nir ningún aminoacil-tRNA. En ningún m om ento, un mRNA puede ser traducido p or m ás de im ribosom a unido a lo largo de la cadena del mismo. Las células pueden controlar el ritm o de trad u c ción usando m ecanism os no específicos que afectan a la traducción en la célula, y tam bién m ecanism os es pecíficos que sólo influyen en un subconjunto de mRNA. Muchos de los factores de iniciación y de los factores de elongación se regulan a través de la fosfo rilación de proteínas. A dem ás, cada uno de estos fac tores puede un irse a proteínas inhibidoras. Tales m ecanism os perm iten a las células controlar cam bios globales en el ritm o de traducción. Muchos tipos de mRNA poseen secuencias que actúan regulando su traducción. Por ejemplo, las secuencias en el 3' UTR y
el 5' UTR unen proteínas que alteran la capacidad del mRNA p ara ser traducido.
Las células reducen rápidamente los niveles de proteínas a través de la degradación proteica Una vez sintetizadas las proteínas, se m antienen en la célula h asta que son degradadas. Igual que unas célu las u san la degradación p a ra controlar los niveles de mRNA, tam bién pueden u sa r la degradación de las proteínas p a ra controlar los niveles proteicos. Algu nas proteínas son elim inadas sólo cuando sufren alte raciones suficentes p ara hacerlas disfuncionales. El cam bio estructural en las proteínas alteradas atrae a enzim as que m arcan la proteína p a ra la degradación. E stas enzim as transfieren u n a pequeña proteína lla m ada u biquitina a la proteína dañada. Una vez que la m aquinaria de ubiquitinación ha unido im a cadena de ubiquitina a la proteína dañada, la proteína se une a un complejo m ultiproteico llam ado p roteosom a. Las enzim as proteolíticas en el proteosom a degradan las proteínas m arcadoras de ubiquitinación a am ino ácidos (Figura 3.37). Previam ente discutíam os como algunos tipos de mRNA son preferentem ente degradados. Muchos de estos mRNA inestables codifican proteínas que están tam bién sujetas a un a degradación acelerada. Proteí nas como las de los ciclos de regulación celular y los factores de transcripción pueden ser ubiquitinadas incluso si no existe daño estructural. Secuencias espe cíficas de am inoácidos dentro de las proteínas atraen a la m aquinaria de ubiquitanación. A m enudo la se cuencia de reconocim iento puede estar fosforilada, lo
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Proteína nativa
F igura 3.37. D e g ra d a c ió n de proteína s.
■Región hidrofóbica
Ubiquitina Desenmascaramiento/ senmasca
~ multiubiquitina
M etabolism o y fisiología celular 1 0 5
M uchas proteínas son degrada das cuando se desnaturalizan, exponiendo regiones h id ro fó b i cas que norm alm ente están es condidas en el in te rio r de la proteína. El c om plejo enzim ático E1-E2 se une a estas regiones hidrofóbicas y une ubiquitinas. Cuando la cadena de u b iq u iti nas alcanza una lo ngitud crítica, las ubiquitinas unidas a la pro teína son enviadas al proteoso ma para su degradación. La célula usa esta vía para degra dar algunas proteínas plegadas. M uchas proteínas poseen sitios de unión E1-E2 que se activan cuando la proteína se fosforila en residuos específicos. Otras proteínas tiene sitios de unión E1-E2 que están reversiblem en te enm ascarados por otras pro teínas.
Proteosoma
•Aminoácidos
que altera su capacidad p ara ser rápidam ente degra dada. En conjimto, las células usan estos procesos regu ladores p ara controlar los niveles de mRNA y de proteínas. Ello perm ite a la célula m odificar las pro piedades celulares en resp u esta a los cam bios am bientales y las condiciones fisiológicas. Las células tam bién son capaces de m odular su respuesta fisioló gica alterando el tipo de proteína que expresan. Los anim ales, especialm ente los vertebrados, pueden di se ñ ar proteínas isom órficas con propiedades sutil m ente diferentes que proporcionan células con estrategias alternativas frente a los cam bios am bien tales y fisiológicos.
Las variantes proteicas se producen por la reorganización y la duplicación de genes Los isom orfism os proteicos pueden ser generados a p artir de un único gen p o r diferentes com binaciones en el em palm e de los exones. Este proceso es conoci do como em palm e a ltern ativo (Figura 3.38). Por ejemplo, a p artir de u n único gen podem os obtener m ás de 40 form as isom órficas diferentes de la fibro
nectina. Cada isomorfo de la fibronectina une diferen tes com binaciones de m oléculas de la m atriz extrace lular. D entro de u n a población anim al, hay u n a cierta v ariación en la secuencia exacta de genes específi cos. Como consecuencia, u n individuo diploide tie n e dos versiones diferentes de u n m ism o gen, u n a p erten ecien te a la m ad re y o tra al p ad re. E stas dife re n te s form as del m ism o gen son los a le lo s. Si el gen codifica u n a enzim a, los isom orfos se llam an a lo en zim a s. A m enudo la diferencia en la e stru c tu r a de los aloenzim as tiene un efecto m ínim o en la función. Como son funcionalm ente n eutros, la se lección n a tu ra l no los elim ina de la población. Sin em bargo, en algunos casos la regulación o las p ro p ied ad es catalíticas de los aloenzim as p u ed en ser sutilm ente diferentes. Con frecuencia diferentes aloenzim as p red o m in an en dos poblaciones de a n i m ales. Por ejem plo, si un aloenzim a funciona m ejor en el frío, este gen p uede p re se n ta rse con m ayor frecuencia en las poblaciones de an im ales ex p u es ta s al frío. Otro tipo de isom orfos están codificados po r ge n es sep arad o s que surgen a p a rtir de u n a ancestral
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
E1IE2IE3IE4IE5IE6
Transcripción primordial E1JE2|E3|E4|E5|E6 -
E1IE3IE4IE51E6 E1IE3IE5
Intrón
)<
(a) Empalme alternativo
I
1?
I
I
LDH-a
10"
(b) Variación alélica
x
8
_ LDH-A I LDH-B
(c) Familias de genes Fig u ra 3.38.
O ríg e n e s de la s v a r ia c io n e s p ro te ic a s .
Las células son capaces de producir proteínas isom órficas por varios cam inos diferentes. Pueden em palm ar diferentes com binaciones de exones para crear diferentes proteínas. A m enudo el m ism o gen puede encontrarse con diferentes secuencias en una m ism a población. A lguno s in dividuos pueden tener dos versiones diferentes de un m ism o gen (A o a) en crom osom as heredados de cada uno de los padres. La duplicación de genes puede llevar a copias extras de genes en diferentes sitios. Estos genes pueden d ive rg ir para codificar diferentes proteínas (A y B).
d u p licación de g en es. La F igura 3.39 m u estra al g u n as de las vías p o r las que los genes p ueden llegar a duplicarse. D urante el proceso de m eiosis, largos tram o s de DNA p u ed en ser transferidos de un cro m osom a a otro. En m uchos casos, dos crom osom as in tercam b ian regiones hom ologas sin que ocurra u n a p érd id a o g an an cia de genes. Este proceso de recom binación de genes es u n a de las ventajas de la re producción sexual. De vez en cuando la m aq u in aria
de recom binación de zonas hom ologas identifica erró n eam en te las regiones hom ologas. El resultado es un entrecruzam iento desigual, y un crom osom a da u n extrem o a otro crom osom a. La progenie d eri v ada de los gam etos que h a n perdido esa región del crom osom a no sobrevive. Sin em bargo, la progenie del gam eto recep to r p ueden estar dotada de estas copias extras de los genes duplicados. E stas copias extras de los genes pu ed en tam bién m a ta r a la célu la, o si son n eu trales o beneficiosas, pueden tra n sm i tirse a la siguiente generación. Con el tiem po, la segunda copia de los genes puede m u tar y divergir, dando como resultado un gen que codifica u n a p ro te ína con propiedades distintas. Otra vía por la que los genes pueden duplicarse es a través de los elem en to s m óviles. Muchos organis m os poseen genes que son capaces de saltar de un crom osom a a otro. En m uchos casos, el DNA que se m ueve codifica u n a tran sp o sasa, enzim a necesaria p a ra cortar el DNA de u n a ban d a e insertarlo en otra. En ocasiones,otros genes son atrap ad o s en el elem en to móvil. Cuando los elem entos móviles se m ueven, el otro gen es arrastrad o , dotando al crom osom a recep tor con un a copia extra. La recom binación genética no concluye siem pre con la producción de u n a copia extra de un gen en te ro. En algunos casos, se m ueven fragm entos de ge n es desde un gen h asta otro gen com pletam ente distinto. Una p ro teín a puede poseer dom inios dentro de su estru ctu ra que recu erd an regiones de proteí n a s por lo dem ás no relacionadas. Por ejem plo, cien tos de p ro teín as diferentes p ueden u n ir ATP usando un a estru ctu ra proteica llam ada dom inio de un ión de ATP. E sta estructura, que ap arece en todos los organism os vivos, p robablem ente apareció sólo u n a vez, o u n as pocas veces, hace m iles de m illones de años. Su presencia en m uchos genes diferentes y en todos los taxones posiblem ente es debida a procesos de recom binación genética que m ovieron esta región de un gen a otro.
La duplicación en genomas ancestrales contribuye a la diversidad fisiológica La duplicación de genes p ro p o rcio n a a los o rg an is m os copias ex tras de DNA re d u n d a n te , que p u ed en acum ular m utaciones y divergir dotando a los o rg a n ism os de n uevas capacidades. La llave p a r a alcan za r la o p o rtu n id ad de la especialización se obtiene de esta m a te ria prim a: u n a copia extra de un gen no letal. En vario s m om entos de la evolución de los a n i m ales, se duplicaron genom as enteros. M uchos de
C A P ÍTU LO 3
(a) Recombinación homóloga (entrecruzamiento idéntico)
II
(b) Entrecruzamiento desigual
(c) Elementos móviles Figura 3.39.
D u p lic a c ió n de genes.
La recom binación de genes puede dotar a las células con copias extras de genes. En contraste con el entrecruzam iento idéntico, donde se intercam bian regiones hom ologas de crom osom as, el entrecruzam iento desigual dota a un c ro m o som a con m aterial genético extra. Las células tam bién poseen diferentes tip o s de elem entos m óviles que pueden m overse o duplicar genes entre crom osom as.
los g enes duplicados finalm ente se p erd iero n , pero m uchos otros se co n serv aron y divergieron p a ra fo rm ar fam ilias de genes. M uchas de las especializaciones an ató m icas y funcionales de los v erte b rad o s son el resu ltad o de la duplicación de estos genom as. El tax ó n m ás an cestra l de los m etazoos son los in v erteb rad o s. E sponjas, gusanos y m oscas poseen genom as relativ am en te pequeños, con en tre 10.000 y 20.000 genes. En cam bio, m uchos v erteb ra d o s tie n en cerca de cuatro veces esta cantidad de genes.
M etabolism o y fisiología celular 107
Con frecuencia, si encontram os un a única copia de un gen particular en un invertebrado, en co n trare m os cuatro isom orfos en v ertebrados. E sta “regla del cu atro ” refleja la duplicación de genom as a n c e s tra les; se duplicó cada locus p a ra los genes individua les, y resu ltaro n dos copias de todos los genes; luego se reduplicó, y resu ltaro n cuatro copias de todos los genes. Los genes individuales dentro de genom as duplicados experim entaron m utación, selección, y dirigieron la divergencia hacia genes pocos relacio nados. D espués de un periodo de divergencia, algu nos genes individuales duplicaron de nuevo. Los nuevos genes duplicados están m ás relacionados e n tre sí que con sus an tep asad o s distantes, creando grupos de genes (Figura 3.40). ¿Cuándo tuvo lugar esta duplicación de genom as? La resp u esta nos la d an los análisis filogenéticos de u n a fam ilia de genes im plicados en el desarrollo, la fam ilia Hox. La p ri m e ra duplicación de genom as posiblem ente ocurrió justo an tes de la aparición de los verteb rad o s am andibulares, o agnatos, divergentes de la línea de los vertebrados. La segunda duplicación coincide con el desarrollo de las m andíbulas. Los cordados p rim iti vos como los anfloxos tien en un grupo único de ge n es Hox. En cada caso, la duplicación de los genom as coincide con u n a im portante revolución en la com plejidad morfológica y fisiológica. Esta prim era duplicación de los genom as en el linaje de los vertebrados posiblem ente ocurrió hace 300 m illones de años. Muchos de los anim ales actua les han experim entado la duplicación genética hace relativam ente poco tiem po, incluyendo ejemplos de ra n a s y peces que h an ganado un grupo extra de cro m osom as transform ándose en tetraploides. En algu nos casos, las poblaciones tetraploides existen dentro de especies diploides; no h a pasado suficiente tiempo en el linaje tetraploide desde que duplicó p a ra diver gir. La carpa común, sin em bargo, se hizo tetraploide h ace unos 15 m illones de años. Su pariente cercana, la carpa grasa, tiene la m itad de crom osom as. Mu chos genes que tienen una única copia en otros verte brados, se encuentran a p ares en la carpa común. Aunque los pares h a n divergido en estructura, toda vía no son diferentes en función. E stos procesos genéticos originan en principio la evolución anim al y op eran a nivel de células indivi duales, proporcionando a los anim ales flexibilidad fisiológica. La integración de diferentes tipos de cé lulas en sistem as fisiológicos com plejos es u n a im po rtan te razó n por la cual los anim ales se h an rad iad o en m uchas y diferentes especies en el curso de la evolución.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
m otriz de protones. En ciertas cir cunstancias, la m itocondria puede desacoplarse, induciendo la produc ción de calor en lugar de ATP. Aunque la glicólisis es m enos efi ciente que la fosforilación oxidativa, puede generar ATP mucho m ás rápi dam ente. El destino del piruvato y del NADH producido en la glicólisis de pende de las condiciones intracelulan=2 n=4 n=2 n=4 n=2 res. En presencia de oxígeno, la 1pg/célula 2pg/célula 2pg/célula 4pg/célula 4pg/célula m itocondria puede oxidar el piruvato (a) Duplicación de genomas y el NADH glicolítico. La lanzadera malato aspartato y la lanzadera a-glicerolfosfato transfieren luego los equivalentes reducidos del citoplas m a a la m itocondria. A falta de oxíge no, se necesitan vías especiales para reoxidar el NADH y elim inar el piru vato. Los animales tolerantes a la anoxia pueden u sar otras vías para oxidar el NADH a falta de oxígeno, m uchas de las cuales proporcionan ATP adicional. La glicólisis tam bién proporciona los precursores p ara la vía de las pentosas fosfato, una vía usada p ara producir NADPH para biosíntesis y azúcares especiales para la síntesis de ácidos nucleicos. Las células oxidan ácidos grasos p ara obtener energía usando la vía de Figura 3.40. D u p lic a c ió n d el genom a. la (3-oxidación mitocondrial, la cual (a) M uy tem p ran o en el linaje de los vertebrados, las células diploides se tra n s fo r genera equivalentes reducidos y acem aron en tetraploides, dando a cada célula un grupo com ple to de crom osom as ex til CoA. La velocidad de la ^-oxidación tras. Finalm ente los crom osom as extras se integraron para recrear el estado diploide. Una segunda ronda de tetraploid ización y fusión dio un nuevo anim al diestá controlada por la disponibilidad ploide con cuatro veces el contenido de DNA de sus antepasados, (b) Dendogram a de ácidos grasos y por la velocidad de de la evolución inicial de los vertebrados. La flecha indica el m om e nto en que tiene transporte al interior de la mitocon lugar la duplicación del genom a en el linaje de los vertebrados. dria usando la lanzadera de carniti na. Las células pueden producir ácidos grasos por el Resumen complejo enzimático ácido graso sintetasa, que cataliza las reacciones que son esenciales p ara invertir la /3-oxiLas células producen energía a través de dos vías, la fosforilación oxidativa y la glicólisis. La m ayoría de los dación. Los ácidos grasos pueden alm acenarse en for com bustibles pueden convertirse en acetil CoA dentro m a de triglicéridos, un combustible energéticam ente de la m itocondria. Cuando el acetil CoA entra en el ci denso. Cuando se necesita energía, las lipasas pueden clo del ácido tricarboxílico, se oxida p a ra producir degradar los triglicéridos p ara liberar los ácidos grasos. equivalentes de reducción, NADH y FADH2. Su oxida En ciertas condiciones, como la inanición, los ácidos ción en la cadena tran sp o rtad o ra de electrones gene grasos se convierten en cuerpos cetónicos p ara ser u sa r a un gradiente de protones, calor y especies reactivas dos en los tejidos que no pueden utilizar directam ente de oxígeno. La ATPasa FjF 0m itocondrial, o ATP sintelos ácidos grasos. El equilibrio entre la biosíntesis y el catabolismo tasa, u sa la fuerza m otriz de los protones p a ra gene r a r ATP. La fosforilación está acoplada a la oxidación está regulado por interm ediarios energéticos como ATP, NADH y acetil CoA. Sin esta regulación, los dos a través de u n intercam bio dependiente de la fuerza Fusión
C A P ÍTU LO 3
procesos podrían ocurrir sim ultáneam ente, originando una pérdida de energía en ciclos triviales. La regulación metabólica tam bién determ ina qué combustibles serán oxidados en qué condiciones. En conjunto, estos proce sos ayudan a la célula a m antener su constancia, u ho meostasis, frente a las condiciones cambiantes. Las m em b ran as perm iten a las células crear b a rre ra s perm eables que las ayuden a delim itar su entorno. Las m em b ran as son com binaciones hete rogéneas de fosfolípidos, colesterol y num erosas pro teínas integrales y periféricas. La naturaleza de los lípidos de la m em b ran a influye en su fluidez, un de term in an te im portante de la función proteica. M ientras algunas m oléculas hidrofóbicas pueden atrav esar la m em b ran a p o r difusión pasiva, se nece sitan p roteínas de m em b rana p a ra tra n sp o rta r la m a yoría de las m oléculas. Algunos transportadores, como los canales iónicos, facilitan la difusión de las m oléculas im perm eables bajo gradientes de concen tración creando poros. Los tran sp o rtad o res activos u san la energía p a ra b o m bear las m oléculas contra gradientes. Los gradientes electroquím icos que exis ten a través de las m em b ranas celulares están p rodu cidos por tran sp o rtad o res activos y se utilizan p a ra dirigir diferentes procesos fisiológicos. Muchos aspectos de la fisiología anim al pueder exam inarse a la luz de los procesos celulares. La es tructura básica de las células, incluyendo la mitocon dria, el citoesqueleto, la m atriz extraceluiar y las redes de orgánulos secretores, pueden regularse y remodelarse p ara servir a m uchos propósitos. La capacidad p ara seguir los program as de desarrollo, o responder a los cambios fisiológicos o am bientales, reside en los ge nes. Los cam bios fisiológicos com ienzan en m uchos ca sos con las ru tas celulares de control de los genes. Estos cambios, desde el control transcripcional h asta la re gulación postraduccional, proporcionan a las células la capacidad de rem odelarse según las necesidades. Los procesos evolutivos, incluyendo la duplicación de ge nes y genom as, proporcionan la m ateria prim a p ara adquirir la diversidad fisiológica.
P reguntas de revisión 1. Distinga entre los siguientes tipos de reacciones: anabólica, catabólica, anfibólica y anaplerótica. 2. ¿Cómo se acopla la oxidación a la fosforilación en la fosforilación oxidativa m itocondrial? 3. Com pare las categorías de los transportadores de m em b ran a en térm inos de requerim ientos e n er géticos y de la dirección del tran sp o rte en relación a los gradientes químicos.
M etabolism o y fisiología celular 109
4. Explique la composición de las m em branas bioló gicas. ¿Cuál es la propiedad específica de cada uno de los tipos de lípidos? 5. ¿Cómo pueden las células m odificar la fluidez de sus m em branas, y po r qué ello es im portante para la función celular?
6 . R esum a las funciones de los diferentes com parti m entos subcelulares, y explique cómo influyen en la función celular. 7. Discuta el origen de la variación genética. ¿Cómo puede la variación genética proporcionar flexibi lidad fisiológica?
8 . Compare las vías del metabolismo de la glucosa (sín tesis y degradación) (a) en condiciones de suficiencia y falta de energía y (b) en condiciones de normalidad frente a baja concentración de oxígeno. 9. ¿En qué condiciones es m ás ventajoso el uso de carbohidratos en lugar de lípidos como com busti ble metabólico?
P reguntas de síntesis 1. ¿Qué condiciones m etabólicas pueden afectar a los valores del cociente respiratorio? 2. ¿Qué condiciones m etabólicas afectan a la rela ción entre la produción de ATP y el consum o de oxígeno? 3. Muchos procesos fisiológicos requieren un cam bio en los niveles de proteínas, como los tran sp o r tadores de m em brana. D escriba los procesos que las células pueden u sa r p a ra cam biar los niveles de proteínas. Explique cómo los com partim entos subcelulares influyen en estas vías.
4. Otros procesos fisiológicos requieren cam bios en la actividad de las proteínas. Aunque esto puede surgir a través de cam bios en los niveles de proteí nas, puede cam biar tam bién a través de la regula ción de la función proteica. Comente las diferentes vías con que la célula puede modificar la actividad de enzim as o transportadores. 5. Exam ine la vía de una horm ona proteica, como la insulina, desde su gen en el núcleo hasta la secre ción fuera de la célula.
6 . Explique las diferentes vías po r las cuales un a cé lula es capaz de alterar sus interacciones con otras células. 7. En el Capítulo 2 vimos la im portancia de los efec tos iónico y osmótico en los procesos m acrom oleculares. Describa el m ecanism o por el cual las células pueden u sa r tran sp o rtad o res p a ra cam b iar sus propiedades osm óticas e iónicas.
C a p í tu lo 4 Horm onas y señalización celular
E
n to d o s lo s n iv e le s d e o rg a n iz a c ió n , la v id a d e p e n d e d e la c o m u n ic a c ió n . Los a n im a le s e n v ía n s e ñ a le s en f o rm a d e s o n id o s , o lo re s y g e s to s v i su a le s . En lo s o r g a n is m o s , lo s ó rg a n o s , te jid o s y las c é lu la s se c o m u n ic a n e n tre sí m e d ia n te se ñ a le s q u ím ic a s y e lé c tric a s . In c lu s o d e n tr o d e u n a ú n ic a se ñale s quím icas h acen que la "vieja de C alifornia" cam bie el Las c é lu la e x is te c o m u n ic a c ió n c o n s ta n te de in fo r m a c ió n de hembra a m acho de colores brillantes. sexo
e n tre lo s o rg á n u lo s . D e n tro d e un s is te m a m u ltic e lu la r
c a d a ó r g a n o , te jid o , c é lu la u o r g á n u lo d e b e n m a n te n e r se en c o n s ta n te c o m u n ic a c ió n , p a ra q u e lo s o r g a n is m o s En n in g ú n a s p e c to la s e ñ a liz a c ió n c e lu la r e s m á s im
n ia " , sí se s a b e q u e el c a m b io d e s e x o e s tá c o n tr o la d o
p o r ta n te q u e en el p ro c e s o d e la re p r o d u c c ió n , d o n d e
p o r d iv e rs a s h o r m o n a s q u e in flu y e n en el d e s a rr o llo
está im p lic a d a en ca d a p a s o d e s d e la a tra c c ió n d e l m a
d e las g ó n a d a s . C u rio s a m e n te , el c a m b io de s e x o no
c h o h a sta el d e s a rr o llo d e l e m b r ió n . Las s e ñ a le s c e lu la
e s tá p r o g r a m a d o en la s e ta p a s d e l d e s a rr o llo ; las
res p u e d e n h a s ta d e te r m in a r el g é n e ro . P o r e je m p lo , el
h e m b ra s n o c a m b ia n s ie m p r e su s e x o y se c o n v ie r te n
pez " v ie ja de C a lifo r n ia " (S e m ic o s s y p h u s p u lc h e r ) es un
en m a c h o s a m e d id a q u e a u m e n ta n su ta m a ñ o . S i un
p r o to g y n o u s h e r m a fr o d ita q u e c a m b ia el s e x o de h e m
m a c h o g ra n d e e s tá p re s e n te en el t e r r it o r io , la s h e m
bra a m a c h o d u r a n te su v id a . Las " v ie ja s de C a lifo r n ia "
b ra s n o c a m b ia n de s e x o , a u n q u e s e a n lo s u fic ie n te
jó v e n e s tie n e n g ó n a d a s in d ife re n c ia d a s , de ta l m a n e ra
m e n te g ra n d e s p a ra h a c e rlo . P e ro si el m a c h o g ra n d e
q u e es im p o s ib le d e te r m in a r su s e x o . S ó lo c u a n d o a l
d e s a p a re c e (p o r e je m p lo , c o m o r e s u lta d o d e la p e s
c a n za n lo s 4 a ñ o s (o a lre d e d o r de 12 c m de la rg o ) m a
ca), la h e m b ra m á s g ra n d e r á p id a m e n te in ic ia rá el
d u ra n
p ro c e s o d e l c a m b io de s e x o . En u n a s p o c a s s e m a n a s ,
h acia
h e m b ra s
con
o v a r io s
fu n c io n a le s ,
y
d e s p u é s c u a n d o tie n e n s ie te u o c h o a ñ o s (o a lre d e d o r
110
A u n q u e a ú n n o c o n o c e m o s en d e ta lle lo s m e c a n is m o s en la r e v e r s ió n d e l s e x o en la " v ie ja de C a lifo r
p u e d a n fu n c io n a r c o m o un to d o in te g ra d o .
la m á s g ra n d e d e la s h e m b ra s se h a rá d o m in a n te e
de 30 c m de lo n g itu d ) e x p e rim e n ta n un c a m b io d e s e x o
im p e d ir á a la s re s ta n te s el c a m b io d e s e x o . Este c o n
y se c o n v ie r te n en m a c h o s . E sto s pe c e s v iv e n en h a re
tr o l s o c ia l d e la re v e rs ió n d e l s e x o a y u d a a m a n te n e r
nes d o n d e un ú n ic o m a c h o d e fie n d e a g re s iv a m e n te un
la s p r o p o r c io n e s e n tre lo s g é n e ro s y a m in im iz a r la
g r u p o d e h e m b ra s . Lo s m a c h o s s o n g ra n d e s y tie n e n c o
c o m p e tic ió n m a c h o -m a c h o , m ie n tr a s se a s e g u ra q u e
lo re s b r illa n te s , m ie n tra s q u e las h e m b ra s s o n m á s p e
s ie m p r e h a y a un m a c h o d is p u e s to p a ra la re p r o d u c
q u e ñ a s , m á s a e ro d in á m ic a s y d e un c o lo r m a rró n
c ió n . G e s to s v is u a le s p ro c e s a d o s p o r el c e re b ro a fe c
ro s á c e o b r illa n te . D u ra n te el c a m b io d e s e x o de h e m b ra
ta n a la s e c re c ió n d e la s h o r m o n a s s e x u a le s y
a m a c h o la " v ie ja de C a lifo r n ia " c a m b ia la fo rm a d el
c o n tr o la n el c a m b io d e s e x o en la s m ú ltip le s e ta p a s de
c u e r p o y la c o lo ra c ió n y d e s a rro lla te s tíc u lo s fu n c io n a
e s te c o m p le jo p ro c e s o . E stas h o r m o n a s r e p r o d u c tiv a s
les, m ie n tra s q u e s u s o v a r io s s u fre n u n a re g re s ió n .
in te ra c tú a n c o n la s h o r m o n a s d e l e s tré s q u e e s ta b le -
c o lo re a d a . D e s p u é s d e l a p a re a m ie n to , las s e ñ a le s c e lu la re s ta m b ié n d e s e m p e ñ a n u n p a p e l im p o r ta n te en el d e s a rr o llo d e l e m b r ió n . En el c a s o de la s m a rip o s a s , m u c h a s h o r m o n a s c o n tr o la n la tra n s ic ió n e n tre la o ru g a , la c ris á lid a y el a d u lto . En lo s o r g a n is m o s m u ltic e lu la re s , la s e ñ a liz a c ió n c e lu la r e s tá im p lic a d a en to d o s lo s p ro c e s o s f is io ló g i co s , d e s d e la re s p ira c ió n a la r e p ro d u c c ió n . En e s te c a p ítu lo n o s c e n tra m o s en la s s e ñ a le s c e lu la re s q u e a y u d a n a in te g ra r las fu n c io n e s a n im a le s c o m p le ja s .
•
La s neuronas envían se ñale s quím icas a través de la sin apsis.
ce n lo s m o d e lo s de d o m in io e n tre las h e m b ra s p a ra d e te r m in a r q u é h e m b ra se c o n v ie r te en el m a c h o d o m in a n te . Las s e ñ a le s c e lu la re s s o n ta m b ié n im p o r ta n te s e n el p ro c e s o d e l a p a re a m ie n to . P o r e je m p lo , lo s b a b u in o s h e m b ra s tie n e n un área e s p e c ia liz a d a de p ie l a lre d e d o r d e s u s g e n ita le s . Lo s c a m b io s en lo s n iv e le s de h o r m o n a s s e x u a le s in flu y e n en la a p a ric ió n d e es ta p ie l, q u e se v u e lv e tu rg e n te y c o lo re a d a c u a n d o las h e m b ra s s o n f é rtile s . Lo s b a b u in o s m a c h o s s o n a tra íd o s p o r las h e m
El color brillante de la grupa de esta hembra babuino H am adyas e s el
b ra s c o n la p ie l de lo s g e n ita le s e s p e c ia lm e n te g ra n d e y
resultado de las se ñale s quím icas de las horm onas sexu ales.
111
112 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
I P re s e n ta c ió n Cada acción que u n anim al realiza im plica com unica ción entre las células. El movimiento, la digestión de la com ida e incluso leer este libro requiere la acción coordinada de m illares de células individuales dedi cadas a u n a com unicación constante. La com unica ción entre las células tiene lugar cuando u n a célula comunicadora m an d a u n a señal a u n a célula diana, generalm ente en form a de m ensajero químico. La Fi gura 4.1 resum e los principales tipos de señalización celular. Aunque las células adyacentes se pueden co m unicar directam ente a través de uniones porosas
denom inadas uniones tipo gap (Figura 4. la ), la m ayo ría de las células no tienen contacto directo entre sí. Por consiguiente, la m ayor p arte de la señalización celular es indirecta y com ienza cuando un a célula li b era un m ensajero químico a su entorno. El m ensaje ro químico viaja entonces a través del líquido extraceluiar h asta que alcanza la célula diana. En la célula diana, el m ensajero químico se une a su r ece p tor, cam biando la form a del receptor y activando los m ecan ism o s de tran sd u cción de se ñ a le s, lo que genera u n a resp u esta dentro de la célula diana. Las interacciones entre los m ensajeros químicos, los re ceptores y los m ecanism os de transducción de señales perm iten que las células se com uniquen entre sí.
Célula señalizadora
Célula señalizadora
Sistema circuíala Mensajero químico
Señal eléctrica
Receptor
Transducción de señal
Transducción de señal
Mensajero químico (neurotransmisor) Receptor Transducción de señal
Respuesta
Respuesta Célula diana (a) Señalización directa
Fig u ra 4.1.
(b) Señalización autocrina y paracrina
Célula diana (c) Señalización endocrina
Célula diana (d) Señalización nerviosa
V is ió n g e n e r a l de la s e ñ a liz a c ió n c e lu la r.
Las células pueden com unicarse directam ente, a través de poros acuosos que conectan células adyacentes, o indirectam ente cuando la célula señalizadora libera un m ensajero quím ico al espacio extraceluiar. (a) La señalización celular directa ocurre a tra vés de poros denom inados uniones tip o gap. (b) La señalización paracrina sucede cuando los m ensajeros quím icos difunden desde la célula señalizadora hasta células diana cercanas donde se unen a receptores e inician las vías de transducción de la se ñal que produce una respuesta. La señalización autocrina es sim ila r excepto que el m ensajero quím ico produce una respuesta en la célula señalizadora, (c) La señalización endocrina ocurre cuando los m ensajeros quím icos denom inados horm onas viajan dis tancias largas a través del sistem a circulato rio. Cuando la horm ona alcanza la célula diana se une a su receptor, in icia las vías de transducción de la señal y provoca la respuesta, (d) En la señalización nerviosa, las señales eléctricas viajan largas distancias dentro de una única célula. La señal eléctrica puede entonces pasar directam ente a la célula diana a través de uniones co m u n i cantes, o disparar la liberación de un m ensajero quím ico denom inado neurotransm isor. El neu rotransm isor lleva la señal a la cé lula diana d ifun diend o una distancia corta, donde se une a los receptores de la célula diana, iniciando las vías de transducción de la señal, lo que genera una respuesta.
C A P ÍTU LO 4
Los m ensajeros químicos pueden viajar desde la célula señalizadora hacia la cercanía de las células diana po r difusión m ediante un proceso denom inado com unicación paracrina. Estos m ensajeros quím i cos pueden incluso em itir u n a señal hacia la propia célula señalizadora en u n proceso denom inado com u nicación autocrina. La difusión es insuficiente p a ra que las señales lle guen a células diana distantes. P ara la comunicación a larga distancia los anim ales utilizan el sistem a endo crino y el sistem a nervioso. En el sistem a endocrino, el m ensajero químico viaja desde la célula señalizado ra hacia la célula diana en form a de horm ona, una m o lécula de señalización que es transportada por el sistem a circulatorio. En el sistem a nervioso, una señal eléctrica viaja a larga distancia a través de u n a única célula (la neurona), y es transferida a la célula diana salvando una corta distancia, a menudo en form a de m ensajero químico llam ado neurotransm isor. Los anim ales pueden incluso enviar m ensajeros químicos entre individuos, utilizando/erom onas. En este capítulo exam inarem os prim ero las bases bioquím icas de la señalización celular. E studiarem os cómo las células liberan m ensajeros químicos, cómo estos m ensajeros viajan hacia las células diana y cómo se u n en a los receptores y ejercen sus efectos a través de las ru tas de transducción de señales. Dedi carem os u n a p arte im portante de este capítulo a an a lizar las propiedades fundam entales de los receptores y los m ecanism os de transducción de señales, no sólo porque estos procesos están im plicados en la regula ción de cada sistem a fisiológico, sino tam bién porque se en co n trarán receptores y m ecanism os de tra n s ducción de señales m uchas veces a lo largo del texto. Explicarem os entonces los detalles celulares de los m ecanism os de com unicación p a ra considerar cómo la señalización celular se organiza en sistem as fisioló gicos discretos y cómo se regulan estos sistem as. Ter m inarem os el capítulo discutiendo la evolución de la
T a b la 4 .1 .
Hormonas y señalización celular 113
señalización celular desde el nivel celular h asta el ni vel de sistem a de órganos.
La b ase b io q u ím ic a d e la c o m u n ic a c ió n c é lu la a c é lu la Las células están aisladas de su entorno por la m em b ra n a fosfolipídica. Por consiguiente, cualquier m olé cula quím ica que viaje entre dos células debe prim ero p asar desde el citoplasm a acuoso de la célula señali zadora a través de su m em b ran a lipídica al espacio extracelular acuoso. En la célula diana el m ensajero debe, entonces, atrav esa r la m em brana lipídica a su citoplasm a acuoso. Como la m ayoría de los m ensaje ros son o solubles en el agua (hidrofílicos) o solubles en los lípidos (hidrofóbicos), m an d ar un a señal desde u n a célula a otra rep re sen ta un reto im portante. Por ejemplo, los m ensajeros químicos hidrofóbicos p u e den atrav esar las m em branas, pero no se disuelven bien en los líquidos acuosos como el citoplasm a o la sangre. Los m ensajeros químicos hidrofílicos son so lubles en el citoplasm a y en los líquidos extracelulares, pero no atraviesan las m em branas celulares. La Tabla 4.1 resum e las sim ilitudes y diferencias entre los m ensajeros químicos hidrofóbicos e hidrofílicos en cada paso de la señalización celular.
Rasgos generales de la señalización celular Las células pueden evitar el problem a de m over una señal quím ica hidrofílica a través de un entorno lipídico com unicándose m ediante u n ion es tipo gap. Las uniones tipo gap son complejos proteicos especializa dos que crean un poro acuoso entre los citoplasm as de dos células adyacentes (Figura 4.2). E stán compues-
C o m p a ra c ió n e n tre los m e n s a je ro s q u ím ic o s h id ro fílic o s e h id ro fó b ic o s .
Rasgo
Mensajeros hidrofílicos
Almacenamiento
Vesículas intracelulares
Mensajeros hidrofóbicos Sintetizado a solicitud
Secreción
Exocitosis
Difusión a través de las m em branas
Transporte
Disuelto en líquidos extracelulares
Distancias cortas: Transportado disuelto en los líquidos extracelulares Distancias largas: Transportado unido a proteínas transportadoras
Receptor
Transm em brana
Intracelular
Efectos
Rápido
Lento
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
- Conexina (o inexina)
Hemicanal Membrana plasmática de la célula A Membrana plasmática de la célula B 9 —
F ig u ra 4.2.
Mensajero químico
E s tru c tu ra de la s u n io n e s tip o gap.
Las uniones tip o gap son proteínas com plejas que form an poros acuosos entre células adyacentes. Las proteínas deno m inadas conexlnas (en los vertebrados) o ¡nexinas (en los invertebrados) form an la estructura de las uniones tip o gap.
tas de p roteínas cilindricas entrelazadas (llamadas conexinas en los vertebrados, o inexinas en los inver tebrados) unidas en grupos de cuatro o seis p ara for m a r poros en form a de dónut (hem icanales o conexones) en la m em b ran a celular. Los hem icanales de dos células adyacentes se m antienen unidos p ara form ar u n tubo hueco, que conecta las dos células a través de un puente acuoso. Por tanto, los m ensajeros químicos pueden viajar desde la célula señalizadora hasta la célula diana, sin dejar el medio acuoso. Podem os d em o strar que dos células están com u n icadas m ediante uniones tipo gap inyectando un co lorante fluorescente que no puede atrav esar la m em b ran a de u n a de las células. Si las uniones tipo gap conectan la dos células, el colorante que es inyec tado en u n a de las células difundirá a través de la u nión tipo gap (si el colorante es lo suficientem ente pequeño p a ra atrav esar el poro) y las dos células co m en zarán a ser fluorecentes. Si no hay uniones tipo gap el colorante p erm an ecerá en la prim era célula porque no es capaz de atrav esar la m em brana, y la se gunda célula no se h a rá fluorescente. En m uchas situaciones fisiológicas, la com unica ción directa por medio de las uniones tipo gap implica
el movim iento de iones entre las células. El m ovi m iento de iones hacia dentro o hacia fuera de las célu las actúa como señal provocando un cambio en el potencial de m em brana que dispara una respuesta en la célula diana. Esta comimicación rápida de señales entre las células es u n a m an era sencilla de coordinar respuestas celulares. Como verem os en capítulos pos teriores, el movimiento de los iones a través de las uniones tipo gap ayuda a la coordinación en la con tracción del músculo liso y cardiaco y está implicado en la transm isión de las señales eléctricas entre algu n as células nerviosas. La comunicación directa por medio de las uniones tipo gap es una m anera muy eficiente de enviar seña les, pero estas uniones sólo pueden form arse entre células adyacentes. Los anim ales necesitan otras estra tegias p ara enviar señales hacia células m ás distantes, o hacia células vecinas con las que no están conectadas por uniones tipo gap. Esta clase de señalización es co nocida como señalización celular indirecta, e implica tres pasos: 1. Liberación de un m ensajero químico desde la célula señalizadora hacia el medio extracelular 2. T ransporte del m ensajero químico a través del m edio extracelular h asta la célula diana 3. Comunicación de la señal a la célula diana En las siguientes secciones tratam os estas tres etapas p a ra ver la form a en que las células h an solucionado el problem a de enviar señales quím icas a través de la m em brana celular cuando la com unicación directa a través de las uniones tipo gap no es posible.
Liberación de un m ensajero químico desde una célula señalizadora La com unicación indirecta com ienza cuando la célula señalizadora libera localm ente un m ensajero químico al medio extracelular. Los anim ales utilizan cientos de m ensajeros químicos p a ra la com unicación indirecta, aunque hay pocos m ecanism os p a ra lib erar un m en sajero químico desde la célula señalizadora. Los m en sajeros químicos hidrofóbicos pueden atravesar fácilm ente la m em brana de la célula señalizadora por difusión. Por el contrario, los m ensajeros químicos hidrofíñcos no pueden difundir a través de la m em bra n a de la célula señalizadora. La m ayoría de los m ensajeros químicos hidrofílicos están em paqueta dos en vesículas donde se alm acenan h asta que sean liberados por la célula señalizadora m ediante exoci-
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tosis, u n proceso p o r el que las vesículas se fusionan con la m em b ran a plasm ática y liberan sus contenidos al espacio extraceluiar. Podemos entender la im por tancia de la exocitosis regulada exam inando los efec tos de la toxina botulínica, proteína producida por la b acteria Clostridium botulinum. Esta proteína blo quea la exocitosis regulada de los m ensajeros quím i cos que viajan entre los nervios y los músculos, evitando la contracción m uscular y produciendo p a rálisis. La exposición a dosis altas de esta toxina produce la enferm edad del botulism o, que está carac terizad a por debilidad y parálisis; por lo general co m ienza en el área de la cabeza y progresa hacia la parálisis de los m úsculos del resto del cuerpo, inclu yendo aquellos im plicados en trag ar y respirar. Si no se trata, u n individuo con u n caso grave de botulismo puede m orir por fallo respiratorio. Aunque la toxina botulínica (tam bién llam ada botox) es uno de los venenos conocidos m ás potentes, puede utilizarse p a ra la terapia m édica. La inyección de pequeñas cantidades de botox directam ente en un m úsculo conduce a u n a parálisis local, y puede ser usado p ara los espasm os m usculares. Se utiliza tam bién en cosm ética p a ra reducir las arrugas faciales como las líneas en la frente.
(a) Mensajero hidrofílico Fig u ra 4.3.
Hormonas y señalización celular 115
(b) Mensajero hidrofóbico
T ra n s p o rte de los m e n s a je ro s q u ím ic o s a la
c é lu la d ia n a .
Transporte a la célula diana Una vez liberado de la célula señalizadora, un m ensa jero químico debe m overse a través del líquido extrace luiar h asta la célula diana. Los m ensajeros químicos hidrofílicos se disuelven fácilmente en soluciones acuosas y pueden así m overse desde una célula señali zadora h asta la célula diana disuelta en los líquidos extracelulares como la sangre (Figura 4.3a). Sin em bargo, los m ensajeros químicos hidrofóbicos no se di suelven bien en soluciones acuosas, por lo que deben utilizar otros mecanism os p a ra viajar distancias largas desde la célula señalizadora h asta la célula diana. Los m ensajeros químicos hidrofóbicos se unen a p ro teín a s tran sp ortad oras presentes en la sangre (Figura 4.3b). Las proteínas tran sp o rtad o ras ayudan a los m ensajeros químicos hidrofóbicos a disolverse en solución acuosa rodeándolos y aislándolos de la so lución acuosa. Estos m ensajeros químicos se unen re versiblem ente a sus proteínas tran sp o rtad o ras, lo que produce u n equilibrio entre los m ensajeros libres y unidos. Como se describe en la ley de acción de m asas (véase el Capítulo 2), en un sistem a en equilibrio las cantidades de reactan tes y productos están siem pre en equilibrio. Por lo tanto, se puede describir el equili-
(a) Los m ensajeros quím icos hidro fílicos pueden sertransp ortados disueltos en el líquido circulato rio, (b) Los m ensajeros quím icos hidro fób icos son transportados unidos a proteínas transportadoras.
brio entre un m ensajero químico y su proteína tra n s p ortad o ra m ediante la siguiente ecuación: M + C ^ ^ M -C donde M es la concentración del m ensajero unido, C es la concentración de la proteína transportadora y M-C es la concentración del m ensajero unido a la proteína transportadora. Si la cantidad de m ensajero libre a u m enta, el equilibrio se desplazará hacia la derecha, au m entando la cantidad de m ensajero unido a la proteína transportadora. Si la cantidad de m ensajero libre dis minuye, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda, dism inuyendo la cantidad de m ensajero unido a la pro teína transportadora. La unión del m ensajero hidrofó bico a su proteína transportadora se esboza en la Figura 4.4. Cuando una célula señalizadora libera un m ensajero químico en el líquido extraceluiar, la con centración del m ensajero es alta en el entorno local, y el m ensajero tenderá a im irse a su proteína transporta-
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
La concentración local del mensajero es alta cerca de la célula señalizadora.
La mayoría (pero no todo) del mensajero químico se une a proteínas transportadoras.
El sistema circulatorio lleva el mensajero libre y unido a la célula diana.
El mensajero libre entra en la célula diana y se une al receptor, disminu yendo la concentración del mensajero libre.
Esto hace que el mensa jero unido se disocie de la proteína transportadora, permitiéndole la entrada en la célula diana. F ig u ra 4.4.
T ra n s p o rte de los m e n s a je ro s q u ím ic o s
h id ro fó b ic o s .
dora. P ara la m ayoría de los m ensajeros químicos hidrofóbicos, m ás del 99% del m ensajero se une a su pro teína transportadora, y sólo una pequeña parte del m ensajero queda en form a líbre. Tanto los m ensajeros libres como los unidos viajan hacia la célula diana, que capta cualquier m ensajero libre disponible, lo que hace que baje la concentración de m ensajero libre en el lí quido adyacente a la célula diana. La baja concentra ción de m ensajero libre resultante hace que los m ensajeros unidos se disocien de las proteínas tra n s portadoras (debido a la ley de acción de m asas), sum i nistrando m ensajeros a la célula diana. Como los m ensajeros químicos libres y unidos es tá n en equilibrio, los cam bios en la concentración ta n to de los reactan tes como de los productos influyen en la concentración de los otros. Por tanto, un aum ento en la cantidad de m ensajero que se libera desde la cé lula señalizadora au m en tará la cantidad de m ensaje ro sum inistrado a la célula diana. C ontrariam ente, un
aum ento en la concentración de la proteína tran sp o r tad o ra ten d erá a dism inuir la concentración del m en sajero químico libre, m ientras que la dism inución en la concentración de la proteína tran sp o rtad o ra a u m en tará la concentración del m ensajero libre. Como verem os en la siguiente sección, la cantidad de m en sajero libre influye sobre la respuesta de la célula dia na. Por lo tanto, los cam bios tanto en la cantidad del m ensajero como en la cantidad de proteína tran sp o r tad o ra pueden afectar a la señalización celular.
Comunicación de la señal a la célula diana Cuando un m ensajero químico alcanza la célula diana, se une a una proteína denom inada receptor. La m a yoría de los receptores se unen sólo a un m ensajero químico específico o a un tipo de m ensajero químico, denom inado ligando p ara ese receptor, y no pueden unirse a otros. Cuando el ligando se une a su receptor, éste experim enta un cambio de conformación. Este cambio en el receptor envía una señal a la célula dia na. Los ligandos hidrofóbicos atraviesan la m em brana de la célula diana y se unen a recep tores in tracelu lares. Como los receptores intracelulares se localizan dentro de la célula (bien en el citoplasm a o en el nú cleo), los cam bios en la form a de los receptores in tra celulares pueden ser fácilmente com unicados a otras rutas bioquím icas dentro de la célula. Por el contrario, los ligandos hidrofílicos no atraviesan la m em brana de la célula diana, pero se unen sin em bargo a rece p tores tran sm em b ran a (Figura 4.5). Estas proteínas
Líquido extracelular
Mensajero
Dominio de — unión al ligando Dominio — transmembrana Dominio intracelular Citoplasma (a) Receptor libre Figura 4.5.
(b) Receptor unido
Estructura de un re c e p to rtra n s m e m b ra n a .
(a) Los receptores transm em brana tienen un dom in io extracelu
lar de unión al ligando, un dom in io que atraviesa la m embrana, y un dom inio intracelular. (b) Cuando el m ensajero (ligando) se une al receptor, la conform ación del receptor cambia.
C A P ÍTU LO 4
Hormonas y señalización celular 117
tienen un dominio de unión al ligando que se extiende p o r encim a de la superficie extracelular de la m em b ra n a celular, otro dominio que atraviesa la m em bra n a (transm em brana) y u n tercer dominio intracelular. Cuando u n ligando se une al dom inio de unión al li gando de u n receptor tran sm em b ran a, el receptor cam bia la form a, transm itiendo la señal a través de la m em b ran a celular sin que el propio ligando tenga que atrav esar la m em b ran a rica en lípidos.
Las interacciones ligando-receptor son específicas Las interacciones ligando-receptor son extrem ada m ente específicas debido a que el sitio de unión al li gando de u n receptor tiene u n a form a particular que perm ite que sólo las m oléculas que com parten estruc tu ras relacionadas se im án eficientem ente. Igual que sólo la llave adecuada ab rirá la cerrad u ra de n uestra p uerta, sólo el ligando con la form a correcta se unirá a u n receptor determ inado (Figura 4.6a). Algunas sus tancias quím icas con estru cturas sim ilares al ligando n atu ral pueden im itar la acción del ligando sobre su receptor. Hay dos tipos de sustancias que m im etizan a ligandos: ag o n ista s y a n tagon istas. Las sustancias quím icas que se u n en y activan los receptores se de nom inan agonistas de los receptores (Figura 4.6b) Las sustancias quím icas que se unen pero no activan los receptores se denom inan antagonistas de los re ceptores (Figura 4.6c). M uchas drogas son agonistas o antagonistas de receptores. Por ejemplo, la tubocura rin a es el com puesto de u n a planta que es el ingre diente activo en el veneno de las flechas utilizado por los indios cazadores de Sudam érica p a ra p aralizar a sus p resas. La tub o cu rarin a se une a un receptor en la unión neurom uscular. Debido a que la tubocurarina es u n antagonista del receptor, la unión de la tubocu ra rin a bloquea el receptor, lo que im pide la com unica ción desde los nervios a los m úsculos y produce la parálisis. Una célula diana sólo puede resp o n d er al ligando si el receptor específico se expresa en o dentro de ella. Dos células que estén ju n tas en el organism o pueden estar em bebidas p o r la m ism a señal química, pero sólo la célula que tenga el receptor adecuado respon derá. De este modo, la señalización quím ica es como u n a señal de radio. Dos personas corriendo juntas a lo largo de u n a calle están expuestas a las ondas de r a dio, pero sólo la perso n a que lleva u n a radio portátil (el receptor apropiado p a ra las ondas de radio) recibi rá la inform ación de la señal transm itida po r la em i sión.
Ligando natural
F ig u ra 4.6.
Antagonista
In te r a c c io n e s r e c e p to r -lig a n d o .
Un ligando es una m olécula pequeña que se une específica m ente a una m acrom olécula más grande com o un receptor, provocando una respuesta en la célula diana. Tanto los ago nistas com o los antagonistas pueden unirse a u n receptor, pero sólo los agonistas producen una respuesta.
Los cientos de m ensajeros químicos que se e n cuentran en los anim ales pueden ser usados en millo nes de com binaciones. Sin em bargo, cada célula responde a sólo u n a p arte de estas señales, depen diendo del tipo de receptores que haya en ella. A un que ninguna célula en el cuerpo es capaz de resp o n d er a todos los ligandos posibles, la m ayoría de las células expresan receptores p a ra m uchos tipos de ligando. La com binación particular de receptores ex presados en u n a célula es lo que genera la especifici dad de las respuestas celulares p ara diferentes com binaciones de señales químicas.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
La unión ligando-receptor sigue la ley de acción de masas De la m ism a m an era que la unión de los m ensajeros químicos a sus proteínas tran sp o rtad o ras, las interac ciones ligando-receptor se rigen po r la ley de acción de m asas {véase el Capítulo 2). Los ligandos naturales se u n en reversiblem ente a sus receptores; po r lo ta n to, la siguiente ecuación rep re sen ta la unión del ligan do a su receptor: L+ R
L-R -*• respuesta
donde L es el ligando libre, R es el receptor y L-R es el complejo ligando-receptor unido. La unión del ligan do a su receptor produce u n a resp u esta en la célula diana. A m edida que la concentración de ligando au m enta, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y la proporción del ligando unido al receptor aum enta. A m ayor cantidad de receptor unido a su ligando m ayor es la resp u esta en la célula diana. Sin em bargo, la cantidad de ligando unido a sus receptores en un a cé lula no puede au m en tar indefinidam ente. Por el con trario, los receptores acab an saturándose por el ligando, u n a vez que todos los receptores disponibles están unidos a él (Figura 4.7). Cuando se alcanza el punto de saturación, añ ad ir m ás m ensajero químico no au m en tará la resp u esta en la célula diana. Las células dian a v arían en el núm ero de recepto res que tienen. A m ayor cantidad de receptores en u n a célula, m ayor probabilidad tiene el ligando de u n irse al receptor a cualquier concentración del ligan do (Figura 4.8a) y m ayor es la respuesta en la célula diana. Las células diana con altas concentraciones de receptores se rán m ás sensibles a la presencia de li gando que las células d ian a con concentraciones m ás
F ig u ra 4.7.
E fe c to s de la c o n c e n tr a c ió n d e l m e n s a je ro .
A m edida que la concentración del m ensajero aum enta, el porcentaje de los receptores unidos al m ensajero aum enta hasta el pun to de saturación, en el que todos los m ensajeros d isponibles están unidos al m ensajero.
bajas del receptor. El núm ero de receptores en la célu la diana puede tam bién cam biar a lo largo del tiempo. Por ejemplo, un a persona que n unca bebe café es m ás p ropensa a te n e r m ayor núm ero de receptores p a ra la cafeína (el ingrediente activo p ara el café) que un be bedor de café habitual, porque la exposición constan te a un m ensajero químico tiende a reducir el núm ero de receptores en las células diana, fenóm eno este de nom inado regu lación por dism in ución o a la baja. Un bebedor habitual de café puede necesitar num ero sas tazas de café p ara despertarse totalm ente po r las m añanas, porque el receptor p a ra la cafeína está r e gulado po r dism inución, y por tanto, el individuo n e cesita niveles m ás altos de cafeína p a ra provocar una resp u esta en las células diana. Las p ersonas que no consum en m ucha cafeína sienten a m enudo que sólo un a taza de café o incluso la com ida arom atizada con café les pone nerviosas o les im pide dormir, porque pequeñas cantidades de cafeína provocan un a gran resp u esta en las células diana. Los receptores tam bién pueden ser regulados por increm ento o al alza, en respuesta a algunos cam bios fisiológicos o a la adm inistración de drogas. Por ejem plo, el etanol (presente en las bebidas alcohólicas) in activa un tipo particular de receptor en el cerebro. Cuando una persona bebe regularm ente gran canti dad de alcohol, el cuerpo produce m ás receptores p a ra com pensar. Cuando un bebedor habitual deja de beber, tiene una cantidad de receptores en el cerebro m ás alta de lo norm al y se hace extrem adam ente sen sible a la presencia del ligando n atu ral p a ra ese re ceptor. La resp u esta extrem a p a ra estas células diana conduce a los síntom as típicos de la abstinencia: deli rio, tem blores e incluso ataques de apoplejía. Después de un periodo de tiem po sin alcohol, el núm ero de re ceptores vuelve a su valor norm al y los síntom as del síndrom e de abstinencia desaparecen. Los receptores tam bién pueden variar en la fuer za con la que se unen a su ligando. La fuerza con la que el ligando se une a su receptor se expresa como la con stan te de afinidad (KJ, que se define como la in versa de la concentración del m ensajero químico a la que la m itad de los receptores están unidos y la otra m itad no lo están. Por ejemplo en la Figura 4.8a, el 50% de los receptores están unidos a u n a concentra ción de 10 ~4 mol/1. La constante de afinidad es, po r lo tanto, igual a 1/(10 4mol/1) o 10 4 1/mol. Cuanto m ayor sea el valor de la Ka, m ás estrecham ente se unirá el li gando a su receptor, y m ás baja será la concentración de m ensajero químico necesario p a ra inducir u n a re s puesta en la célula diana. La Figura 4.8b ilustra los efectos de las diferencias en la constante de afinidad.
C A P ÍTU LO 4
(a) Efecto de la concentración del receptor
Hormonas y señalización celular 1
H asta ahora, hem os visto que el tipo y la concentración tanto del ligando como del re ceptor pueden afectar a la resp u esta de la cé lula diana, pero aún no hem os explicado el m odo en que la unión del ligando al receptor está acoplada a la respuesta en la célula d ia na. Cuando un ligando se une al receptor, éste sufre un cam bio conform acional. Pero ¿cómo puede un a señal sencilla como el cam bio en la form a de un a proteína conver tirse en u n a respuesta compleja en la célula diana? La célula utiliza vías de transducción de la señal p a ra convertir el cambio en la for m a de un receptor, en u n a respuesta com ple ja. En la próxim a sección de este capítulo analizarem os las propiedades de estas vías de transducción de las señales.
V ía s d e tra n s d u c c ió n d e la señ al Los transductores son m ecanism os que con vierten señales de un tipo en otro. Una vez que el ligando se ha unido al receptor, la vía de transducción de la señal convierte la señal desde un m ensajero químico en u n a re s puesta dentro de la célula diana. La tra n s ducción de la señal en la célula es sim ilar a la transducción de la señal en los m ecanism os (b) Efecto de la afinidad del receptor de transducción com unes como la radio. Fig u ra 4.8. E fe cto s de la c o n c e n tr a c ió n d e l r e c e p to r y la a fin id a d en Todos los transductores tienen cuatro com e l p o r c e n ta je de re c e p to r e s unid o s . ponentes im portantes: un receptor, un tra n s (a) Las células que tienen concentraciones más altas de receptores poseen misor, un am plificador y un efector. En la un m ayor núm ero de receptores unidos a cualquier concentración de m en célula, el dominio de unión al ligando del re sajero, y estas células responden al m ensajero más intensam ente que las células con m enor núm ero de receptores, (b) A una determ inada concen ceptor actúa de receptor, al recibir la señal tración de m ensajero, las células con receptores de alta afinidad tienen un del m ensajero químico que llega. El dominio m ayor porcentaje de receptores unidos y una respuesta m e jo r que las cé tran sm em b ran a y el dominio intracelular del lulas con receptores de baja afinidad, siem pre y cuando la concentración receptor actúan de transm isores, experi del receptor sea baja. A concentraciones de m ensajero donde to d o s los re ceptores están saturados, no hay diferencia en la respuesta entre las célu m entando un cambio conform acional que las si el núm ero to ta l de receptores es el m ism o. activa la vía de transducción de la señal. La vía de transducción de la señal opera como amplificador, aum entando el núm ero de m o Las constantes de afinidad p a ra algunos receptores léculas activadas por la señal. son muy altas (> 1 0 8 l/mol). Por lo tanto, el receptor se Todas las vías de transducción de la señal actúan puede u n ir a estos m ensajeros químicos incluso cuan con la m ism a estructura general (Figura 4.9). Cuando do están a m uy bajas concentraciones. Por el contra el ligando se une a su receptor, éste sufre un cambio rio, las constantes de afinidad p a ra otros receptores conform acional. El cam bio conform acional del recep son m ucho m enores (~ 104l/mol), por lo que se necesi tor actúa como señal que convierte un a sustancia (A) ta n cantidades m ayores de m ensajero p ara estim ular inactiva en su form a activa. La sustancia activada A, a sus receptores. su vez, activa a la sustancia B, que activa a la sustan-
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Líquido extracelular El ligando se une al receptor provocando un cambio corformacional
Sustancia inactiva C
Sustancia activa C
Citoplasma Fig u ra 4.9.
A m p lific a c ió n por la s v ía s de tra n s d u c c ió n
de la s e ñ a l.
Cuando una única m olécula de ligando se une a un único re ceptor, el receptor sufre un cam bio conform acional. El cam bio en la form a del receptor convierte a la sustancia A inactiva en sustancia A activa. M ientras el ligando permanezca unido al receptor, continuará activando a la sustancia A. Así, una única m olécula de ligando puede activar m uchas m oléculas de sustancia A. La sustancia A continúa activando a la sustan cia B, y así a lo la rgo de la cadena. En cada paso, una m olécu la de sustancia puede activar muchas m oléculas de la siguiente sustancia en la cadena. Por consiguiente, las casca das de transducción de la señal pueden am plificar enorm e m ente la señal.
chas vías de transducción de señales, algunas de ellas m uy complejas. En este libro nos centram os en las vías de transducción de la señal m ás im portantes en la regulación de los procesos fisiológicos. E stas vías de transducción de la señal están asociadas con re ceptores intracelulares, con canales iónicos depen dientes de ligando, con receptores enzim áticos y con receptores acoplados a proteína G (Figura 4.10). Como el nom bre sugiere, los rece p to res in tr a celu la res están localizados dentro de la célula, e interactú an con m ensajeros químicos hidrofóbicos. Las proteínas tran sm em b ran a interactúan generalm ente con m ensajeros químicos hidrofílicos. Los can ales ión icos d ep en d ien tes de ligan d o generan u n a re s puesta en la célula diana cam biando la perm eabilidad iónica a la m em brana. Los rece p to res en zim áticos inducen una respuesta activando o inactivando enzi m as intracelulares. Los recep to res acop lad os a p roteín a G envían señales a u n a proteína G asociada, que inicia entonces u n a vía de transducción de la se ñ al que produce la respuesta en la célula diana.
Receptores intracelulares Cuando un ligando se une a un recep to r intracelular, el recep to r cam bia su form a y se activa (Figura 4.11). Los recep to res in tra celu lare s activados fun cionan como factores de tran scrip ció n , regulando la tran scrip ció n de genes d iana, uniéndose a secuen cias específicas de DNA, y aum en tan d o o d ism inu yendo la producción de mRNA del gen diana. Los recep to res in tra celu lare s tien en tre s dom inios: un dom inio de unión al ligando, un dom inio de unión al DNA y un dom inio de transactivación, cada uno de
cia C, y así sucesivam ente h asta el final de la cascada. El cam bio en la conform ación de im único receptor provocado p o r la unión de u n a única m olécula de m ensajero químico puede d ar lugar a la conversión de m uchas m oléculas de Líquido extracelular sustancia A en sus form as activas. Sitio de unión Sitio de unión al ligando al ligando Cada u n a de estas m oléculas de sus Sitio de unión tancia A puede, entonces, continuar al ligando activando m uchas m oléculas de sus tancia B, y así a lo largo de toda una cadena, pudiendo llegar a producir m illones de m oléculas del producto fi Canal Receptor nal. Como resultado, las cascadas de dependiente enzimático transducción de señal am plifican de ligando enorm em ente la señal original produ Citoplasma cida por la unión de u n a m olécula de m ensajero químico. Cuanto m ás larga Fig u ra 4.10. T ip o s de re c e p to r e s en los a n im a le s . sea la cascada de transducción de la A lguno s de los receptores fisio lógicam ente im portantes en los anim ales son in señal, m ayor será el grado de am plifi tracelulares; canales iónicos dependientes de ligando, receptores enzim áticos y cación de ésta. Las células tienen m u receptores acoplados a proteína G.
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con otros factores de transcripción p a ra regular la transcripción de los genes diana, aum entando o dism inu yendo la producción de mRNA. Ju n ( 2) Dentro de la célula el ligando tos, el dominio de unión al DNA y el se une en el dominio de unión dominio de transactivación actúan al ligando de los receptores intracelulares. como el transm isor en la vía de la transducción de la señal. Los cam bios en la tran scrip ció n ( 3) La unión del ligando cambia iniciados con la unión del ligando a j la forma del receptor. su recep to r pon en en m arch a u n a cascada de sucesos dentro de la cé ( 4) El complejo receptor-ligando lula d ian a (Figura 4.12). El prim er Y se transporta hacia el núcleo. paso de la resp u e sta es, a m enudo, la activación de un núm ero pequeño de genes específicos, que g en eral El dominio de unión al DNA del receptor se une a los m ente codifican p a ra otros factores elementos sensibles de las de transcripción. Los productos del secuencias del DNA y el dominio de transactivación gen siguen entonces activando otros se une con otros factores de genes. E sta cascada de regulación transcripción localizados en esta región. de genes actúa como am plificador en la vía de tran sd u cció n de la señal. © Modulación de Las interacciones entre los recep to Juntos, estos factores de res in tra celu lare s activados y los la transcripción transcripción alteran la factores de tran scrip ció n v a ría n e n Factores de velocidad de transcripción transcripción a mRNA. tre los genes, y el m ism o receptor puede au m e n ta r la tran scrip ció n de F ig u ra 4.11. T r a n s d u c c ió n de la s e ñ a l por los r e c e p to re s in tr a c e lu la r e s . algunos genes y dism inuir la de otros. De esta m an era, un ligando hidrofóbico puede te n e r efectos los cuales d esarro lla etap as específicas en la tra n s com plejos en la célula diana. Debido a que estos liducción de la señal. U na vez que el ligando hidrofógandos ejercen sus efectos alteran d o la tra n sc rip bico h a difundido a trav és de la m em b ran a celular, ción, la resp u esta de la célula d ian a es generalm ente aquél se une al sitio de unión al ligando. La u nión del lenta, detectándose los prim e ro s efectos a los 30 m i ligando produce u n cam bio conform acional en el re nutos, y los efectos secundarios al cabo de h o ras o cep to r que lo activa. Algunos recep to res in tracelu la días. res están localizados en el citoplasm a, y sólo se m ueven hacia el núcleo u n a vez que se h an unido al ligando. Otros recep to res in tra celu lare s se en cu en Canales iónicos dependientes tra n en el núcleo, ya unidos al DNA y p rep a ra d o s de ligando p a ra se r activados. Cuando un ligando se une a un canal iónico depen El dom inio de unión al DNA de un receptor in tra diente del ligando, la proteína sufre un cam bio con celular se une a secuencias específicas denom inadas form acional, abriéndose un canal en su interior; de elem entos sensibles, adyacentes a los genes diana. esta m an era los iones pueden atravesar la m em brana Debido a que el dominio de unión al DNA de cada re celular (Figura 4.13). Cuando el canal iónico se abre, ceptor intracelular reconoce u n a secuencia de res los iones se m ueven hacia dentro o hacia fuera de la puesta específica, y sólo los genes diana implicados célula, según su gradiente de concentración y su gra contienen las secuencias de los elem entos sensibles diente eléctrico. El m ovimiento de los iones cam bia el apropiados, los receptores intracelulares se unen sólo gradiente de concentración a través de la m em brana, a sus genes diana y no a otros genes en el genoma. lo que altera el potencial de m em brana (Capítulo 3: Una vez que el receptor se une al elem ento sensible, el M etabolismo y fisiología celular) y actúa como un a sedominio de transactivación del receptor interactúa Líquido extraceluiar
O - Ligando
(? ) Los ligando hidrofóbicos atra| viesan la membrana celular.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Receptor
Transcripción
r
&
a “T a
Producto del gen A (actúa como factor de transcripción y regula múltiples genes)
fial dentro de la célula. Una única molécula de m ensa jero químico puede a b rir un canal iónico que h aría posible que m uchos iones individuales atrav esaran la m em brana, perm itiendo u n a am plificación de la se ñal. Sin em bargo, como verem os en las siguientes sec ciones de este capítulo, la transducción de la señal por canales dependientes de ligando es relativam ente simple y directa com parada con la transducción de la señal por receptores enzim áticos o po r receptores acoplados a proteína G.
i
a
Transducción de la señal vía receptor enzim ático
Los receptores enzim áticos tienen un dominio de unión al ligando extracelular, un dominio transm em b ra n a y un dominio catalítico intracelular (Figu A O ra 4.14a). El dominio de unión al ligando contiene una región que se une específicamente al m ensajero quí I I mico. Cuando el ligando se une a su dominio de unión, Efectos en muchas rutas bioquímicas el receptor cam bia de form a y el dominio transm em b ra n a transm ite este cambio a través de la m em brana, Fig u ra 4 .12. C a s c a d a s tr a n s c r ip c io n a le s in ic ia d a s por activando el dominio catalítico de la enzim a. Los do r e c e p to re s in tr a c e lu la r e s . m inios catalíticos de los receptores enzim áticos fun En el prim er paso de la transducción de la señal por recepto res in tracelulares, el com ple jo m ensajero-receptor se une al cionan como los catalizadores enzim áticos que inician gen diana A, alterando su tran scripción . El producto del gen el siguiente paso en la cascada de transducción de la diana A continúa entonces interactuando con el DNA y regu señal. Las rutas de transducción de la señal de los re la ndo la tran scripción de genes adicionales. Los productos de ceptores enzim áticos im plican cascadas de fosforila estos genes adicionales pueden tam b ién actuar com o fa cto res de tran scripción o co ntin uar tenie ndo efectos en muchas ción en las que las proteínas en cada paso fosforilan o rutas bioquím icas. defosforilan otras proteínas en la célula diana. Las cascadas de fosforilación am plifican la señal original, provocando un a respuesta en la célula diana. Los receptores enzim áticos se de Líquido extracelular nom inan así por la reacción cataliza da po r el dom inio intracelular Los iones no pueden moverse Los iones se pueden mover a través de la membrana a través de la membrana catalítico. En este texto, estudiam os tres tipos de receptores enzim áticos: Sitio de unión al Sitio de unión al (1 ) los receptores guanilato ciclasas, ligando (vacío) ligando (ocupado)' (2) los receptores tirosín quinasas, y Membrana plasmática (3) los receptores serin a/treo n in a quinasas. En los anim ales, la m ayoría Canal iónico Canal iónico de los receptores conocidos son tiro cerrado abierto sín quinasa. Los anim ales tien en ta m Citoplasma bién m uchos tipos de receptor serin a/treo n in a quinasa, algunos de (a) Canal dependiente de ligando inactivo (b) Canal dependiente de ligando activo los cuales desem p eñ an papeles im F ig u ra 4.13. E s tru c tu ra y fu n c ió n de los c a n a le s ió n ic o s d e p e n d ie n te s p o rtan tes en el crecim iento y des de lig a n d o . arrollo y en la resp u esta a los factores (a) Cuando ningún ligando se une al receptor, el canal Iónico está cerrado y los io de estrés am bientales. Sólo se cono nes no pueden atravesar la m em brana, (b ) Cuando el ligando se une al canal Ióni cen unos pocos receptores guanilato co, el canal cam bia su conform a ción y se abre, perm itiend o a los iones atravesar la m em brana. ciclasas.
I
I
*
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Líquido extracelular Serina/treonina quinasa
Membrana plasmática
Dominio 'd e unión al ligando Dominio - trans membrana Dominio catalítico Tirosina
Serina o treonina ( g )
GMPc
Tirosina — P
Citoplasma (a) Estructura del receptor enzimático Figura 4.14.
Serina—© treonina — ( p )
(b) Tipos de receptores enzimáticos
R e ceptore s e n zim á tic o s .
(a) Estructura del receptor enzim ático. Un receptor enzim ático tiene un d o m in io extracelular de unión al ligando, un do m in io transm em brana y un do m in io in tracelular catalítico (enzim a), (b) Tres tip o s de receptores enzim áticos en anim ales. El receptor gua nilato ciclasa convierte el GTP en GMPc. El receptor tirosín quinasa fosforila residuos de tiro s in a en las proteínas. El receptor serina/treonina quinasa fosforila residuos de serina o treo nina en las proteínas.
Los receptores guanilato ciclasas producen G M P cíclico Cuando un ligando se une a un receptor guanilato ci clasa, el receptor sufre un cam bio conform acional, activando el dominio guanilato ciclasa del receptor (Figura 4.15). La guanilato ciclasa activada produce guanosina monofosfato cíclico (GMPc) que se une y activa a u n a protein quinasa dependiente de GMPc (PKG). La PKG fosforila proteínas en los residuos de serin a o treonina. Las proteínas fosforiladas conti n ú an activando otras proteínas en la cascada de fosfo rilación. Los recep to res de los péptidos natriu rético s au ri culares (PNA) son el tipo de recep to r guanilato cicla sa m ejor caracterizado. Los PNA son un grupo de péptidos m uy relacionados producidos po r las célu las m usculares en el corazón en re sp u e sta al au m en to de la p resió n sanguínea. Como verem os en el Capítulo 11: Equilibrio iónico y osm ótico, los PNA in ducen la vasodilatación y la reducción del volum en sanguíneo renal. A m bas resp u estas dism inuyen la p resió n sanguínea, haciendo que vuelva a su valor norm al. Por tanto, los PAN son p arte del sistem a de retro alim en tació n negativa que regula la presión sanguínea.
Líquido extracelular
( í ) El ligando se une al receptor guanilato ciclasa cambiando su conformación.
( 2) El receptor activado cataliza la conver sión del GTP en GMPc
( 3 ) La GMPc actúa como segundo mensajero y se une a la PKG.
Citoplasma Fig u ra 4 .15.
treonina — P en las proteínas
( 4) La G-quinasa activada fosforila proteínas en los residuos de serina o treonina
T ra n s d u c c ió n de la s e ñ a l v ía los r e c e p to re s
e n z im á tic o s g u a n ila to c ic la s a .
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
El receptor tirosín quinasa funciona a través de las proteínas Ras Cuando un m ensajero químico se une a un receptor ti rosín quinasa, el receptor imido se asocia con otros re ceptores tirosín quinasas de la m em brana p ara form ar dím eros (Figura 4.16). Los receptores dimerizados se fosforilan cada uno en m uchos residuos tirosina, proceso denom inado autofosforilación. Los receptores fosforilados interactúan y activan u n a de las m uchas moléculas señalizadoras intracelulares, m uchas de las cuales son protein quinasas. Estas qui nasas activadas señalizan a la proteína Ras, el si guiente paso en esta vía de transducción de la señal. Las proteínas Ras se unen e hidrolizan el GTP y funcio n an m ediante ciclación, como interruptores entre el estado activo cuando GTP está unido, y el estado inac tivo cuando se une GDP. Son m iem bros de una familia grande de proteínas denom inadas proteínas G, sobre las que tratam o s detalladam ente m ás adelante en este capítulo. Las proteínas activadoras GTPasa (GAP) y las proteínas liberadoras del nucleótido guanina (GNRP) catalizan la transición entre Ras activo e inactivo. Los receptores tirosín quinasas transm iten la señal a tra vés de GAP y de GNRP p ara regular Ras. Ras activa una cascada de fosforilación serina/treonina que envía una señal a través de la célula. Hay m uchas cascadas de fosforilación serina/treonina en las células animales, pero una que es especilemente im portante es la que implica a las quinasas MAP (Figu ra 4.17). Ras activada transm ite la señal a una MAP-qui-
Líquido extraceluiar Membrana plasmática Citoplasma
MAPKKK
MAPKKK -
P
Fosforila
r® MAPKK
MAPKK -
P
Fosforila
MAPK ^
^ MAPK -
P
Fosforila
Otras proteínas quinasas, factores de transcripción y proteínas celulares
Fig u ra 4.17.
T ra n s d u c c ió n de la s e ñ a l v ía c a s c a d a de
fo s fo r ila c ió n de la M A P q u in a s a .
Las proteínas Ras que se activan por el receptor tirosín quinasa fosforilan la MAP-quinasa-quinasa-quinasay la MAPKKK fosforilada fosforila una MAP-quinasa-quinasa, que a su vez fosforila una MAP-quinasa, que después fosforila otras proteínas quina sas, factores de transcripción, y diversas proteínas celulares.
Líquido extraceluiar
El ligando se une al receptor.
f
Los receptores se dimerizan y autofosforilan.
3J Los receptores fosforilados interactúan con proteínas quinasas.
( 4 ) Las proteínas quinasas T señalizan a la proteína Ras.
Citoplasma Figura 4.16.
Respuesta T ra n s d u c c ió n de la s e ñ a l a tra v é s de los r e c e p to re s tiro s ín qu in a sa s.
( 5) Ras alterna entre las formas [ activas e inactivas.
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Hormonas y señalización celular 125
nasa-quinasa-quinasa (MAPKKK), que fosforila una Los receptores p a ra el factor de crecim iento tran sform an te p (TGF-p) están entre los receptores MAP-quinasa-quinasa (MAPKK). A su vez la MAP-quinasa-quinasa fosforila una MAP quinasa (MAPK). La serina/treonina quinasas m ás intensam ente estudia dos, porque las m utaciones en los receptores TGF-|3 y MAP-quinasa fosforila entonces a otras protein quina las vías de transducción de señal asociadas se conside sas, proteínas celulares y a los factores de transcripción Elk-1 y Jun. Estos factores de transcripción regulan la r a n im plicadas en el desarrollo de tum ores en h um a transcripción de nuevos factores de transcripción, que a nos. Los receptores TGF-p están presentes como un su vez regulan la transcripción de varios genes. Por tan complejo form ado por dos proteínas distintas, denoto, las cascadas de fosforilación inicia das por los receptores tirosín quinasas Líquido El ligando se une al receptor serina/treonina amplifican en gran m edida la señal quí quinasa cambiando su mica original. Debido a que activan cas conformación. cadas de fosforilación que se extienden dentro de la célula, las proteínas Ras tie nen un amplio rango de efectos en el ( 2) El cambio conformacional activa el dominio del crecimiento celular y el metabolismo. receptor serina/treonina Aproximadamente el 30% de los proce quinasa. sos cancerígenos hum anos implican mutaciones en los genes que codifican p ara Ras. Estas mutaciones hacen que ( 3) La serina/treonina quinasa fosforila proteínas en los la proteína Ras sea activa constitutiva residuos de serina o m ente, con lo que es activa incluso en treonina. ausencia de un ligando. La Ras activada de esta m anera, envía una intensa señal Citoplasma a la célula, que estimula su crecimiento y división incontrolada, lo que produce (a) Estructura general del receptor serina/treonina quinasa un proceso cancerígeno.
Los receptores serina/treonina quinasas activan directamente cascadas de fosforilación Los receptores serin a/treo nina quina sas activan directam ente cascadas de fosforilación, sin trab ajar a través de proteínas Ras. Cuando un ligando se une a un receptor serin a/treonina quinasa, el cambio conform acional que sufre el receptor activa directa m ente a u n a serin a/treo n ina quinasa (Figura 4.18a). La serin a/treonina quinasa activada fosforila entonces otras proteínas, activándose u n a cas cada de fosforilación. Las vías de se ñalización activadas por receptores serin a/treo n in a quinasas no se co nocen aú n en su totalidad, pero son si m ilares a las ru tas utilizadas por receptores tirosín quinasas en que es tá n im plicadas cascadas de fosforila ción que am plifican enorm em ente la señal en la célula diana.
Líquido extracelular
£
El ligando se une al receptor TGF-p tipo I.
El receptor unido dimeriza con el receptor unido tipo II.
!
í
El receptor tipo II fosforila el receptor tipo I y lo activa.
El receptor activado fosforila la proteína SMAD.
( 5 ) Las SMAD activadas entran en el núcleo y regulan la expresión génica.
(b) Transducción de la señal por medio de los receptores TGF-p Fig u ra 4.18.
T r a n s d u c c ió n de la s e ñ a l v ía s e r in a /tr e o n in a q u in a s a s .
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
m inadas receptores TGF-0 tipo I y tipo II (Figu ra 4.18b). Cuando TGF-p se une, los receptores tipo I y tipo II se asocian. El receptor tipo II fosforila al recep tor tipo I, activando el dominio catalítico intracelular del receptor tipo I. El dominio catalítico del receptor tipo I activado fosforila entonces u n a serie de proteí nas diana denom inadas SMAD en residuos específicos de serina y treonina. Las SMAD fosforiladas se trasla dan al núcleo donde interactúan con otras proteínas p a ra regular la transcripción de genes diana.
Transducción de la señal vía receptores acoplados a proteína G Los receptores acoplados a proteína G son u n a am plia fam ilia de proteínas que atraviesan la m em brana y que in teractú an con u n a p roteína intracelular deno m inada p ro teín a G. Las p roteínas G tom an su nom bre por su capacidad p a ra unirse a nucleótidos de guanosina. Los receptores acoplados a proteína G pueden ab rir o c errar canales iónicos, o iniciar casca das de transducción de las señales. Cuando u n a pro
La proteína G señalizadora está implicada en la com unicación célula a célula en una am plia variedad de organism os, incluyendo hongos, plantas y animales, pero el núm ero y la diversidad de receptores aco plados a proteína G han aum entado enorm em ente durante la evolución de los m etazoos. La única célula de la levadura Saccharomyces cerevisiae tiene sólo tres receptores aco plados a proteína G, e incluso m etazoos relativam ente sen cillos tienen cientos de receptores acoplados a proteína G. Por ejem plo, el genoma del nem atodo Caenorhabditis ele gans contiene casi 1.100 genes diferentes con secuencias sim ilares para los receptores acoplados a proteína G. A un que todavía no sabem os si estas secuencias codifican para receptores funcionales, es bastante probable que al m enos m uchos cientos de estos genes participen en la com unica ción célula a célula de los nem átodos. Esta gran diversidad de los receptores acoplados a proteína G no es exclusiva de los nem átodos. De hecho, todos los genom as animales que han sido secuenciados com pletam ente hasta la fecha, pre sentan, en alguna parte, entre el 1 % y el 5% del total de la parte genoma que codifica para las proteínas, secuencias si m ilares a los receptores acoplados a proteína G. Los receptores acoplados a proteína G reconocen muchos ligandos diferentes y estím ulos que incluyen la luz, los olores y los mensajeros químicos, por lo que desempeñan un papel im portante tanto en la sensibilidad al am biente com o en la co
teína G asociada a un receptor abre o cierra canales iónicos, los iones se m overán dentro o fuera de la cé lula, dependiendo de su gradiente eléctrico y de con centración. El movimiento de iones produce cam bios en el potencial de m em brana, que actúa como señal dentro de la célula. Por lo tanto, la proteína G tra n s m itiendo la señal a través de los canales iónicos es un a vía relativam ente directa de g enerar u n a re s puesta dentro de la célula. Por el contrario, cuando los receptores acoplados a proteína G inician vías de transducción de las señales, d isparan cascadas com plejas que tienen como resultado diversos efectos in directos dentro de la célula diana.
Los receptores acoplados a proteína G activan segundos mensajeros Los científicos han caracterizado m ás de 300 tipos de receptores acoplados a proteínas G en los anim ales, y existe una considerable diversidad en las proteínas G y en las vías de transducción de las señales con las que interactúan (véase la Caja 4.1). Todas estas rutas, sin
municación célula a célula en los organismos multicelulares. El genoma humano, por ejemplo, tiene aproximadamente 1.000 secuencias relacionadas con los receptores acoplados a proteína G. De ellos, aproximadamente 700 están implicados en los sentidos del olor y el gusto u otras funciones quimicosensoriales. Los 300 restantes probablemente interaccionan con moléculas químicas señalizadoras y, por lo tanto, estarían implicadas en la comunicación célula a célula. De las proteínas G implicadas en la señalización celular, 140 aproximadamente no tienen ligando o función y se denominan receptores hu é r fanos. Los análisis evolutivos sugieren que todos los genes de los receptores acoplados a proteína G en los animales tie nen un antepasado com ún, y surgieron por duplicación y des cienden con modificaciones a través del tiem po evolutivo para desempeñar papeles diferentes en los animales multicelula res complejos. Referencias • Bockaert, J., S. Claeysen, C. Becamel, S. Pinloche, and A. Dumuis. 2002. G-protein-coupled receptors: Dominant players in cell-cell com munication. International Review of Cytology I'll'. 63-132. • Jones, A. M. 2002. G-protein-coupled signaling in Arabidopsis. Current Opinion in Plant Biology 5: 402-407. • Pierce, K. L., R. T. Premont, and R. J. Lefkowitz. 2002. Seventransmembrane receptors. Nature Reviews. Molecular Cell Biology 3: 639-650.
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em bargo, tienen m uchos pasos en común. Los rasgos com partidos de las interacciones entre los receptores acoplados a proteínas G, las proteínas G y las rutas asociadas de transducción de las señales se resum en en la Figura 4.19. Cuando un ligando se une a un re ceptor acoplado a proteína G, el receptor cam bia su form a, m andando una señal a la proteína G. Cada p roteína G consta de tres subunidades (a, p y 7 ). La subunidad a contiene los sitios de unión p ara los n u cleótidos de guanosina y se piensa que interacciona con el receptor, m ien tras que las subunidades |3 y 7 es tá n fuertem ente unidas u n a a la otra. El receptor u ni do al ligando envía u n a señal a la subunidad a de la p roteína G, induciendo u n cambio conform acional en la p roteína G. El cam bio conform acional hace que la subunidad a de la p roteína G libere el GDP, u n a una m olécula de GTP y se convierta en activa. La subuni dad a activada se m ueve lateralm ente a través de la m em b ran a e in teractúa con su m olécula diana, dán dole el nom bre genérico de “enzim a am plificadora”. La p roteína G activada altera la actividad de la enzim a am plificadora, bien aum entando o bien dism inuyen do su actividad (dependiendo de la proteína G especí fica). Las enzim as am plificadoras catalizan la conver sión de u n segun d o m en sajero desde la form a inac tiva a la form a activa (el m ensajero químico que es el ligando p ara el receptor se denom ina algunas veces “prim er m en sajero ”). U na única m olécula de enzim a am plificadora puede catalizar la conversión de miles de m oléculas de segundos m ensajeros desde su form a
Hormonas y señalización celular 127
inactiva a su form a activa, am plificando enorm em en te la señal. Los segundos m ensajeros continúan des pués activando o inhibiendo u n a am plia variedad de ru tas dentro de la célula.
Las rutas de transducción de la señal de proteína G implican uno de los cuatro segundos mensajeros A p esar de la enorm e diversidad de receptores aco plados a proteína G, todas las proteínas G actúan a través de uno solo de los cuatro segundos m ensajeros que existen: Ca2+, GMP cíclico, fosfatidilinositoly aden osfn m onofosfato cíclico (AMPc). La Tabla 4.2 re sum e las sim ilitudes y diferencias entre las cascadas de estos segundos m ensajeros. Todas estas cascadas am plifican la señal dentro de la célula diana, indu ciendo respuestas que pueden darse en m ilisegundos o en horas.
Las rutas de transducción de las señales mediadas por Ca2+ actúan a través de la calmodulina Algunos receptores acoplados a proteínas G actúan directam ente activando canales iónicos en la m em b ra n a plasm ática de la célula diana. Los canales ióni cos abiertos perm iten a los iones m overse a través de la m em brana celular, cam biando el potencial de m em brana, que actúa como señal dentro de la célula diana. Si la proteína G interactúa con un canal de Ca2+
Líquido extracelular
El ligando se une al receptor acoplado a la proteína G cambiando su conformación. Proteína G (Inactiva)
Subunidad a (activa) de la proteína G
Enzima amplificadora
Membrana plasmática
( 2) El receptor activado transmite T la señal a una proteína G asociada, haciendo que la subunidad a ibere GDP y se una al GTP.
Subunidad 7 Subunidad (5 Subunidad a
Segundo mensajero inactivo
La subunidad a activada se mueve a través de la membrana e interac túa con una enzima amplificadora.
Segundo mensajero activo
La enzima am plificadora activada convierte el segundo mensajero inactivo en su forma activa. Activa o inhibe vías celulares Citoplasma Figura 4.19.
T r a n s d u c c ió n de la s e ñ a l v ía r e c e p to re s a c o p la d o s a p ro te ín a G.
f
El segundo mensajero activado activa o inhibe las vías celulares.
128 PR IM E R A PARTE
Ta b le 4 .2 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
S e g u n d o s m en sa jero s .
Segundo mensajero
Sintetizado por la enzima
Acción
Efectos
Ca2+
Ninguna
Se une a calmodulina
Altera la actividad enzimática
GMPc
Guanilato ciclasa
Activa proteínas quinasas (generalmente protein quinasa G)
Fosforila proteínas Abre y cierra canales
AMPc
Adenilato ciclasa
Activa proteínas quinasas (generalmente protein quinasa A)
Fosforila proteínas
Fosfatidilinositol
Fosfolipasa C
Activa protein quinasas C Estimula la liberación de Ca2+ desde los almacenes intracelulares
Altera la actividad enzimática Fosforila proteínas
el aum ento de la [Ca2+] citoplasm ática inicia la casca da de transducción de la señal dentro de la célula dia n a. La m ayoría de las cascadas de transducción de la señal m ediadas po r Ca2+ actúan a través de la proteí n a calm odulina, u n a p roteína de unión a Ca2+ p re sente en todas las células eucariotas. La calm odulina tiene cuatro sitios de unión p a ra el Ca2+. La unión del Ca2+ a los cuatro sitios activa la proteína, que interactú a entonces con m uchas otras proteínas. Muchos de los efectos del Ca2+ en las células están m ediados por u n a fam ilia diversa de serin a/treonina quinasas lla m ad a protein quinasa dependiente de Ca2+-calmodulina (CaM quinasas). Uno de los ejemplos m ejor estudiados de las CaM q uinasas es la CaM quinasa II, que se encuentra en altas concentraciones en las neu ro n as que secretan los neuro transm isores denom ina dos catecolam inas. Cuando el Ca2+ citoplasm ático se increm enta en estas neuronas, el cambio en la con centración de Ca2+ activa la CaM quinasa II. La CaM quinasa II fosforila la tirosina hidroxilasa (una de las enzim as clave en la biosíntesis de las catecolaminas). Las CaM q uinasas desem peñan un papel m uy im por tan te en los anim ales. Por ejemplo, uno de los genes de la CaM quinasa está im plicado en el proceso de aprendizaje y m em oria. Los ratones transgénicos que tienen el gen de la CaM quinasa suprim ido tienen alte ra d a la actividad encefálica y son incapaces de ap ren d er cómo se n a d a a través de un laberinto de agua.
La guanilato ciclasa produce GMPc La m ayoría de las proteínas G que utilizan la GMPc como segundo m ensajero activan la enzim a amplifi cadora guanilato ciclasa, que cataliza la conversión desde GTP a GMPc. La GMPc continúa luego activan do la PKG, que p asa a fosforilar m uchas otras proteí n as (como se m u estra en la Figura 4.15). Adem ás
algunos receptores acoplados a proteínas G utilizan u n a ru ta diferente p a ra la transducción de la señal. Cuando el ligando se une a estos receptores acoplados a proteína G, la subunidad a de la proteína G asociada se m ueve lateralm ente a través de la m em b ran a y se une y activa la enzim a am plificadora fosfodiesterasa. La fosfodiesterasa activada cataliza la conversión de la GMPc en GMP haciendo que los niveles de GMPc en el citoplasm a dism inuyan. La dism inución de la GMPc citoplasm ático lleva a que la GMPc se disocie de los ca nales de N a+ de la m em brana cerrándolos. El cierre de los canales de N a+ im pide la en trad a de N a+ a la cé lula, lo que cam bia el potencial de m em brana y por consiguiente transform a la señal quím ica en eléctrica. Esta ru ta de transducción de la señal form a p arte del proceso de la visión de los vertebrados. E studiarem os con m ás detalles la transducción de la señal en las cé lulas de los ojos tanto de invertebrados como de verte brados en el Capítulo 7.
La fosfolipasa C produce fosfatidilinositol Algunos receptores acoplados a proteína G, incluyen do algunos receptores m uy im portantes en el encéfa lo, funcionan a través de la ru ta de transm isión de la señal del fosfolípido inositol (Figura 4.20). Cuando un m ensajero químico se une a uno de estos receptores, el receptor activado estim ula una proteína G trim érica denom inada Gq, que a su vez estim ula un a fosfoli p asa específica de inositol (fosfolipasa C-|3). En m enos de un segundo, esta enzim a rom pe un fosfolípido de m em brana fosforilado que se denom ina fosfoinositol difosfato (PIP,). La ro tu ra del PIP, da lugar a dos pro ductos: in ositol trisfosfato (IP3) y d iacilglicerol (D A G ). Ambos, el IP3y el DAG, actúan como segundos m ensajeros en dos ram as de la cascada de tran sd u c ción del fosfatidilinositol.
C A P ÍTU LO 4
Hormonas y señalización celular 129
1) El ligando se une al receptor asociado a proteína que cambia su conformación.
( 2) La subunidad a de la proteína G libera GDP, se une al GTP y se mueve a través de la membrana.
( 3) La subunidad a activada activa la fosfolipasa C, que rompe el PIP2 en el IP3 y DAG.
(§
El IP3 se libera al citoplasma.
Respuesta en la célula Citoplasma
El DAG se rompe en la membrana para formar ácido araquidónico, el sustrato para la síntesis de unos mensajeros químicos denominados eicosanoides.
Í
EI IP3 puede ser fosforilado a IP4, que tiene diferentes efectos.
( 7) |
El IP3 se une también a los canales de Ca2+ en el retículo endoplasmático, liberando el Ca2+ al citoplasma.
8 ) El Ca2+ se une a la calmodulina provocando efectos diversos dentro de la célula.
M em brana-------del retículo endoplasmático
Fig u ra 4.20.
Efectos diversos
La v ía de la s e ñ a liz a c ió n d e l fo s fo líp id o in o s ito l.
El IP 3 producido p o r la hidrólisis del PIP 2es solu ble en agua y ráp id am en te deja la m em brana plasm á tica p o r difusión. El IP 3 se une a los canales de Ca2+ dependientes de IP3 de la m em brana del retículo en doplasm ático, activándolos. Los canales activados se abren, perm itiendo la salida de Ca2+ del retículo endo plasm ático. El aum ento de la concentración de Ca2+ citoplasm ático activa aún m ás el canal perm itiendo la salida de m ás Ca2+. El aum ento de Ca2+ citoplasm ático
( 9 ) El Ca2+ también estimula la proteína quinasa C (PKC) para moverse hacia la membrana donde interactúa con el DAG.
t
EI DAG activa la PKC, que fosforila proteínas, estimulando la cascada de fosforilación.
actúa como tercer m ensajero, produciendo diversos efectos dentro de la célula. El IP 3 es rápidam ente inactivado por defosforilasas específicas y el Ca2+ se elim ina del citoplasm a con rapidez por transporte activo finalizando la respues ta. Las acciones del IP 3 generalm ente d u ran m enos de u n segundo después de que el m ensajero químico se disocie del receptor. Algún resto del IP 3 puede fosforilarse p a ra form ar 1, 3, 4, 5-tetrakisfosfato (IP4), que
130 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
m edia resp u estas m ás lentas y m ás prolongadas den tro de la célula. El DAG, es decir, el otro producto de la rotura del PIP,, inicia dos vías p a ra la transducción de la señal. Al contrario que el IP3, el DAG perm anece en la m em b ra n a y puede rom perse p a ra form ar ácido araquidónico, que es el sustrato p a ra la síntesis de los eicosanoides, u n tipo de m ensajero químico. Por otro lado, el DAG puede activar a la protein quinasa C (PKC), u n a quinasa dependiente de Ca2+. Un aum ento en los niveles de Ca2+ (producido por la señales desde el IP3) hace que la PKC se desplace hacia la m em b ra n a, donde in teractúa con el DAG. En la m em brana, el DAG activa a la PKC. La PKC activada fosforila los re siduos de serina y treonina en diversas proteínas, en tre ellas las MAP quinasas, que ya hem os descrito con anterioridad. A través de estas rutas, la PKC activada puede alterar las actividades de las proteínas existen
tes e influir en la transcripción de los genes y, por lo tanto, en la producción de nuevas proteínas.
El A M Pc fue el segundo mensajero que primero se descubrió Muchos procesos fisiológicos im portantes im plican a proteínas G que transm iten la señal vía sistem a AMP cíclico-adenilato ciclasa, que utiliza el AMPc como se gundo m ensajero. El AMP cíclico fue el segundo m en sajero intracelular que prim ero se identificó, y como resultado de ello se conocen con m ucho detalle estas vías de transducción de la señal. Hay dos tipos de pro teínas G que interactúan con la vía de transducción del AMPc: proteínas G estim uladoras (Gs) y proteínas G inhibidoras (GJ (Figura 4.21). Las proteínas Gs y Gi difieren en sus subunidades a , aunque sus sublimida des 0 y 7 pueden ser sim ilares. Ambas, Gs y G¡, inter-
Í Í
EI ligando se une al receptor acoplado a proteína Gs, para producir un cambio conformacional.
La subunidad a s libera el GDP, se une al GTP, se mueve a través de la membrana y activa la adenilato ciclasa.
( 3) La adenilato ciclasa activada cataliza T la conversión del ATP en AMPc.
( 4)
El AMPc se une a la subunidad regula dora de la proteína quinasa A (PKA), lo que hace que se disocie de la subunidad catalítica y la active.
Í
La subunidad catalítica activada fosforila proteínas, produciendo una respuesta.
6 ) Las proteínas fosforiladas son rápidamente defosforiladas por serina/treonina fosfatasas, terminando la respuesta.
( 7) Cuando el ligando se une al receptor acoplado a proteína G¡, la subunidad a inhibe la adenilato ciclasa, inhibiendo la vía de transducción de señal.
Citoplasma F ig u ra 4.21.
T ra n s d u c c ió n de la s e ñ a l v ía a d e n ila to c ic la s a .
La transducción de la señal acoplada a proteína G a través de la adenilato ciclasa puede ser tanto estim uladora com o inhibidora.
C A P ÍTU LO 4
accionan con la enzim a am plificadora adenilato ciclasa, que cataliza la conversión del ATP en AMPc. Cuan do u n ligando se une a u n receptor que interactúa con la pro teín a Gs, la subunidad a s de la proteína activada Gs se une y activa a la enzim a adenilato ciclasa unida a la m em brana. Cuando u n ligando se une a un receptor que interactúa con la p roteína G,, la subunidad a, de la proteína activada G( inhibe a la adenilato ciclasa. Las proteínas Gs y Gi actúan ju n tas p a ra regular los niveles intracelulares de AMPc. En el siguiente paso de la vía de transducción del AMPc, éste se une a la protein quinasa A (PKA) en los sitios de las subunidades reguladoras de la quinasa inactiva. La unión del AMPc altera la conform ación de las subunidades reguladoras y hace que se disocien de las subunidades catalíticas. Las subunidades cata líticas desunidas son activas y catalizan la fosfo rilación de proteínas específicas. La fosforilación proteica genera un a resp u esta en la célula diana. Las células tienen m ecanism os p a ra defosforilar rápidam ente las p roteínas fosforiladas po r la PKA, asegurándose de que las señales dependientes de AMPc sólo persisten p o r periodos cortos (segundos a minutos). Las fosfatasas serina/treonina elim inan los fosfatos añadidos po r la PKA. La actividad de las pro teínas reguladas por fosforilación depende del equili brio entre las actividades de la PKA y las fosfatasas serina/treonina. Cuando el AMPc estim ula la activi dad de la PKA, el equilibrio de la reacción tiende a os cilar hacia la fosforilación de las proteínas diana. Por el contrario, cuando los niveles de AMPc son bajos, el equilibrio de la reacción oscila hacia la defosforilación de las proteínas diana. Las vías de transducción de la señal de Ca2+ y de AMPc interactúan entre sí a m u chos niveles. Por ejemplo, la interacción de la Ca2+calm odulina con la adenilato ciclasa. La adenilato ciclasa es la prim era enzim a am plificadora de la vía de transducción de la señal m ediada por el AMPc y ca taliza la producción de AMPc. De la m ism a m anera, la Ca2+-calm odulina tam bién interacciona con la fosfodiesterasa de AMPc, la enzim a que rom pe el AMPc. Por consiguiente, el Ca2+ desem peña un papel esen cial en la regulación de la señalización po r AMPc. Por el contrario, la PKA, en uno de los pasos de señaliza ción del AMPc, puede fosforilar los canales de Ca2+ y bom bear, alterando su actividad. Por lo tanto, la vía de señalización de AMPc puede regular la vía de Ca2+calm odulina. Tanto la protein quinasa A como la qui n asa CaM fosforilan a m enudo sitios distintos de las m ism as proteínas diana. G racias a este ejemplo, ve m os claram ente que las cascadas de la transducción de señales en la célula no son conexiones lineales sen
Hormonas y señalización celular 131
cillas, desde la unión del m ensajero químico, a través de m uchos pasos am plificadores, h asta la culm inanción en un a respuesta celular. Por el contrario, la transducción de señales en la célula actúa m ás como un a red de ru tas entrelazadas que se com binan p ara g en erar respuestas complejas. In vivo, la re d es toda vía m ás compleja, ya que las células reciben múltiples señales, m uchas de las cuales tienen efectos interac tivos.
S is te m a s d e s e ñ a liza c ió n c e lu la r Los anim ales utilizan sistem as fisiológicos, incluyen do los sistem as endocrino y nervioso, p a ra com uni carse entre los órganos y tejidos distantes. Aunque estos sistem as a m enudo se presen tan como si fueran b astan te distintos entre sí, en realidad sólo son de h e cho vías especializadas p a ra conseguir el m ism o re sultado: señalización indirecta célula a célula. Como ya hem os visto en este capítulo, toda la señalización celular indirecta tiene tres pasos: ( 1) liberación del m ensajero químico desde la célula señalizadora, (2) tran sp o rte del m ensajero a la célula diana, y (3) la unión del m ensajero químico al receptor en la célula diana, que activa las vías de transducción de la señal. Los pasos 1 y 3 son m uy sim ilares en los diferentes sistem as p ara la com unicación célula a célula en to dos los anim ales. Por el contrario, los anim ales tie n en diferentes m an eras de m ovilizar el m ensajero químico entre la célula señalizadora y la célula diana, y los biólogos tienden a dividir la señalización celular en tres sistem as (autocrino/paracrino, nervioso y en docrino) dependiendo del m ecanism o por el que el m ensajero químico alcanza la célula diana. La Tabla 4.3 resum e algunas de las sem ejanzas y diferencias entre estos sistem as.
Señales celulares autocrinas y paracrinas Las señales autocrinas y p aracrin as alcanzan sus células diana difundiendo por el fluido extracelular y, p o r tanto, sólo pueden actuar a distancias muy cortas. En la comunicación autocrina, un m ensajero químico es secretado po r u n a célula, y actúa posteriorm ente en la propia célula que lo secretó (véase la Figura 4.1). La comunicación p aracrin a ocurre cuando u n a célula secreta un m ensajero químico que actúa sobre las cé
132 PR IM E R A PARTE
Tabla 4 .3 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
C o m p a ra c ió n de los s is te m a s pa ra la c o m u n ic a c ió n in te rc e lu la r.
Propiedades
Autocrina/paracrina
Nervioso
Endocrino
Célula secretora
Varios
Neurona
Endocrina
Célula diana
Mayoría de las células del cuerpo
Neurona, músculo, endocrina
Mayoría de las células del cuerpo
Tipo de señal
Química
Eléctrica y química
Química
Máxima distancia de señalización
Corta
Larga
Larga
Transporte
Fluidos extracelulares
Sinapsis
Sistema circulatorio
Velocidad
Rápido
Rápido
Lento
Duración de la respuesta
Corta
Corta
Larga
lulas vecinas. Las señales autocrinas son particular son uno de los grupos de eicosanoides m ás estudiados m ente im portantes en el sistem a inm une y durante el puesto que están involucrados en la percepción del desarrollo. Por ejemplo, las células cancerígenas se dolor. Muchos analgésicos com unes (incluyendo la as cretan factores de crecim iento que luego interacciopirina y el ibuprofeno) fimcionan bloqueando la sínte n a n con receptores en la superficie de las células sis de prostaglandinas. Los eicosanoides hidrofóbicos cancerosas, favoreciendo su crecim iento. La regula difunden fuera de la m em brana de la célula señaliza ción autocrina tam bién juega un papel im portante en dora y alcanzan la célula diana, donde se unen a re las resp u estas fisiológicas norm ales, como las re s ceptores tran sm em b ran a acoplados a proteínas G. La p uestas de los m úsculos al ejercicio d urante el en m ayoría de los eicosanoides se d egradan ráp id am en trenam iento y la regulación de la liberación de te (del orden de segundos) en los fluidos extracelula n euro tran sm iso res por las neuronas. Igualm ente, las res, de m odo que no pueden ser transportados largas señales p aracrin as están involucradas en la inflam a distancias. ción, en la cicatrización de las heridas y, como verem os en los últim os capítu Fosfolípido de membrana los, en la regulación de m uchos proce I Fosfolipasa A2 sos fisiológicos. M uchas sustancias quím icas p u e -• COOH den actu ar como m ensajeros quím i Acido araquidónico cos paracrinos, pero u n a clase especial de éstas, los eicosanoides, ac Vía de la Vía de la tú an sólo en la señalización celular ciclooxigenasa | lipooxigenasa autocrina y p aracrin a y no en otras form as de com unicación intercelular. Prostaglandinas La m ayoría de los eicosanoides son prostaciclinas derivados del ácido araqiúdónico, un tromboxanos ácido graso de 20 carbonos, muy co m ún en la m em b ran a plasm ática fosfolipídica. La vía p a ra la síntesis de eicosanoides se m u estra en la Figu Ejemplo: prostaglandina H2 Ejemplo: leucotrieno A4 r a 4.22. Ésta pro g resa a través tanto de la vía de la lipooxigenasa, que p ro Fig u ra 4.22. R u tas s in té tic a s de los e ic o s a n o id e s . duce leucotrienos y lipoxinas, como La fosfolipasa A 2 cataliza la conversión de los fosfo líp id o s de m em brana en ácido de la vía de la ciclooxigenasa, que p ro araquidónico, el sustrato para la síntesis de eicosanoides. La vía de la ciclooxige duce prostaglandinas, prostaciclinas nasa produce prostaglandinas, prostaciclinas y trom boxa nos. La vía de la lip o o x i y tromboxanos. Las prostaglandinas genasa produce leucotrienos.
C A P ÍTU LO 4
Señalización celular en el sistema nervioso El sistem a nervioso es u n a colección especializada de células que pueden enviar señales a largas distancias. La estru ctu ra única de las neuronas perm ite a las se ñales eléctricas p ro p ag arse a grandes distancias den tro de la m ism a célula. No estudiarem os las neuronas en detalle en este capítulo, sino que dedicarem os el Capítulo 5, al exam en de sus propiedades especiales. La com unicación entre neuronas, y entre las neuro n as y otros tipos de células, tiene lugar a distancias m uy cortas en estru ctu ras llam adas sin ap sis, región donde la célula señalizadora y la célula diana están m uy cercanas (véase la Figura 4.1). Las señales se tran sm iten de célula a célula a través de la sinapsis o a través de hen d id u ras eléctricas, si éstas están presen tes, en u n a form a de com unicación directa célula a cé lula. De form a alternativa, los neurotransm isores pueden llevar u n a señal a través de la sinapsis difun diéndose desde la célula señalizadora hacia la diana, donde se u n en a receptores. Debido a que los neuro tran sm iso res difunden desde la célula señalizadora h asta la célula diana a través de la sinapsis, este m e canism o de com unicación sináptica es sim ilar a la co m unicación paracrina.
Señalización celular en el sistema endocrino El sistem a endocrino puede regular las actividades de células, tejidos y órganos distantes enviando señales quím icas a través de la sangre en form a de horm onas. Puesto que son tran sp o rtad as po r el sistem a cardio vascular, en lugar de m overse sólo po r difusión, las h orm onas pueden viajar largas distancias po r todo el cuerpo. Tradicionalm ente, los fisiólogos considera b an a las horm onas como u n a clase especial de m en sajeros químicos que: (1 ) son producidos po r órganos específicos, llam ados glán d ulas endocrinas, (2) son secretados directam ente en el fluido circula torio, y (3) actú an en los tejidos diana incluso cuando la h o r m ona está presen te a concentraciones m uy bajas (< 1 0 9M). Sin em bargo, actualm ente resulta cada vez m ás evidente que desde el punto de vista m olecular y celu lar las h o rm onas com parten m uchas propiedades con otras clases de m ensajeros químicos (incluyendo
Hormonas y señalización celular 133
autocrinos, paracrinos y neurotransm isores). Por ejemplo, algunas neuronas pueden secretar n eu ro transm isores (llamados en este caso neurohorm onas) directam ente en el sistem a circulatorio. Puesto que son tran sp o rtad as por el sistem a circulatorio, las neurohorm onas son m uy sim ilares a las horm onas secretadas por el sistem a endocrino. Por otro lado, no todas las horm onas son secretadas po r glándulas es pecíficas cuya única función sea secretar horm onas. Por ejemplo, el corazón, el sistem a digestivo y otros órganos secretan horm onas. E stas sim ilitudes en som brecen las diferencias entre distintos tipos de se ñalización celular, lo que sugiere éstos que deben ser tratad o s como un continuo de sistem as de señaliza ción que funcionan de m an era integrada p a ra regular los procesos fisiológicos. Aunque m uchas sustancias pueden actuar como horm onas, todas las horm onas pueden incluirse sólo en u n a de tres posibles clases químicas: péptidos, es feroides y am inas. Las horm onas peptídicas consisten en dos o m ás am inoácidos unidos, y el tam año varía entre 2 y 200 am inoácidos de longitud. En ocasiones dividimos a las horm onas peptídicas bien en péptidos o bien en horm onas proteicas. El térm ino péptido se refiere generalm ente a cadenas de m enos de 50 am i noácidos, m ientras que el térm ino proteína se usa p a ra cadenas m ás largas. Los esteroides son su stan cias quím icas que contienen varios anillos de carbono y que derivan del colesterol. Las am inas son m olécu las pequeñas derivadas de los am inoácidos (Ta bla 4.4). En la siguiente sección exam inarem os cada u n a de estas clases.
Las hormonas peptídicas activan vías de transducción de la señal Las horm onas peptídicas son sintetizadas en el retí culo endoplasm ático rugoso junto con la m ayoría de las proteínas destinadas a ser secretadas po r la célu la. Los péptidos son posteriorm ente em paquetados en vesículas, donde pueden ser alm acenados hasta que se necesiten. Las horm onas peptídicas generalm ente son sintetizadas como grandes polipéptidos inactivos llam ados p rep roh orm on as (Figura 4.23). Las prep rohorm onas contienen no sólo u n a o m ás copias de las horm onas u horm onas peptídicas, sino tam bién un a secuencia señal que hace que el polipéptido se se crete. La secuencia señal se rom pe a p artir de la preprohorm ona antes de ser em paquetada en las vesículas secretoras, form ando la prohorm ona, la cual, como la preprohorm ona, está norm alm ente in activa. La vesícula de secreción contiene enzim as pro-
134 PR IM E R A PARTE
Ta b la 4 .4 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
C o m p a ra c ió n e n tre p é p tid o s , e s te ro id e s y h o rm o n a s a m in a s .
Aminas Hormonas peptídicas
Hormonas esteroídicas
Catecolaminas
Hormonas tiroideas
Hidrofílico
Hidrofóbico
Hidrofílico
Hidrofóbico
Síntesis
Previamente
A solicitud
Previamente
A solicitud
Almacena miento
Vesículas de secreción
Ninguno
Vesículas de secreción
Almacenamiento previo en vesículas de secreción
Propiedades Propiedades químicas
Liberación
Exocitosis
Difusión
Exocitosis
Difusión
Transporte
Disuelto en el plasm a
Unido a proteínas transportadoras
Disuelto en el plasm a
Unido a proteínas transportadoras
Vida media
Corta
Larga
Corta
Larga
Localización del receptor
Superficie celular
Citoplasma o núcleo (algunos tam bién tienen receptores de superficie)
Superficie celular
Núcleo
Respuesta en la célula diana
Activación de segundos mensajeros
Altera la expresión de genes (también tienen lugar respuestas no genómicas)
Activación de segundos m ensajeros
A ltera la expresión de genes
Retículo endoplasmático rugoso
Aparato de Golgi
_L Polipéptido Preprohormona Prohormona
i" Preprohormona
jj rota g L
Secuencia señal
Fluido extracelular Figura 4.23.
S ín te s is de la s horm onas p e p tíd ic a s .
Las horm onas peptídicas son sintetizadas por los ribosom as del retículo endoplasm ático ru goso, generalm ente com o preprohorm onas. Las preprohorm onas entran en el retículo en doplasm ático rugoso, donde se encuentra la secuencia señal. La prehorm ona resultante es em paquetada en vesículas que se desplazan al aparato de G olgi para un posterior procesa m iento y ordenación. En el aparato de G olgi, la prehorm ona se em paqueta en vesículas de secreción en form a de horm onas activas y uno o más fragm entos peptídicos. Las vesículas de secreción se fusionan con la m em brana y liberan su contenido por exocitosis.
C A P ÍTU LO 4
teolíticas que cortan la prohorm ona en horm onas u h orm onas activas. La célula señalizadora libera en tonces p o r exocitosis las h o rm onas peptídicas activas. La Figura 4.24 m u estra u n ejemplo de un a preprohorm ona, la arginina vasopresina, tam bién conocida por el nom bre de horm ona antidiurética (ADH). Los ribosom as en el exterior del retículo endoplasm ático ru goso trad u cen el mRNA de la preprovasopresina en la proteína. El péptido señal dirige el polipéptido recién sintetizado al in terio r del retículo endoplasm ático ru goso. El péptido señal se rom pe y form a la provasopresina, que es em paquetada en las vesículas de secreción. En las vesículas de secreción, se sep ara en tres péptidos diferentes: vasopresina, neurofisina y u n a glicoproteína. La v asopresina es u n a horm ona que actúa en el riñón p a ra regular la reabsorción del agua. Las funciones de la neurofisina y de la glicopro teína no se com prenden aú n del todo, pero podrían estar involucradas en un a adecuada ordenación y se creción de la ADH.
Vasopresina
F ig u ra 4.24.
Glicoproteína
S ín te s is de la a r g in in a v a s o p re s in a (A V P ).
La AVP es sintetizada en el retículo endoplasm ático rugoso com o un la rgo polipé ptido, la preprovasopresina, que contie ne un péptido señal (PS), la AVP, la neurofisina (NF) y una g li coproteína (GP). En el retículo endoplasm ático rugoso el pép tido señal se rom pe, produciendo la provasopresina para la ADH. La provasopresina pasa al aparato de G olgi, donde es em paquetada en vesículas de secreción. En las vesículas de secreción, la provasopresina se rom pe en los tres péptidos: AVP, PFyGP.
Hormonas y señalización celular 135
Puesto que son solubles en m edio acuoso, las h orm o n as peptídicas viajan h a sta alcan zar las célu las d ian as disueltas en el fluido extracelular pero no p ueden cru zar sus m em b ran as. Por tanto, las h o r m onas peptídicas se acoplan a recep to res tra n s m em b ran a e inician u n a resp u esta a través de u n a vía de transducción de la señal. M uchas horm onas peptídicas, aunque no todas, funcionan a trav és de vías de transducción m ediadas po r AMPc, m ientras que el resto funciona a través de la ru ta del fosfatidilinositol. Como actú an a través de vías de tra n sd u c ción de la señal, los péptidos m ensajeros producen efectos ráp id o s en las células diana m ediante la a p e rtu ra de canales iónicos o m odificando la activi dad de p ro teín as existentes.
Las hormonas esteroídicas alteran la transcripción en la célula diana Los estero id es se d eriv an de la m olécula del coles terol, y p o r tan to son hidrofóbicos y p u ed en p a s a r fácilm ente a trav és de la m e m b ra n a p lasm ática. La F ig u ra 4.25 m u e s tra u n a ru ta sin tética g e n e ra liz a da de algunos de los estero id es m ás im p o rta n te s en in v erteb rad o s. Las enzim as p a ra la b io sín tesis de estero id es e stán localizadas en el retículo en d o p lasm ático liso o en las m itocondrias. Puesto que los estero id es p u ed en a tra v e sa r fácilm ente las m e m b ra n a s biológicas, no p u ed en se r alm a c e n a dos en el in te rio r de las células y, p o r lo tanto, se sin tetizan a solicitud. Los estero id es form an tre s clases fu n d am en tales de h o rm o n as en los v erteb ra d o s: los m ineralocorticoides, los glucocorticoides y las h o rm o n as re p ro d u c to ra s. Los m i n e r a lo c o r tic o id e s e stán involucrados en la regulación de la cap tació n de sodio p o r el riñ ó n , y son im p o rta n te s p a r a el equilibrio de fluidos y elec trolitos en el cuerpo. La a ld o ste ro n a es e lm in eralo corticoide m ás im p o rtan te en m am íferos. E stu d ia rem o s los m in eralo co rtico id es m ás detallad am en te en el Capítulo 11. Los g lu c o c o r tic o id e s (cortisol, co rtiso n a y corticosterona), tam b ién llam ados hor m onas del estrés, tien en acciones m uy extendidas com o el in crem en to en la producción de glucosa, el in crem en to en la d eg rad ació n de p ro te ín a s en am i noácidos, el in crem en to en la lib eració n de ácidos graso s del tejido adiposo y la regulación del siste m a in m u n e y las re sp u e s ta s in flam ato rias. Las h o r m o n as re p ro d u c to ra s (estrógenos, p ro g estero n a, testo stero n a), que ex am in arem o s en el Capítulo 15, reg u lan las cara c te rístic a s sexuales y la re p ro d u c ción. Puesto que todos los estero id es tie n e n estruc-
136 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Los esferoides no son m uy solu bles en soluciones acuosas, y po r ta n to son transportados h asta las células diana por proteínas transportadoras. Algunos esteroides tienen proteínas tran sp o rtad o ras específicas (llama das globulinas de unión), m ientras que otros se acoplan inespecíficam ente a proteínas tran sp o rtad o ras generales, como la albúm ina, princi pal proteína tran sp o rtad o ra de la sangre de los vertebrados. Los este roides lipofílicos cruzan fácilm ente la m em brana de la célula diana y se aco plan a los receptores intracelulares. Los receptores intracelulares de este roides actúan como factores de tra n s cripción, controlando la expresión de genes diana. Debido a que los esteroi des generalm ente actúan regulando la transcripción, sus efectos son típi cam ente m ás lentos que los de las horm onas peptídicas, actuando a lo largo de h oras o días. Sin em bargo, como h a quedado claro recientem en te, algunos esteroides como la horm o na del estrés, el cortisol, tam bién tienen efectos rápidos en las células diana. Estos efectos “no genóm icos” tienen lugar entre segundos y m inu tos después de la unión de la horm o na a su receptor. Debido a su velocidad, estos procesos no están probablem ente relacionados con cam bios en la transcripción o tra n s ducción y, por tanto, pueden deberse a otras vías de señalización transduccional. E stas vías no son bien conoci das hoy en día.
F ig u ra 4.25.
R utas s in té tic a s de a lg u n o s de los e s te r o id e s b io ló g ic a m e n te
a c tiv o s en v e rte b ra d o s .
El colesterol es el precursor de tres de las clases principales de esteroides en verte brados: los glucocorticoldes (cortisol y cortlcosterona), los m mera loco rticoldes (aldosterona) y los esteroides sexuales (testosterona y estradiol).
tu ra s sim ilares y co n tien en vario s anillos de c a rb o no, alg u n as su sta n c ia s quím icas sin téticas p u ed en aco p larse a los re c e p to re s de estero id es y m im etiz a r o b lo q u ear la acción de los ligandos n a tu ra le s (v éa se la Caja 4.2).
Las hormonas amina tienen diferentes efectos
Las am inas son sustancias quím icas que poseen grupos am ina (-N H ,). Las am inas que pueden actu ar como m ensajeros químicos se conocen como am inas biogénicas y com prenden la acetilcolina, las ca teco la m i n as (dopam ina, noradrenalina y adrenalina), la serotonina, la m elatonina, la histam ina y las horm o n as del tiroides. La m elatonina y las horm onas tiroi deas actúan exclusivam ente a través de sistem a
C A P ÍTU LO 4
Hormonas y señalización celular 137
Caja 4 .2 Aplicaciones Estrógenos am bientales
Algunos peces m achos que viven cerca de
m im etizar a los estrógenos, puesto que contienen estruc
las desem bocaduras de aguas residuales en
turas en anillo sim ilares a la de éstos. Estos productos,
Inglaterra tienen características sexuales fem eninas y mas
llam ados xenoestrógenos, han in crem entando sig nificati
culinas y sus hígados producen vitelogenina, una proteína
vam ente el nivel de sustancias sem ejantes a los estró ge
usada para transform ar la yem a en huevos, que no se en
nos en el am biente, con gran riesgo para la salud humana.
cuentra norm alm ente en los m achos. Los peces que viven
A ctualm e nte, la relación precisa entre la mayoría de los es
cerca de las desem bocaduras m uestran anomalías más se
tróg enos am bientales y sus efe cto s fisio lógicos no se
rias que los que viven más alejados. Los científicos descu
com prende en toda su im portancia. Estas sustancias en
brieron
docrinas se han asociado con un bajo recuento del esper
que
estas aguas contenían
altos
niveles de
estrógenos, secretados por mujeres que tom aban la píldora
ma y una alta incidencia de cáncer de próstata y de mama,
o estaban som etidas a terapia de sustitución horm onal. La
aunque no se ha probado claram ente. Adem ás, puesto
exposición a estas aguas residuales fem inizó a los peces,
que todas las horm onas esteroideas tiene n estru cturas si
volviéndolos estériles. Estas y otras observaciones han
m ilares, se sugiere que los estró genos am bientales pue
m ostrado claram ente que la exposición a estrógenos en el
den afecta ra más de una vía de transducción de señales, lo
am biente puede afectar a la reproducción.
que hace difícil predecir su im pacto en la salud humana.
M uchas sustancias químicas naturales pueden m im eti-
Los estudios en anim ales sugieren que los contam inantes
zar a los estrógenos, actuando com o agonistas de sus re
estro génicos pueden causar anomalías reproductivas si
ceptores.
Por ejem plo,
m uchas plantas producen de
m ilares a las descritas en los peces. Por ejem plo, los coco
manera natural fitoestrógenos. La soja y otras legum bres
drilos
son particularm ente ricas en fitoestrógenos. Estos com
contam inadas de Florida tienen penes m ás pequeños y
m achos
jóvenes
que
viven
en
aguas
m uy
puestos son m ucho más débiles que los estrógenos natura
m enos testosterona que los que viven en aguas lim pias.
les de m am íferos y se unen pobrem ente al receptor de
Una posibilidad que explica estas diferencias es la exposi
estrógenos aunque tiene un efecto estrogénico. Existe un
ción a estró genos am bientales.
intenso debate sobre si el consum o de estos fitoestrógenos tiene efectos fisiológicos significativos en los humanos. Al gunos estudios sugieren que el consum o de fitoestrógenos puede reducir algunos de los síntom as relacionados con la menopausia, aunque otros indican que pueden in crem entar el riesgo de cáncer de mama. La descom posición de algunas sustancia quím icas, in cluidos los pesticidas y m uchos plásticos, puede tam bién
endocrino. La acetilcolina, la dopam ina, la noradrenalin a y la serotonina son neurotransm isores. La adren alin a es tanto u n neurotransm isor como una horm ona. Debido a que son im portantes como neuro transm isores, las catecolam inas y la serotonina se es tu d iarán con m ás detalles en el Capítulo 5. En este capítulo nos centram os en la m elatonina y en las h o r m onas tiroideas. Las horm onas tiroideas se derivan del aminoácido tirosina (Figura 4.26). La síntesis de las horm onas ti roideas com ienza cuando la enzim a iodinasa añade u n a o m ás m oléculas de ioduro a los residuos de la ti rosina en la proteína tiroglobulina. Si un residuo parti cular de la tirosina es iodado una vez, el compuesto resultante se llam a m onoiodotirosina (MIT). Si un resi
Referencias • Gimeno, S., A. Gerritsen, T. Bowmer, and H. Komen. 1996. Feminization of male carp. Nature 384: 221-222. • Guillette L. J. Jr., T. S. Gross, G. R. Masson, J. M. Matter, H. F. Percival, and A. R. Woodward. 1994. Developmental abnormalities of the gonad and abnormal sex hormone concentrations in juvenile alligators from contaminated and control lakes in Florida. En vironmental Health Perspectives 102: 680-688.
duo particular de la tirosina es iodado dos veces, el compuesto resultante se llam a diiodotirosina (DIT). Los residuos de tirosina iodados en las moléculas de tiroglobulinas se acoplan posteriorm ente a través de en laces covalentes. Si dos grupos DIT se com binan, el resultado es 3, 5, 3', 5'-tetraiodotironina, llam ada T 4 (o tiroxind). Y si un grupo DIT y un grupo MIT se com binan, el resultado es 3,5,3’-tri-iodotironina, llam ada T 3. Colectivamente, T3y T 4se denom inan horm onas ti roideas. En este punto, T3y T 4son aún parte de la pro teína tiroglobulina, que es em paquetada dentro de las vesículas de secreción. Las vesículas se fusionan des pués con el lisosoma, un orgánulo que contiene proteinasas (o proteasas). Las proteinasas digieren la tiroglobulina y liberan T 3y T4.
Tirosina (en tiroglobulina)
Triptófano
CH2 — CHNH2 — COOH
Monoiodotirosina (MIT)
F ig u ra 4.27.
Ruta s in té tic a de la m e la to n in a .
La m elatonina se sintetiza a p artir del am inoácido triptó fano . La secreción de la m elatonina por la glándula pineal sigue un ritm o circadiano y está asociada con los ciclos de sueño/vigilia.
Fig u ra 4 .26.
R u tas s in té tic a s de la s h o rm o n a s tir o id e a s .
La síntesis de las horm onas tiroide as com ienza cuando la enzima iodinasa adiciona una o más m oléculas de yodo al am inoácido tirosina dentro de la proteína tiro g lo b u lin a . La m onoiodotirosin a (MIT) tiene una única m olécula de yodo por residuo de tirosina; la d iiodo tirosina (DIT) tiene dos. Si se com binan una m olécula de M IT y una de DIT se form a la triio d o tiro sin a (T3). A ñ adiendo una m olécula de DIT se form a la te traiodotirosina (T4), tam b ién llam ada tiro x in a . En c onjun to, a T3y T4 se las denom ina horm onas tiroideas.
Aunque las h orm onas tiroideas se derivan de un p recu rso r hidrofllico (una proteína), las horm onas ti roideas son hidrofóbicas y cruzan la m em b ran a plas m ática de la célula señalizadora. Son tran sp o rtad as en la sangre p o r u n a p roteína tran sp o rtad o ra y se acoplan a u n receptor intracelular en la célula diana. Como todo receptor intracelular p a ra m ensajeros quí micos, el receptor de la ho rm o na tiroidea actúa como u n factor de transcripción alterando la transcripción de genes diana. Por tanto, aunque las horm onas tiroi deas se derivan de u n a proteína, se com portan m ás como esteroides que como h o rm onas peptídicas. Las horm onas tiroideas ju eg an u n papel im portante al es tablecer la tasa m etabólica y la tem p eratu ra corporal en m am íferos. El am inoácido triptófano es el precursor tanto de la síntesis de serotonina como de m elatonina (Figu ra 4.27). Las enzim as p a ra la síntesis de la m elatonina
están localizadas en la glán d ula pineal, u n a peque ñ a estructura localizada en el cerebro de los v erteb ra dos. La síntesis de la m elatonina se increm enta por la noche, y está regulada por el ciclo de luz/oscuridad. Sin em bargo, los ritm os diurnos de síntesis de m ela tonina persisten incluso cuando los anim ales son expuestos a u n a oscuridad total. Por tanto, otros fac tores adem ás de la luz deben estar im plicados en la regulación de la síntesis de m elatonina. Los ritm os en los niveles de m elatonina están involucrados en m u chos procesos en anim ales, incluyendo el sueño, los ritm os circadianos en la tasa m etabólica y cam bios estacionales en la actividad. La m elatonina ejerce su efecto uniéndose a recep tores acoplados a proteínas G del subtipo G,. La unión de la m elatonina inhibe la vía de transducción de la señal m ediada po r el AMPc. Por lo tanto, la m elatoni n a reprim e procesos biológicos que están estim ulados por el AMPc. Puesto que el AMPc es el segundo m en sajero de m uchos receptores, la m elatonina tiene m u chos efectos sobre la bioquím ica de la célula. La m elatonina tam bién puede unirse a un receptor n u clear y ejercer efectos m ás lentos en la transcripción de los genes diana.
Señales celulares exocrinas Los anim ales u sa n la com unicación exocrina célula a célula p a ra enviar señales entre individuos. Las
C A P ÍTU LO 4
glándulas especializadas lib eran secreciones e x o c r in a s a trav és de conductos que alcanzan la su p e r ficie del cuerpo (incluyendo la piel, las superficies re sp ira to ria s y la superficie del intestino). Las glán d ulas exocrinas son diferentes de las endocrinas, que se cre ta n h o rm o n as directam en te al to rren te sanguíneo (Figura 4.28). Las glándulas salivares, que se cre ta n en la boca; la p ró stata, que prop o rcio n a el esp erm a p a ra la eyaculación; y las su d o ríp a ras, son todos ejem plos de glándulas exocrinas en los v erteb rad o s. Las g lándulas exocrinas p ueden tam b ién e s ta r inv o lu crad as en la com unicación in tercelular. E stas g lándulas secretan su stan cias lla m ad as fero m o n a s y aleloquím icos. Las ferom onas son su stan cias quím icas lib erad as por u n anim al que cau sa u n a reacció n en otros anim ales de la m is m a especie. Los aleloquím icos son secretados por u n a especie y g en eran cam bios en el com portam ien to de las o tras especies. El térm ino fero m o n a proviene de las p alab ras griegas pherein: “tra n sp o rta r”, y horm on: “excitar”. Por lo tan to , las ferom onas literalm ente “tra n sp o r ta n la excitación” de u n anim al a otro. Por ejemplo, bom bicol (que es secretado po r la polilla hem b ra del gusano de seda de la especie B om byx morí) puede a tra e r a la polilla m acho en un radio de acción de ki lóm etros, provocando en ellas la “dan za del revolo teo ” (una p arte del ritu a l de apaream iento). Las
F ig u ra 4.28.
Hormonas y señalización celular 139
ferom onas pu ed en estar involucradas en a tra e r o se leccionar parejas, controlar el com portam iento de otros individuos, señalizar la presen cia de un d ep re d ad o r o disuadirlo. Hay evidencias claras de la exis tencia de ferom onas en insectos, peces y m uchos m am íferos, pero la presencia y función en hum anos es aú n m uy controvertida. E studiarem os las ferom o n a s con m ás detalles en el Capítulo 15. No todas las ferom onas son secreciones exocri nas. Por ejemplo, m uchas ferom onas se descom po nen en productos de horm onas endocrinas y otras sustancias quím icas corporales que se hallan en la orina, el sudor o la saliva. Los anim ales perciben m u chas de estas sustancias quím icas usando órganos del olfato especializados, como la nariz. Los órganos olfa tivos perciben los olores y las feronom as del mismo modo que otras células detectan los m ensajeros quí micos. Las células de los órganos olfativos tienen re ceptores p a ra los com ponentes específicos de un olor. Cuando la sustancia quím ica se une al receptor, éste cam bia su conform ación enviando un m ensaje a una vía de señalización intracelular que produce u n a re s puesta en la célula olfativa, la cual a su vez envía una señal al cerebro, que identifica el olor. De este modo, incluso el sentido del olfato es p arte de un continuo de m ecanism os de com unicación intercelular. A nalizare m os el sentido del olfato m ás detalladam ente en el Ca pítulo 7.
E s tru c tu ra de la s g lá n d u la s e x o c r in a s y e n d o c rin a s .
Las glándulas exocrinas secretan sustancias quím icas en conductos que llegan a la superficie del cuerpo, m ientras que las glán dulas endocrinas secretan horm onas directam ente al sistem a circulatorio.
140 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Del m ism o modo, no todas las secreciones exocrinas son ferom onas. Las secreciones exocrinas partici p an en m uchos procesos, tales como la locomoción, la digestión y la captura de p resas. Por ejemplo, la secre ción de m ucus form a u n a capa protectora que cubre m uchos epitelios, incluyendo las branquias de los pe ces y los pulm ones de los anim ales terrestres. La se creción de m ucus puede tam bién contribuir a la locomoción, como en la huella babosa de los caraco les. La saliva producida en la boca de los m am íferos com ienza la digestión y ayuda a la comida a p asar h a cia el esófago. Las arañ as fabrican seda, un a secreción exocrina especializada p ara atra p a r a sus presas.
Regulación de la señalización celular Cada uno de los pasos de la señalización celular (libe ración de u n m ensajero, tran sp o rte del m ensajero en tre células y unión del m ensajero a la cálida diana) constituye un punto potencial de regulación. Además, las vías de señalización celular pueden resu ltar b a s tan te com plicadas ya que los productos de varios p a sos en la vía norm alm ente actúan como reguladores p o r retroalim entación de pasos previos. Recordemos del Capítulo 1 que los m ecanism os de retroalim enta ción pueden ser tanto positivos como negativos. En la retroalim entación positiva, el resultado de un a vía (la respuesta) actúa como u n estím ulo posterior. Los ci clos de retroalim entación positiva se refuerzan a sí m ism os y, p o r tanto, tienden a producir respuestas m ayores. Los ciclos de retroalim entación positiva p ertu rb an la hom eostasis em pujando al sistem a fuera de sus valores de ajuste. Por el contrario, en los siste m as de retroalim entación negativa, el resultado de u n a vía (la respuesta) tiende a reducir el estím ulo p ara la propia vía. Por tanto, las vías de retroalim entación negativas son autorregulables y ayudan a m an ten er la hom eostasis. Algunos m ensajeros químicos son regu lados p o r ciclos sim ples de retroalim entación, aunque otros son parte de sistem as m ucho m ás complejos. La Figura 4.29 m u estra varios tipos de organiza ción de los sistem as p a ra la señalización celular. El m odo m ás sim ple de organización se denom ina ciclo de retroalim entación directo. En este tipo de retroali m entación la célula señalizadora detecta un cambio en el m edio extracelular y libera un m ensajero quím i co que actúa sobre otras células del cuerpo. El péptido n atriurético au ricu lar (PNA), horm ona que hem os vis to anteriorm ente, es u n excelente ejemplo de un ciclo de retroalim entación directo. Las células sensibles al estiram iento en la aurícula del corazón de m am ífero
pueden detectar la tensión en las m em branas de las células auriculares causadas por el increm ento de la presión sanguínea. E stas células secretan entonces PNA, que viaja h asta las células diana, como los vasos sanguíneos y el riñón, y provocan el descenso de la presión sanguínea. El descenso de la presión sanguí nea dism inuye la tensión en las células auriculares y reduce la liberación de PNA. Los ciclos de retroalim entación de prim er orden proporcionan un nivel de regulación ligeram ente m ás sofisticado y son típicos en el sistem a nervioso (Figu ra 4.29b). En estos tipos de vías, un órgano sensorial percibe un estímulo y envía un a señal a través del sis tem a nervioso a un centro integrador (como el cere bro) que la in terpreta. Las neuronas propagan la señal (bien como u n a señal eléctrica o bien como una neurohorm ona) hasta el órgano diana específico, p ro vocando un a respuesta. Las vías neurales y neurohorm onales se denom inan vías de respuesta de prim er orden porque sólo existe un paso que vincule el centro integrador y la respuesta. La m ayoría de las vías endocrinas, sin embargo, son m ás complejas que las vías directas y de prim er or den. La Figura 4.29c m uestra un ciclo de retroalimen tación de segundo orden. En este caso, un órgano sensorial percibe un estímulo y envía una señal al siste m a integrador, que la transm ite, bien a través de una neurohorm ona o bien por medio de una neurona, a u n a glándula endocrina. La glándula endocrina secre ta a su vez un a horm ona a la sangre. Esta horm ona via ja hasta la célula diana y provoca una respuesta. Estas vías se conocen como de segundo orden debido a que existen dos pasos que vinculan el centro integrador y la respuesta. Algunas vías endocrinas funcionan como ciclos de retroalim entación de tercer orden (Figura 4.29d). En este caso, un órgano sensorial percibe un estím u lo y envía u n a señal al sistem a integrador. Éste tra n s m ite la señal, bien a través de u n a n eu rohorm ona o bien por m edio de u n a neurona, a u n a glándula endo crina. Ésta secreta a su vez u n a horm ona, la cual se une entonces a un receptor en u n a segunda glándula endocrina y d isp ara la secreción de un a segunda h o r m ona que induce un a resp u esta en la célula diana. E stas vías se conocen como de te rc e r orden al existir tres pasos que vinculan el centro in tegrador y la r e s puesta. Cada paso en un ciclo de respuestas puede actuar como punto de control de la vía. Por tanto, las vías de p rim er orden pueden ser reguladas sólo en un punto de control, las de segundo orden en dos puntos y las de tercer orden en tres puntos.
C A P ÍTU LO 4
Ó rg a n o I se nso ria l J
Hormonas y señalización celular 141
Órgano sensorial
- Neurona sensorial
O
Neurona Centro integrador Neurona
Órgano l diana
v -------- Respuesta (a) Ciclo de retroalimentación directo
Glándula endocrina 1
G
Sistema circulatoria
- Respuesta Hormona 1
(b) Ciclo de retroalimentación de primer orden
Glándula endocrina 2 Sistema circulatoria (c) Ciclo de retroalimentación de segundo orden
Hormona 2
Ó rg an o d ia n a
v -------- Respuesta (d) Ciclo de retroalimentación de tercer orden Fig u ra 4.29.
O r g a n iz a c ió n de los s is te m a s p a ra la c o m u n ic a c ió n in te r c e lu la r .
(a) En un ciclo de retroalim entación directo, una glándula endocrina detecta un estím ulo y libera una horm ona al sistema circulato
rio. La horm ona se une a receptores en el órgano diana y provoca una respuesta que retroalim enta negativam ente el estím ulo origi nal. (b) En un ciclo de retroalim entación de prim er orden, un órgano sensorial detecta un estím ulo y envía una señal a través de las neuronas sensoriales al sistem a integrador. Éste envía a su vez una señal a los órganos diana a través de una neurona, generando una respuesta negativa que retroalim enta el estím ulo original, (c) En un ciclo de retroalim entación de segundo orden, un órgano sensorial detecta un estím ulo y envía una señal a través de las neuronas sensoriales al sistema integrador, que a su vez envía la se ñal a través de una neurona a una glándula endocrina. Ésta libera una horm ona en el sistema circulatorio que la transporta a los ór ganos diana. Los órganos diana responden y esta respuesta retroalim enta el estím ulo original y la glándula endocrina, (d) Los ciclos de retroalim entación de tercer orden son sim ilares a los de segundo orden excepto por el hecho de que existe una glándula endocri na adicional en la vía, que proporciona un tercer punto de control de retroalim entación negativa.
P ara dem ostrar cómo estos tipos de ciclos de re troalim entación operan en el sistem a endocrino, exa m inarem os la regulación de algunas de las horm onas de vertebrados. C om enzarem os con algunos ejemplos de h o rm onas que están involucradas en ciclos de retroalim entación directos y de segundo orden y con cluiremos con un estudio sobre las horm onas pituita rias, que form an p arte de ciclos de retroalim entación de prim ero y tercer orden.
Algunas hormonas son parte de vías endocrinas directas Las vías directas constituyen la form a m ás sencilla de regulación endocrina. En estas vías los órganos endo crinos actúan como receptores, centro integrador y órgano liberador de la horm ona, detectando directa m ente el estímulo y respondiendo en el m odo ap ro piado. La h orm ona p aratiroid es es un ejemplo de
142 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
[Ca¿+] plas mática baja
Glándula endrocrina con células sensoriales
Glándula paratiroides
- Hormona paratifoidea
V
T Sistema criculatorio
~r _L
Organo diana
S '
i 5 1
| Riñón
Ó Retroali mentación negativa
/
[ Hueso
4= Los riñones retienen Ca2+ Respuesta
Los huesos liberan Ca2+
i 4 Plasma [Ca2+]
Fig u ra 4 .30.
E je m p lo de un c ic lo de r e tr o a lim e n ta c ió n
d ire c to .
Cuando la glándula paratiroides detecta concentraciones plasm áticas bajas de Ca2+, secreta la horm ona paratiroides. El sistem a circulato rio transporta la horm ona hasta los órganos diana, hueso y riñón, provocando que los riñones reduzcan la pérdida de Ca2+ en la orina y los huesos liberen Ca2+. Juntos, los in crem entos de Ca2+ en plasma y el ciclo de retroalim enta ción negativo, reducen el estím ulo para la liberación de la horm ona paratiroides.
u n a h o rm o n a peptídica que form a p arte de la vía en docrina directa (Figura 4.30). En m am íferos, las h o r m onas p aratiro id es regulan el nivel de Ca2+ en la sangre. La glándula p aratiro id es detecta el nivel de Ca2+ en la sangre y, cuando éste desciende po r d eb a jo del punto de ajuste, aquélla secreta la h orm ona paratiro id ea. La ho rm o n a viaja a través del torrente sanguíneo y se une a recep to res acoplados a proteína G en las células del hueso y el riñón. Los receptores activados a trav és de la vía de señalización de AMPcPKA red u cen la p érd id a de Ca2+ desde el riñón e in ducen al hueso a lib erar Ca2+ a la sangre, con lo que re sta u ra n los niveles de Ca2+.
Muchas hormonas son reguladas como parte de vías endocrinas de segundo orden La ad ren alin a es u n buen ejemplo de una horm ona que form a p arte de u n a vía endocrina de segundo or
den. La adrenalina es p arte de la llam ada respuesta de lucha o huida. Cuando un órgano percibe un estímulo alarm ante (como la presencia de un depredador), los nervios sensoriales envían señales al cerebro. El cere bro integra estas señales y genera y envía una señal de salida a través del sistem a nervioso a todas las partes del cuerpo, incluyendo la glándula adrenal. En re s puesta a esta señal, la glándula adrenal libera ad re nalina a la circulación sanguínea. La adrenalina interactúa con m uchos órganos diana como el cora zón, los pulm ones y los m úsculos p a ra poner al cuerpo en acción. Describiremos las acciones específicas de la adrenalina en cada uno de estos órganos posterior m ente. Algunas horm onas form an p arte de m uchas vías de estím ulo-respuesta (Figura 4.31). Por ejemplo, la in su lin a form a p arte tanto de u n a vía directa como de u n a de segundo orden. El pán creas secreta insulina cuando detecta increm entos de la glucosa en sangre sin involucrar a centros integradores como el cerebro. Pero el páncreas tam bién puede increm entar su se creción en resp u esta a estím ulos del sistem a nervio so, y por tanto form ar p arte de u n a vía de segundo orden. Adem ás, el p áncreas secreta insulina en re s puesta a la horm ona colecistoquinina (CCQ) secretada por el intestino. El intestino libera CCQ cuando sus cé lulas sensibles a glucosa detectan la presencia de co m ida. Obsérvese que esta vía, m ediada por CCQ, no se puede encu ad rar en nu estra clasificación, puesto que aunque involucra a dos horm onas, no utiliza el siste m a nervioso. Este ejemplo enfatiza el concepto de que las vías de regulación a través de retroalim entación rep re sen tan un proceso continuo, m ás que un a orga nización discreta de sistem as, y que m uchas de ellas pueden interaccionar p a ra form ar redes de regula ción m ucho m ás complejas. En el caso de la insulina, m uchas vías interactúan p a ra regular su secreción y conseguir la regulación hom eostática de la glucosa en sangre.
Las hormonas pituitarias están reguladas a muchos niveles La glándula pituitaria secreta m uchas horm onas, in cluyendo la oxitocina, vasopresina, prolactina, la h orm ona de crecim iento, la h orm ona adrenocorticotrópica (ACTH), la h orm ona estim ulante del tiroides (TSH), la h orm ona folículo estim ulante (FSH) y la h orm ona luteinizante (LH) (Tabla 4.5). Puesto que estas h orm onas p u ed en reg u lar m uchas funciones fisiológicas, las en contrarem os un a y otra vez en este
C A P ÍTU LO 4
Hormonas y señalización celular 143
La pituitaria posterior no es real m ente un órgano independiente sino un a extensión del hipotálam o. Las neuronas que se originan en el hipotá lam o term inan en la pituitaria poste rior. En el hipotálam o, los cuerpos celulares de estas neuronas sintetizan las horm onas oxitocina y vasopresina, y las em paquetan en vesículas de se creción. Las vesículas son tra n sp o rta das por las neuronas m ediante un proceso llam ado tran sp o rte axonal, que estudiarem os en m ás detalle en el Capítulo 6 . Las term inaciones nervio sas, en la glándula pituitaria, secretan estas horm onas a la sangre. Como son secretadas por tejido nervioso, estas horm onas son conocidas como neurohorm onas. La oxitocina y la vasopresi n a son buenos ejemplos de horm onas reguladas como p arte de vías endocri n as de prim er orden. El hipotálam o controla la secreción de horm onas desde la pituitaria ante rior secretando sus propias horm onas a una microcirculación especializada Fig u ra 4.31. In te r a c c ió n de las v ía s de c o m u n ic a c ió n in te r c e lu la r . llam ada sistem a porta hipotálam oLa insulina es un ejem plo de una horm ona que es regulada por muchas vías de re hipolisario (Figura 4.33)1. El sistem a troalim entación. Una vía directa de estím ulo-respuesta (vía 1) regula la síntesis de porta tran sp o rta las horm onas secre insulina. El páncreas detecta los increm entos de glucosa en sangre y secreta in suli tad as po r el hipotálam o a la pituitaria na en el torrente sanguíneo. La insulina se une a un receptor en los órganos diana y provoca respuestas que reducen la glucosa en sangre, reduciendo tam bién el es anterior, donde estim ulan o inhiben la tím u lo para la secreción de la insulina en un ciclo de retroalim entación directo. La liberación de las horm onas pituita insulina tam bién form a parte de una vía (3) de control de segundo orden, en la que rias. El sistem a p orta hipotalám ico-piun receptor de estiram iento en el tracto digestivo detecta el cam bio en el volum en tuitaria perm ite a las horm onas ser del intestino causado por la com ida. Los receptores de estiram iento envían una se ñal al sistem a integrador en las neuronas que rodean el tracto digestivo. Este cen tran sp o rtad as desde el hipotálam o tro integrador envía una señal al páncreas a través del sistema nervioso para que h asta la pituitaria sin ser diluidas en la libere in sulina. Al m ism o tiem po, en la vía 2, los receptores de glucosa en el tracto circulación general. digestivo provocan la liberación de colecistoquinina (CCQ). El sistem a circulatorio La F igura 4.34 m u e stra la r e la transporta la CCQ hacia el páncreas y estim ula la secreción de insulina. ción en tre las h o rm o n as hipotalám icas y p itu ita ria s o h iposifarias. Las h o rm o n as p itu ita ria s p u ed en reg u lar la liberación de m ás h o rm o n as, o p u ed en afec libro. La Figura 4.32 m u estra la estru ctu ra del hipota r d irectam en te a los tejidos diana. C om parando tálam o y la glándula p itu itaria en m am íferos. De h e las F iguras 4.34 y 4.29 se puede a p re c ia r que la m a cho, el hipotálam o form a p arte del cerebro y está y oría de las h o rm o n as de la p itu ita ria an te rio r for conectado con la p itu itaria a través de u n estrecho m an p a rte de u n a vía en d o crin a de te rc e r orden en tallo llam ado infundíbulo. La glándula p itu itaria (o la cual u n a h o rm o n a produce la liberación de otra hipófisis) se divide en d iferentes secciones llam adas p itu ita ria a n terio r (o adenohipófisis) y p itu ita ria p o sterio r (o neurohipófisis). En la m ayoría de los v erteb rad o s, la p itu itaria tiene u n a tercera división, 1 Un sistem a porta es un conjunto de vasos sanguíneos es llam ada lóbulo interm edio, en tre la p arte an terio r y pecializados con dos redes capilares separadas por una vena la posterior. porta.
144 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Células
(transportando hormonas)
(transportando hormonas) Fig u ra 4.32.
El h ip o tá la m o y la g lá n d u la p itu ita r ia .
La glándula pituitaria está localizada en la base del cerebro y está dividida en la pituitaria anterior y la posterior. El infundíbulo conecta el hipotálam o (una parte del cerebro) y la pituita ria posterior, que está constituida por los term inales de las neuronas del hipotálam o. Los term inales de la pituitaria pos te rio r secretan neurohorm onas a la sangre. La pituitaria ante rio r secreta horm onas a la sangre bajo el control de las neurohorm onas liberadas por el hipotálam o.
h o rm o n a. Las h o rm o n as que p ro d u cen la lib e ra ción de o tras h o rm o n as se llam an h o rm o n as tr ó p i ca s (o tróficas), de la raíz griega tropos: “cam bio”, “giro". (Un térm in o altern ativo que se u sa a m e n u do viene de la raíz griega trophikos: “su sten to ”, “n u tric ió n ”). Un cam bio en la concentración de cualquier h o r m o n a en el eje hipotálam o-hipofisario puede reg u la r la concentración de o tras h o rm o n as en la vía, g en eralm en te a trav és de u n control de retro alim en tació n negativa. Los ciclos endocrinos de tercer o rd en están o rganizados com o sistem as de re tro a li m en tació n de ciclos largos y cortos. La F igura 4.35 ilu stra la d iferencia en tre los ciclos largos y cortos p a ra el sistem a de las h o rm o n as hipotalám icas-hipofisarias. En la retro alim en tació n de ciclo largo los in crem en to s en la h o rm o n a final en la vía dism inu
Fig u ra 4.33.
E s tru c tu ra de la p itu ita r ia a n te r io r
y h o rm o n a s de s e c re c ió n .
Las neuronas del hip o tá la m o secretan neu ro h o rm o n a s en el sistem a porta h ip o tá la m o -h ip o fis a rio . Las venas porta tra n s p o rta n las neu ro h o rm o n a s a la p itu ita ria anterior, don de éstas e stim ula n a las células end ocrinas a lib e ra r horm onas a la sangre. La sangre sale por la p itu ita ria tra n s p o rta n d o las horm onas a través del cuerpo p o r el sistem a c irc u la to rio .
yen la secreción de las dos horm o n as previas. Por ejem plo, los niveles de las ho rm o n as tiroideas retroalim en tan los niveles de la h orm ona estim ulante del tiroides (TSH) y de la h o rm o n a estim ulante de tirotro p in a, en un ejem plo de ciclo largo. Por otro lado, los niveles de la h orm ona estim ulante del tiroides (TSH) regulan negativam ente los niveles de la h o r m ona estim ulante de tiro tro p in a, en un ejem plo de ciclo corto.
La regulación de la glucosa en sangre ¡lustra los principios de la señalización celular La m ayoría de los anim ales m antienen cierto grado de regulación de los niveles de azúcares en sus fluidos extracelulares. P articularm ente los m am íferos tienen
C A P ÍTU LO 4
T
Hipotálamo
Hormona estimulan te de prolactina (HLP)
Hormona inhibidora de prolac tina (HIP/ dopamina)
Hormona estimulante de tirotropina (HLT)
Hormona estimulante de corticotropina (HLC)
Hormona esti mulante de la hormona del crecimiento (HLHC/ somatropina)
Hormona inhi bidora de la hormona del crecimiento (HIHC/ somatostatina)
Hormona estimulante del tiroides (TSH)
Hormona adrenocorticotrópica (ACTH)
Hormona del crecimiento (GH)
Hormona estimulante del folículo (FSH)
1
Pituitaria anterior
F ig u ra 4.34.
Prolactina (PRL)
Hormonas y señalización celular 145
1
Hormona estimulante de la gonadotropina (HLG)
Hormona luteinizante (LH)
R e la c ió n e n tre la s h o rm o n a s h ip o ta lá m ic a s y la s h o rm o n a s de la p itu ita r ia a n te rio r.
El hipotálam o secreta neurohorm onas estim uladoras o in hibidoras en el sistem a porta hlpotálam o-hlp ofisario. Estas horm onas actúan en las células endocrinas de la p ituita ria anterior para estim ula r o Inhib ir la liberación de horm onas pituitarias. El sistem a circulato rio transporta estas horm onas hasta los tejidos diana, provocando una respuesta. A lgunos de estos tejidos diana son glándulas endocrinas, que secretan horm onas a la sangre. El sistem a circulato rio tran sporta estas horm onas hasta los tejidos diana, provocando una respuesta.
u n control preciso de los niveles de glucosa en sangre, ya que el cerebro fimciona muy ligado a la glucosa como com bustible. Si los niveles de ésta dism inuyen dem asiado, el cerebro no puede funcionar. En con traste, si los niveles de glucosa se increm entan m u cho, el equilibrio hom eostático de la sangre se rom pe. Los m am íferos ingieren la glucosa de los alim entos y la utilizan inm ediatam ente como com bustible p ara los procesos m etabólicos o la alm acenan p a ra su utili zación posterior. Las dos principales h orm o n as im plicadas en la ho m eo stasis de la glucosa en los m am íferos son la in su lin a y el glucagón. La insulina es se cre ta d a cuando los niveles de glucosa se increm en tan , m ien
tra s que el glucagón se se cre ta cuando los niveles de glucosa dism inuyen (Figura 4.36). La insulina se une y activa u n recep to r de tirosín q uinasa en las cé lulas d iana en el hígado, tejido adiposo y el m úsculo. El recep to r activado se autofosforila iniciando u n a com pleja re d de vías de transducción. El efecto final de estas vías es prom over el alm acenam iento de la glucosa. En el hum ano, los defectos en la vía de tran sd u cció n de la insulina producen la diabetes m ellitu s (véase la Caja 4.3). El glucagón se une a re ceptores en las células d ian a del hígado. Este re c e p to r estim ula u n a vía de tran sd u cció n m ediada por adenilato ciclasa que prom ueve la liberación de glu cosa a la sangre.
146 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
- -y
F ig u ra 4.35.
f Glucosa en plasma
C ic lo s de r e tr o a lim e n ta c ió n c o rto s y la rg o s .
En el ciclo de retroalim entación largo, el Increm ento de la horm ona fin a l en la vía inhibe la secreción de la horm ona tró pica y de la horm ona estim ulante. En el ciclo de retroalim en tación corto, el Increm ento en la horm ona trópica inhibe la secreción de la horm ona estim ulante.
Tanto la in su lin a com o el glucagón a c tú a n como im p o rtan tes controles de la co n cen tració n de glu cosa en san g re. Cuando la co n cen tració n de gluco sa se eleva p o r en cim a del p unto de ajuste, el p á n c re a s se cre ta in su lin a, lo que hace que las célu las d ia n a alm acen en glucosa, re sta u ra n d o los n iv e les de ésta en la san g re. Cuando la glucosa cae po r d ebajo del pu n to de aju ste, el glucagón es secretado y h ace que las células lib eren la glucosa alm a c e n a da, de m odo que se in c re m e n ta n los niveles de glu cosa en san g re. La relació n e n tre la in su lin a y el glucagón se conoce com o p a re s antagónicos, en los que u n a h o rm o n a in crem en ta la ta s a de producción de glucosa y la o tra la dism inuye. Los p a re s an ta g ó nicos ta m b ié n co n tro lan m uchos dispositivos de uso cotidiano. Por ejem plo, el ac e le ra d o r y el freno del coche son dispositivos de control de este tipo. Cuando p resio n am o s el acelerador, el coche acele ra , y cuando p isam o s el freno, el coche d esacelera. S ería posible d ise ñ a r u n coche sólo con acelerador, p ero este tipo de coche sólo p o d ría fu n cio n ar con u n a p a ra d a g ra d u a l que lo h a ría m ás difícil de con trolar. De form a similar, la in sulina y el glucagón p erm i te n u n a regulación rá p id a y p recisa de la glucosa en
F ig u ra 4.36.
R e g u la c ió n a n ta g o n is ta de la g lu c o s a por
la in s u lin a y e l g lu c a g ó n .
Los Increm entos de glucosa en plasm a estim ulan a las célu las beta del páncreas a secretar Insulina. Al m ism o tiem po, esto hace que las células alfa del páncreas dism inuyan la se creción de glucagón. El Increm ento de la insulina estim ula a sus tejidos diana a Increm entar la captación de glucosa. La dism inució n de glucagón reduce la liberación de glucosa en los tejid o s diana. Juntas, estas acciones dism inuyen la gluco sa en plasma, en un ciclo de retroalim entación negativo. Igualm ente, si la glucosa en plasma dism inuye, decrece la se creción de insulina y se increm enta la de glucagón, estim u lando la liberación de glucosa en el plasma.
sangre acelerando o retrasan d o la liberación de glu cosa. A ctuando ju n tas, estas horm o n as m antienen los niveles de glucosa en un rango m uy estrecho. Mu chas horm o n as están ag ru p ad as como p a re s an tag ó nicos, perm itiendo al sistem a endocrino ejercer un control extrem adam ente preciso sobre las funciones fisiológicas. En este capítulo hem os tocado algunos de los principios fundam entales im plicados en la organiza ción de los sistem as endocrinos. Como se puede ver en la Tabla 4.5, los anim ales producen m uchas h o r m onas que tien en efectos en diferentes sistem as fi siológicos. A lo largo de este libro verem os cómo varias form as de señalización celular (paracrina, e n docrina y nerviosa) están involucradas en reg u lar los procesos fisiológicos.
C A P ÍTU LO 4
u produce
Hormonas y señalización celular 147
Caja 4.3 A plicaciones Comunicación intercelular y diabetes
La diabetes, una de las enferm edades
m ente. Cuando la insulina se une a su receptor (una tirosín
más com unes en el m undo occidental, se
quinasa), éste se autofosforila y el dom inio tirosín quinasa
cuando el cuerpo es incapaz de secretar o res
fosforila posteriorm ente a una proteína llamada sustrato del
ponder a la insulina. Existen dos tipos fundam entales de
receptor de insulina (SRI). La SRI fosforilada activa al fosfati-
diabetes: la de tipo I (o de aparición juvenil) y la de tipo II
dilinositol y a las vías de transducción de la MAP-quinasa
(de aparición adulta). En la diabetes tip o I el cuerpo no pro
que estim ulan el crecim iento celular. Com o hay muchas
duce suficiente insulina en respuesta a la dism inución de
proteínas im plicadas en la vía de transducción de la insulina,
glucosa en sangre. En la diabetes tipo II, las células diana
el defecto exacto asociado con la diabetes de tip o II no se
no responden bien a la insulina, incluso estando ésta pre
conoce aún y puede variar entre individuos o entre tejidos.
sente. Así que am bos tipos de glucosa tienen que ver con
La obesidad es el principal factor de riesgo para la diabe
un fallo en la com unicación intercelular, aunque la de tip o I
tes de tip o II, y la mayoría de los pacientes con diabetes de
afecta principalm ente a la célula señalizadora, m ientras
tipo II son obesos en el m om e nto del diagnóstico. La falta de
que la de tipo II tiene que ver con problem as en las célu
ejercicio y una dieta rica en carbohidratos sim ples com o azú
las diana. La diabetes de tip o II es la más com ún.
cares tam bién predisponen a una persona a la diabetes de
A ctualm ente, cerca del 90% de la población con diabetes
tipo II. Los factores genéticos contribuyen igualm ente, de
sufre la de tipo II, y la incidencia de esta enferm edad en el
m odo que tener un pariente cercano que sufra diabetes de
m undo occidental está creciendo con m illones de pacien
tipo II increm enta el riesgo de desarrollar la enfermedad.
tes que son diagnosticados cada año. Es particularm ente
Los científicos aún no com prenden por qué la obesidad está
alarm ante el increm ento de diabetes de tip o II en los ado
relacionada con un m ayor riesgo de diabetes tipo II, aunque
lescentes.
algunos estudios realizados en ratón han m ostrado que los
La diabetes de tip o II es una enferm edad progresiva que
adipocitos (células del tejido graso) liberan una horm ona lla
com ienza con defectos en la vía de transducción de la señal
mada resistina, y que los niveles de resistina están elevados
para la insulina. Los síntom as iniciales suelen ser m uy sua
en los ratones obesos. La resistina se piensa que regula a la
ves, e incluyen m icción frecuente, sed y fatiga. En las fases
baja la vía de transducción de la insulina, lo que sugiere la po
tem pranas de la enferm edad, la diabetes puede ser contro
sibilidad de que exista un nexo entre la obesidad y la diabe
lada con una dieta rigurosa y un consum o lim itado de gluco
tes de tip o II.
sa, pero conform e la enferm edad progresa el páncreas secreta cada vez más insulina intentando controlar los te ji dos diana. Finalm ente, el páncreas pierde su capacidad de secretar altas cantidades de insulina y los niveles de ésta fa llan. En este punto, la enferm edad debe ser tratada con in yecciones de insulina para regular la glucosa en sangre. La falta de tratam ien to genera serias com plicaciones, com o ceguera, enferm edades vasculares, fallo hepático e infarto. Las vías de transducción de la señal para la insulina son m uy com plejas y sólo han podido ser identificadas reciente
E v o lu c ió n d e la s e ñ a liz a c ió n c e lu la r Como hem os visto, los anim ales poseen complejos y diversos m ecanism os p a ra la señalización celular. Es tos m ecanism os, sin em bargo, com parten num erosas sim ilitudes en todos los grupos anim ales. Esta obser vación sugiere que los m ecanism os de señalización
Referencias • Bevan, P. 2001. Insulin signalling. Journal of Cell Science 114: 1429-1430. • Steppan, C. M., S. T. Bailey, S. Bhat, E. J. Brown, R. R. Banerjee, C. M. Wright, H. R. Patel, R. S. Ahima, and M. A. Lazar. 2001. The hormone resistin links obesity to diabetes. Nature 409:307-312. • White, M. F. 2002. IRS proteins and the common path to diabetes. American Journal of Physiology: Endocrinology and Metabolism 283: E413-22.
celular en los anim ales existentes hoy en día tienen su origen en m ecanism os utilizados por antepasados co m unes a todos ellos. ¿Cómo surgen los m ecanism os de señalización en los antepasados com unes a todos los anim ales existentes hoy en día p a ra luego diversi ficarse d urante el proceso evolutivo? En esta sección nos ocuparem os de esta cuestión estudiando en p ri m er lugar los organism os unicelulares. Posterior
148 PR IM E R A PARTE
Ta b la 4 .5 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
A lg u n a s g lá n d u la s e n d o c rin a s de m a m ífe ro s y sus h o rm o n as .
Glándula
Hormona
Diana
Efectos
Pineal
M elatonina
Varios tejidos
Ritmos circadianos
Hipotálamo
Dopamina; horm ona estimulante de prolactina; horm ona estimulante de corticotropina; horm ona estimulante de la horm ona del crecimiento; horm ona estimulante de gonadotropina
Pituitaria anterior
Regula la liberación de horm onas pituitarias
Pituitaria anterior
Prolactina H ormona de crecimiento Adrenocorticotropa
Mama Muchos tejidos Corteza adrenal
Leche Crecimiento Liberación de cortisol
H ormona estimulante del tiroides
Glándula tiroides
Liberación de horm onas tiroideas
H ormona folículo-estimulante; horm ona luteinizante
Gónadas
Producción de horm onas y liberación de gametos
Hormonas tiroideas (T .y t 4) Calcitonina
Muchos tejidos
Metabolismo, crecimiento
Hueso
Regula el Ca2+ en plasm a
Paratiroides
H ormona de la paratiroides
Hueso, riñón
Ca2+ en plasm a y fosfatos
Páncreas
Insulina, glucagón
Muchos tejidos
Regulación de glucosa, metabolismo
Corteza adrenal
Aldosterona Cortisol Andrógenos
Riñón Muchos tejidos Muchos tejidos
Equilibrio electrolítico Respuesta al estrés Varios
Testículos (machos)
Andrógenos, inhibina
Muchos tejidos
Producción de esperma, características sexuales secundarias
Ovarios (hembras)
Estrógenos, progesterona
Muchos tejidos
Producción de óvulos, características sexuales secundarias
Tiroides
m ente exam inarem os las sem ejanzas y diferencias entre la señalización celular en los dos grupos princi pales de organism os m ulticelulares: anim ales y plan tas. Finalizarem os el capítulo con un a consideración sobre la evolución y la diversificación de la señaliza ción celular en los anim ales. Los organism os unicelulares son capaces de de tectar y resp o n d er a cam bios en su entorno utilizando m ecanism os sim ilares a los usados p a ra la señaliza ción en anim ales. Por ello, los científicos h an p lantea do la hipótesis de que la señalización celular en anim ales evolucionó de m ecanism os ancestrales que los organism os unicelulares utilizaron en sus entor nos. Por ejemplo, u n a b acteria móvil tiende a acercar se a zonas de m ayor concentración de sustancias quim io-atractivas, como u n a solución de nutrientes.
Las b acterias detectan la presen c ia de m olécu las atractiv as utilizando u n a serie de recep to res tra n sm e m b ra n a . E stas p ro teín as tien en u n dom inio extraceluiar con u n sitio de u nión a ligando, un do m inio tra n sm e m b ra n a y un dom inio señalizador in tracelular, y p o r tan to son m uy sim ilares en organización a la m ayoría de los recep to res tr a n s m e m b ran a descritos en anim ales. A dem ás, las vías de tran sd u cció n de la señal en las células b a c te ria n a s im plica la fosforilación de las p ro teín as efectora s que con trolan el m ovim iento, del m ism o modo que m uchas vías de tran sd u cció n de la señal en a n i m ales conllevan cascad as de fosforilación. De este m odo, los elem entos fundam entales de la se ñ aliza ción celular en anim ales están ya presen tes en las procariotas.
C A P ÍTU LO 4
M uchas eu cario tas unicelulares, tales como las levaduras y ciertos hongos, tienen com plejos siste m as de señalización celular que u sa n m ensajeros quím icos. Los recep to res de algunos de estos m en sa jero s h an sido clonados y tien en sem ejanzas m uy p recisas con los recep to res en la superficie de las células de m uchos m am íferos. E stas sem ejanzas su gieren que m uchos de los m ecanism os de la señali zación celular evolucionaron con an terio rid ad a la m ulticelularidad. Por ejem plo, las células de levadu ra secretan ferom onas (conocidas como factor de ap aream iento) que indican el “tipo de ap aream ien to ”. El factor de apaream iento secretado p o r u n a de las células se une a recep to res de m em b ran a en célu las con factores de ap aream iento opuestos. Sólo las células con factores de ap aream ien to opuestos p u e den in tercam b iar m aterial genético. La unión del factor de ap aream ien to a su recep to r provoca alte ra ciones en la superficie de la célula que p otencian la unión y la fusión y sincroniza la división celular entre las dos células, previa al apaream iento. La estru ctu ra del factor de apaream iento de la levadura es m uy sim ilar a la de los recep to res acoplados a p ro teín a G en anim ales, y la vía de transducción de la señal in volucra a u n a pro teín a G. Mohos m ucosos, como el D ictyostelium discoideum , son organism os unicelulares am eboides que se agregan p a ra form ar u n a colonia m ulticelular que funciona como u n organism o. La agregación en Dic tyostelium ocurre cuando am ebas individuales secre ta n AMPc creando u n gradiente a su alrededor. El AMPc se une a u n recep to r específico en la superficie de otras células y prom ueve el movimiento de éstas en dirección al gradiente de concentración. Las nuevas células en el agregado secretan nuevam ente AMPc in crem entando la concentración local. A m edida que se añ ad en m ás y m ás células, la señal de AMPc se inten sifica atrayendo a m ás am ebas e increm entando el ta m año del agregado celular. La vía de señalización m ediada por AMPc en D ictyostelium difiere en m u chos aspectos de la cascada de transducción m ediada por adenilato ciclasa en anim ales, aunque tiene al m ism o tiem po algunas sem ejanzas. La vía de D ictyos telium es sim ilar a la descrita en anim ales, puesto que utiliza adenilato ciclasa y AMPc, pero difiere en que involucra al AMPc como u n m ensajero extracelular, en lugar de intracelular. Las vías de señalización celular en plantas y ani m ales com parten m uchas propiedades com unes, aunque tam bién difieren sustancialm ente. Por ejem plo, las plantas, como los anim ales, usan el Ca2+ como segundo m ensajero y tienen m uchas vías de señaliza
Hormonas y señalización celular 149
ción que involucran a las proteínas quinasas, inclu yendo la cascada de la MAP-quinasa. Las sim ilitudes en la comunicación intercelular en plantas y anim ales parecen ser debidas al hecho de que la señalización celular en estos grupos surge de m ecanism os ya p re sentes en organism os unicelulares anteriores a su surgim iento. En los aproxim adam ente 1.600 millones de años transcurridos desde el último antepasado co m ún de las plantas y anim ales, h an surgido m uchas diferencias en la com unicación celular. Por ejemplo, las plantas no parecen poseer receptores de tirosín quinasas o proteínas Ras, que form an el siguiente paso en la cascada de transducción de la señal en los anim ales. Por poner otro ejemplo, las plantas tienen u n único tipo de serina/treonina quinasas tran sm em bran a, que no poseen los anim ales. Una visión m ás general, usando datos de genom as completos, sugiere que las plantas y los anim ales tienen a grandes rasgos vías de señalización sim ilares que difieren significati vam ente en sus detalles. En contraste, la señalización celular en los anim a les se apoya sobre un conjunto sim ilar de m ensajeros químicos, receptores y vías de transducción de la se ñal. Por ejemplo, el receptor p a ra la insulina y sus vías asociadas de transducción de la señal se hallan tanto en vertebrados como en invertebrados. Unos y otros tienen receptores de esteroides, fosfolipasa C y adenilato ciclasa. Las sim ilitudes entre la señalización celu la r en vertebrados e invertebrados provienen de su evolución a p artir de antepasados com unes que com p artían u n conjunto básico de m ecanism os de tra n s ducción de la señal, y probablem ente surgieron de m ecanism os utilizados en la com unicación paracrin a en los m etazoos ancestrales. Con el tiem po, sin em bargo, los m ecanism os de com unicación intercelular en anim ales divergieron y se diversificaron en los complejos sistem as nervioso y endocrino que conoce m os en los vertebrados. La señalización celular en el sistem a nervioso surge m uy pronto en el proceso evolutivo de los a n i m ales, puesto que todos ellos, con excepción de las esponjas, tien en sistem as nerviosos funcionales, y p o r tan to la com unicación n e u ra l com parte sim ilitu des incluso entre anim ales evolutivam ente muy distantes. (E studiarem os la evolución de la com u nicación célula a célula en el sistem a nervioso con m ayor detalle en el Capítulo 5). En contraste, el siste m a endocrino sólo pudo surgir siguiendo la evolu ción del sistem a circulatorio que puede tra n sp o rta r las horm o n as de u n a p arte a o tra del cuerpo. Puesto que el sistem a circulatorio se p iensa que surgió de m a n e ra independiente en diferentes grupos anim a-
150 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 4.4 Evolución y diversidad Ecdisona: una hormona esteroide de artrópodos
Todos los artrópodos tienen un exoesqueleto rígido, una cubierta dura que les propor ciona
protección
y
soporte.
Para
poder
crecer,
juvenil, la ecdisona estim ula la em ergencia de un insecto adulto.
los
La estructura de la ecdisona es sim ilar a la de los esteroi
artrópodos deben reemplazar su exoesqueleto en un proce
des en los vertebrados, aunque contiene más grupos hidro
so llamado muda. Las horm onas que regulan la muda han
xilo. La secreción de esta horm ona está regulada por una
sido estudiadas intensam ente en los insectos, y una de las
neurohorm ona llamada horm ona protoracicotrópica (PTT)
más im portantes es un esteroide llamado ecdisona. La ma
producida en el cerebro. Esta horm ona estim ula a la glándu
yoría de los in sectos muda sus cubiertas m uchas veces du
la protorácica a secretar ecdisona. De hecho, la ecdisona es
rante su fase de larva. En los in sectos hem im etábolos, los
una prohorm ona, y se convierte rápidam ente en una horm o
estados de larvas y la fase adulta se parecen, con cada esta
na activa llamada 20-hidroxiecdisona (o ecdisterona) por
do siendo sim plem e nte m ayor que el precedente. Los esta
m edio de las enzimas encontradas en la hem olinfa de varios
dos juveniles pueden diferir sustancialm ente en la form a y
tejidos periféricos. La 20-hidroxiecdisona se une a un recep
el color de los adultos, así com o la carencia de órganos se
to r intracelular que regula la expresión de genes a través de
xuales, aunque no se da un cam bio significativo en la form a
la unión a elem entos de respuesta hormonal, com o en el
del cuerpo. En contraste, los adultos de los in sectos holo-
caso de los esteroides en vertebrados.
m etábolos difieren radicalm ente en la form a, com parados
Aunque la 20-hidroxiecdisona es estructuralm ente sim i
con las larvas. Las orugas y las mariposas, por ejemplo,
lar a los esteroides en vertebrados, no parece ser biológica
constituyen el estado larval y adulto de los in sectos lepidóp
m ente activa en éstos y no tiene efectos detectables en el
teros holom etábolos. Los in sectos holom etábolos tienen
sistem a reproductor análogos a los de los fitoestrógenos.
un estado de desarrollo adicional, llamado crisálida, entre la
Sin embargo, algunos estudios han sugerido que la ecdiso
larva y el adulto, durante el cual sufren procesos de m eta
na tiene efecto s anabólicos en los vetebrados, que incre
m orfosis (una m odificación com pleta de sus estructuras
m entan el crecim iento muscular.
corporales). La horm ona esteroidea ecdisona puede estim ula ra la lar va del insecto a m udar para form ar una larva mayor, una cri sálida o un adulto, dependiendo del nivel de una horm ona adicional, la horm ona juvenil. Cuando los niveles de la hor mona juvenil son altos, la ecdisona estim ula la muda de un estado de larva a otro. Cuando los niveles de la horm ona ju venil son bajos, la ecdisona dispara la form ación de la crisáli da en el insecto holom etábolo. Cuando falta la horm ona
les, como artró p o d o s y v ertebrados, podem os con cluir que los sistem as endocrinos en v ertebrados e in v erteb rad o s evolucionaron independientem ente. De hecho, existen diferencias sustanciales en los sis tem as h orm onales de v erteb rados e invertebrados, aunque co m p artan vías de señalización intracelular (puesto que co m p arten orígenes en la señalización celular paracrin a). Todos los vertebrados, incluyendo las lam preas, u san u n a serie de h o rm onas esteroideas como m en sajeros químicos, como los estrógenos, andrógenos y corticorticoides. De estas horm onas, sólo los estróge nos h a n sido encontrados en los invertebrados. En su lugar, los insectos y los crustáceos u san u n a serie diferente de h o rm onas esteroideas incluyendo la e c
Referencias • Gilbert, L. I., R. Rybczynski, and J. T. Warren. 2002. Control and bio chemical nature of the ecdysteroidogenic pathway. Annual Review of Entomology47:883-916. • Slama, K., K. Koudela, J. Tenora, and A. Mathova. 1996. Insect hor mones in vertebrates: Anabolic effects of 20-hydroxyecdysone in Japanese quail. Experientia 52:702-706.
disona. La ecdisona, que regula la m uda y la m eta m orfosis, es u n a de las horm onas m ás estudiadas en los invertebrados (véase la Caja 4.4). Aunque la ecdi sona difiere de las horm onas esteroideas en v erteb ra dos, éstas com parten m uchas vías de señalización intracelular. Por ejemplo, igual que las horm onas es teroideas en vertebrados, la ecdisona se une a un re ceptor intracelular que interactúa con el DNA y regula la transcripción de genes. La organización del sistem a endocrino tam bién difiere en vertebrados e invertebrados. Los inverte brados tienen relativam ente m enos glándulas endo crinas y la m ayor p arte de la com unicación endocrina célula a célula utiliza neurohorm onas m ás que ho r m onas. Como resultado, los ciclos endocrinos de pri
C A P ÍTU LO 4
m er orden son com unes en invertebrados, pero raros en vertebrados. En cam bio, los ciclos endocrinos de tercer orden son m ás evidentes en vertebrados y r a ros o inexistentes en invertebrados. En general, tanto en vertebrados como en invertebrados, existe una co rrelación entre la com plejidad del sistem a endocrino y la com plejidad de la form a y organización del cuer po. Por ejemplo, los llam ados invertebrados inferio res (como los cnidarios y platelm intos) tienen un lim itado núm ero de neu rohorm onas que están funda m entalm ente involucradas en la regulación del creci m iento y el desarrollo. Estos anim ales parecen tener pocas neu rohorm onas activas. En cambio, los grupos de invertebrados superiores (como los anélidos, m o luscos y artrópodos), los cefalocordados y los verte brad o s tienen m uchas y com plejas vías endocrinas que regulan la m ayoría de los procesos fisiológicos. Este increm ento en la com plejidad del sistem a endo crino está relacionado con el increm ento en la com plejidad del sistem a circulatorio, que perm ite a las h orm onas ser tran sp o rtad as largas distancias. La evolución del sistem a endocrino en los verte brad o s es com pleja e incluye cam bios filogenéticos en horm onas, órganos endocrinos y tejidos diana. Mu chas horm onas son efectivas a lo largo de un rango filogenético en vertebrados. Por ejemplo, las horm onas h u m an as del crecim iento increm entan la tasa de cre cim iento cuando son inyectadas en peces. De m anera similar, los estrógenos obtenidos de yeguas preñadas se usan en la terap ia de reem plazo horm onal en m u jeres m enopáusicas. Sin em bargo, las funciones de algunas h o rm onas difieren entre grupos de v erteb ra dos. Por ejemplo, las h o rm onas involucradas en el equilibrio electrolítico son diferentes entre los grupos de vertebrados. La prolactina estim ula la producción de leche en m am íferos, inhibe la m etam orfosis y esti m ula el crecim iento en anfibios, y está involucrada en el equilibrio hídrico en los peces. En general, los cam bios evolutivos en el sistem a endocrino se relacionan m ás con alteraciones en la form a en la que los tejidos resp o n d en a las horm onas que con cam bios en las h orm onas como tales. Así, en el caso de la prolactina, la estru ctu ra de la horm ona es esencialm ente la m is m a en todos los vertebrados, aunque su función difie ra enorm em ente. A dem ás de las diferencias funcionales de las h o r m onas endocrinas entre grupos de vertebrados, hay tam bién cam bios im portantes en la estructura de los órganos endocrinos. La glándula ad renal proporcio n a u n ejemplo de esta variación (Figura 4.37). En los m am íferos, las glándulas adrenales son órganos com pactos, que se localizan adyacentes a am bos riñones y
Hormonas y señalización celular 151
(a) Mamíferos (p. ej., humanos)
Células cromafines
(b) Aves (p. ej., gaviota)
Células glomerulares y cromafines
Riñón
(c) Anfibios (p. ej., Necturus)
(d) Elasmobranquios (p. ej., tiburón)
- Células glomerulares y cromafines
(e) Peces óseos (p. ej., trucha) Figura 4.37.
A n a to m ía c o m parada de los te jid o s a d ren a les .
Las células crom afines (en gris) y las glom erulares (en negro) están asociadas con el riñón de los invertebrados. En los m a m íferos, aves y reptiles dichas células form an las glándulas adrenales, m ientras que en los peces y anfib ios están en gru pos aislados.
152 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
que constan de dos tipos de tejido. La corteza adrenal, en el exterior de la glándula, está com puesta de tejido glom erular y secreta m ineralocorticoides y glucocorticoides como la aldosterona y el cortisol. El interior de la glándula ad ren al se llam a m édula, y está com puesto de tejido crom afín que secreta catecolam inas como la adrenalina. Las glándulas adrenales en los reptiles y pájaros son órganos com pactos localizados cercanos al riñón, como en m am íferos; sin em bargo, los tejidos glo m erular y crom afines están entrem ezclados en lugar de separados en corteza y médula. Las células glomeru lares y crom afines en los anfibios están entrem ez cladas en una b an d a difusa a lo largo del riñón. En los peces elasm obranquios, las células glom erulares for m an u n órgano bastante compacto que está localizado en el riñón, pero las células crom afines se encuentran en la cavidad anterior agrupadas en un grupo disper so. Los peces óseos no p resen tan u n a glándula adrenal propiam ente; sus células glom erulares están general m ente localizadas en u n a capa única alrededor de los vasos sanguíneos del riñón anterior, m ientras que las células crom afines varían su localización asociadas con las células glom erulares. A p esar de las sustanciales variaciones en la estruc tu ra de las glándulas adrenales entre los distintos gru pos taxonómicos en vertebrados, las funciones de las horm onas que secretan están bien conservadas. Por ejemplo, las catecolaminas y los corticosteroides son p arte de la respuesta de huida. La función de estas hor m onas en todos los vertebrados es ayudar al organismo a actuar de form a rápida en situaciones estresantes. Una excepción de esta regla es la aldosterona, que discutirem os con m ás detalle en el Capítulo 11. La al dosterona es el principal m ineralocorticoide en m a m íferos, aves y reptiles m ientras que las células glom erulares de los peces no producen cantidades detectables de esta horm ona. En su lugar, el cortisol, un glucocorticoide, hace las funciones de los m ineralo corticoides en la regulación hídrica y el equilibrio ió nico en los peces. En este capítulo hem os presentado algunos ejem plos de la evolución de la señalización celular, centrándonos fundalm entalm ente en el sistem a endo crino. Sin em bargo, los sistem as nervioso y endocrino de los anim ales utilizan cientos de m ensajeros quím i cos y m iles de vías reguladoras trabajando en conjun to p a ra regular hom eostáticam ente el m edio interno del cuerpo. Como se verem os, u n a gran p arte de este libro está dedicada a los m ecanism os por los cuales la señalización celular perm ite a cada órgano o tejido contribuir a la hom eostasis de todo el organism o.
Resumen La señalización celular está involucrada en la m ayor p arte de los procesos fisiológicos. La com unicación a corta distancia puede ten er lugar entre células que es tá n conectadas por uniones tipo gap, aunque la m ayor parte de la com unicación intercelular es indirecta en tre células que no com parten ninguna conexión física. La com unicación intercelular indirecta com ienza cuando u n a célula señalizadora libera un m ensajero químico. El m ensajero es transportado hasta la célula diana, donde se une a un receptor tran sm em b ran a o intracelular y produce un a respuesta. Las interaccio nes entre los m ensajeros químicos y sus receptores son m uy específicas, y las células diana sólo pueden responder a aquellos m ensajeros químicos p a ra los que tienen receptores. Los receptores transm iten la señal a la célula diana a través de ru tas de tran sd u c ción de la señal. Los receptores intracelulares alteran la transcripción e inician u n a cascada de procesos in tracelulares. Los canales iónicos dependientes de li gando inician ru tas de señalización sim ples, m ientras que los receptores enzim áticos y los acoplados a pro teínas G inician complejas cascadas de transducción. En ese capítulo hem os estudiado tre s tipos de recep to res enzim áticos: las guanilato ciclasas, las ti ro sín q u in asas y las se rin a /tre o n in a quinasas. Cada u n a de estas enzim as inicia u n a vía de transducción diferente. La definición de los recep to res acoplados a p ro teín a G está generalm ente b a s a d a en los se gundos m ensajeros. Éstos son m oléculas p equeñas producidas p o r enzim as am plificadoras que tr a n s p o rtan la señal desde el recep to r acoplado a p ro teí n a G h a s ta el resto de la vía de transducción. Los recep to res acoplados a p ro teín a G u sa n cuatro tipos de segundos m ensajeros: Ca2+, GMPc, inositolfosfatoyA M Pc. C ada uno de estos m ensajeros está ligado a diferentes cascadas de transducción. Las células poseen num erosos tipos de recep to res tra n sm e m b ra n a e in tracelu lares, y p o r tanto se pu ed en activar m uchas cascad as de tran sd u cció n de la señal en un m om ento dado. De este m odo, las cascad as de tran sd u cció n de la señal en las células vivas operan como u n a red com pleja que in te rp re ta señales di versas y las convierte en resp u estas fisiológicas apropiadas. Los anim ales poseen diferentes sistem as esp e cializados p a ra la señalización celular. Estos siste m as difieren principalm ente en la form a en la que los m ensajeros quím icos se m ueven hacia la célula dia na. Los m ensajeros químicos p u ed en m overse cortas distancias p o r difusión, proceso conocido como co
C A P ÍTU LO 4
m unicación au to crin a y p aracrin a. En cam bio, el sis tem a nervioso pu ed e enviar señales a largas d istan cias. En este caso, sin em bargo, la señal viaja largas distancias en u n a m ism a célula en form a de im pulso eléctrico y sólo p asa a otras células a través de dis tan cias m uy co rtas en las sinapsis. Por el contrario, el sistem a endocrino envía señales quím icas a largas d istancias en form a de h o rm o n as que son tra n sp o r tad as en los fluidos circulatorios como la sangre. Las células p u ed en incluso com unicarse entre organis m os a trav és de secreciones exocrinas como las ferom onas. Los sistem as de señalización celular están reg u lados p o r ciclos de retro alim entación que varían en com plejidad desde vías sencillas, que no involucran al sistem a nervioso, h asta las com plejas, que involu cran a éste y a diferentes horm onas. En este capítulo nos hem os cen trad o en el sistem a endocrino; tr a ta rem o s el sistem a nervioso con m ayor profundidad en los Capítulos 5, 7 y 8 . Tanto el sistem a nervioso como el endocrino utilizan vías de retroalim entación negativa p a ra reg u lar h o m eostáticam ente las fun ciones fisiológicas, como verem os frecuentem ente en este libro. Los com plejos sistem as de señalización celular en v erteb rad o s com parten principios com unes con las vías de señalización utilizadas po r organism os unicelulares, p lan tas y m etazoos sencillos. A lo largo de la evolución estas vías se h a n diversificado y diver gido a través de la duplicación de genes p a ra p ro p o r cionar vías aú n m ás com plejas, que perm itan a los anim ales funcionar como organism os integrados con m últiples tejidos especializados, que realizan distin tas funciones fisiológicas. Como verem os a lo largo del texto, estos complejos sistem as de señalización celular subyacen a los procesos de regulación fisioló gica y constituyen u n a p ropiedad fundam ental del reino anim al.
P reguntas de revisión 1. ¿Qué m ensajeros químicos son capaces de atrave sa r las m em b ran as plasm áticas de las células dia na? 2. ¿Cómo son tran sp o rtad os en el plasm a la m ayoría de los m ensajeros químicos hidrofílicos? ¿Cómo son tran sp o rtad o s en el plasm a la m ayoría de los m ensajeros químicos hidrofóbicos? ¿Por qué?
Hormonas y señalización celular 153
5. Com pare y contraste la localización de los recep tores p a ra m ensajeros químicos hidrofílicos e h i drofóbicos.
6 . ¿Qué son los m ensajeros químicos y cuál es su im portancia funcional?
7. Com pare y contraste los diferentes tipos de recep tores de m em brana y sus vías de transducción de la señal.
8 . ¿Cuáles son las sem ejanzas y diferencias entre la com unicación p aracrin a y la autocrina? 9. ¿Cuáles son las sem ejanzas y diferencias entre un a horm ona, un neurotransm isor y u n a neurohorm ona?
10. ¿Cuáles son las sem ejanzas y diferencias entre la com unicación intercelular en el sistem a nervioso y el endocrino? 11. ¿Qué son los p ares antagónicos? ¿Cuáles son las ventajas de esta organización de los sistem as de control? 12. ¿Qué tipos de evidencia u san los científicos p ara concluir que las vías de transducción de la señal surgen tem prano en térm inos evolutivos?
P reguntas de síntesis 1. Usted lee un artículo en el periódico sobre el des cubrim iento de u n a nueva horm ona esteroidea. ¿Qué puede predecir del m odo en que es sintetiza da y alm acenada por la célula señalizadora, cómo es tran sp o rtad a a través de la sangre y cómo ac tú a en las células diana? 2. Si el artículo fuera sobre un péptido, ¿cómo cam biaría su predicción? 3. La droga anticancerígena tam oxifeno se une a re ceptores de estrógenos. El tam oxifeno inhibe el crecim iento del tejido m am ario, pero estim ula el crecim iento del tejido del útero. De este modo re duce el riesgo de cáncer de m am a, pero incre m enta potencialm ente el riesgo de cáncer de útero. Explique cómo un m ism o m ensajero quí mico puede ten er efectos opuestos en dos tejidos diferentes.
4. ¿Cuáles son las ventajas de u n a vía de tran sd u c ción de la señal con m últiples pasos en la com uni cación intercelular?
3. ¿Qué es u n ligando?
5. Compare y contraste las vías de señalización intercelular de los tipos directo y de prim ero, segundo y tercer orden. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada sistem a?
4. ¿Por qué algunas células responden a un m ensa
6 . Comente las sem ejanzas y diferencias entre los
jero químico m ien tras que otras lo ignoran?
ciclos de retroalim entación largos y cortos.
C a p í tu lo 5 Estructura y función de la neurona
Con una inquietud que casi llegaba a la angustia, recogí los instrumentos de la vida alrededor de mí, a las cosas que podía haber infundido algo de vida y que yacían a mis pies. Frankenstein (o el Moderno Prometeo) Mary Shelley, 1818
Unión n eurom uscular (cortesía de S . Kuang y J . R. Sanes).
o es casual que M ary S helley elig ie ra utiliza r la ele ctricida d co m o la fuerza que lle vó al m o n stru o de Frankenstein a la vida. A l e scri b ir su novela M ary S helley estuvo in flu id a por
especializada de im p u ls o eléctrico, d e n o m in a d o p o
la tra n s m is ió n eléctrica en el sistem a nervio so . Galvani
tencial de acción, para tra n s m itir las señales eléctricas
d e m o stró que los m úsculo s de una rana m uerta se
a tra vé s de grandes distancias. Ju n to con las células
m em brana. De hecho, las neuronas utilizan una fo rm a
contraen al aplicar una co rrie n te eléctrica en los
m usculares, otra clase de células eléctricam ente exci
m úsculos de la rana. Después de m uchos e xpe rim e n
tables, que estu d ia re m os en el C apítulo 8, las neu ro
to s cu idadosos, G alvani co nclu yó que los nervios pue
nas hacen que los a nim ales sientan y respondan al
den tra n s m itir "e le ctricid a d a n im a l", lo que de algún
m edio , de una m anera que n in g ú n o tro o rga n ism o puede.
m o do está im p lica d o en el co n tro l de las actividades del cuerpo. Ésta fu e una idea re volu cio n a ria , ya que
S ólo los m etazoos tie ne n neuronas, pero no son
hasta aquel m o m e n to se creía que los nervios eran
capaces de g enerar respuestas rápidas y coordinadas
co m o tu b o s o canales que tra n sp o rta b a n líquidos. A u n qu e la interp re ta ción de G alvani sobre la e le ctrici
a su m e dio . C harles D arw in estaba fascinado con a lg u nas plantas, co m o la venus a trapam oscas, a las que
dad a nim a l fu e fin a lm e n te incorrecta (porque pensó
llam ó las plantas m ás m a ravillo sa s del m u nd o . Las h o
que era una prop ie da d única de las cosas vivas y d is
jas (o lób u los) de la venus atrapam oscas recuerdan a
tin ta s de o tro s fe n ó m e n o s eléctricos), su d e scu b ri
un g rup o de m andíbulas abiertas. Cuando un insecto u
m ien to p io n e ro dejó el cam po abie rto a la m oderna
o tro pequeño a nim a l se arrastran en la hoja de la ve
ele ctro fisio lo g ía .
nus atrapam oscas y m olesta a uno de los pelos d ispa radores de la supe rficie de los ló b u los, las m andíbulas
A h o ra sabem os que los nervios están co m pu e sto s
154
en cam bios en el p otencial e léctrico a tra vé s de la
el tra b a jo del cien tífico Luigi G alvani, que había de m o stra do hacía tre in ta años lo que co no ce m o s sobre
de g ru p o s de células d e n o m in a d o s neuronas que es
se cierran de golpe, atra p an d o el insecto. La venus
tán especializados en procesar y c o n v e rtir la in fo rm a
atrapam oscas d ig ie re después el insecto a trapado, y
ción en fo rm a de señales eléctricas a tra vé s de largas
este m aterial d ig e rid o p rop o rcion a a la planta m aterial
distancias, de m anera rápida y precisa. Las neuronas elaboran esta fu n ció n cifra n d o la in fo rm a ció n entrante
a dicional a po rtán d ole una fu e n te suple m e ntaria de n itró g e n o y m ine ra le s que no existen en sus hábitats
A h o ra sabem os que la venus atrapam oscas no tie ne neuronas. En su lugar, los potenciales de acción viajan a través de los te jid o s estru ctu ra le s de la planta, tra n sm itié n d o s e de una célula de la planta a otra vía p la sm odesm os, co nexiones intercelulares análogas a las uniones co m un ica ntes en las células anim ales. Esta clase de co nducción es m u y lenta com parada con la de las neuronas. En las plantas, los potenciales de acción viajan n o rm a lm e n te a ve lo cid ad e s entre 1 y 3 centím e tro s p o r segundo, m ien tra s que en los a nim ales los p o tenciales de acción pueden v ia ja r a lo largo de las neuronas a ve lo cid ad e s de hasta 100 m e tro s por segundo (o 10.000 cm /s). La v e lo cid ad de alta co nd u c ción de los potenciales de acción es una p ropiedad única de los anim ales. En este capítulo, ve rem o s cóm o las p ropiedades específicas de las neuronas perm ite n la rápida y precisa cond u cción de las señales eléctricas que es la característica de la vida a nim al.
•
Fig. 208. Experience de la patte de grenouille se contractant par le contact d’un arc compose de deux métaux. Experimento de Galvani en la s patas de la rana.
pantanosos. D ebido a la h ab ilid a d de la planta para ca ptu rar activam e n te sus presas anim ales, D arw in fo r m u ló la hipó te sis de que la venus atrapam oscas debe poseer neuronas sim ila res a las de estos anim ales. C ontactó con J o h n Burdon-S anderson, m édico fis ió lo go e m in e n te de la U niversidad de Londres, para de m o s tra r la hip ó te sis de la base del m o v im ie n to en la v enus atrapam oscas. Burdon-S anderson colocó los ele ctro d o s sobre los lób u los de la venus atrapam oscas y registró lo que ocurría cuando le tocaba el pelo co l gante. D escubrió que la planta respondía generando una señal eléctrica que era m u y parecida a un p o te n cial de acción.
M o sca en la venus atrapam oscas.
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156 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
I P re s e n ta c ió n Los an im ales tien en m uchos tipos de n eu ro n a s, y las n eu ro n as cam b ian en su e stru c tu ra y sus p ro pied ad es, pero to d as las n eu ro n as utilizan m eca nism os básicos sim ilares p a ra enviar señales. La F igura 5.1 ilu stra la e stru c tu ra y función de algunas n eu ro n as rep re sen tativ as. C ada p a rte de la n e u ro n a d esem p eñ a u n p ap el diferente en la señali zación n eu ro n al. Un extrem o de la célula está especializado en recib ir las señales entran tes. Más allá a lo largo de la célula hay u n a zona que in teg ra esas señales. La siguiente zona de la n e u ro n a está especializada en conducir estas señales in teg rad as a lo largo de la n eu ro n a, p otencialm ente a grandes distancias. Por últim o, la cu arta p a rte de la n e u ro n a está especializada en la tran sm isió n de se ñ a les a o tras células. Como resu ltad o de esta organización, las n e u ro n a s característicam ente p re se n ta n p o larid ad específica: la señales son tran sm itid as desde u n extrem o de la n e u ro n a a otro, p ero no en la dirección opuesta. Neurona motora
Neurona sensorial
En la prim era m itad de este capítulo, exam inare m os cómo estas cuatro zonas funcionales de las neu ronas participan en la comunicación intercelular. Utilizando u n a neurona m otora de un vertebrado como ejemplo, seguimos la señal a m edida que viaja desde un extrem o de la neurona m otora a otro, exami nando las características de las señales eléctricas en cada p arte de la célula y cómo la neurona transm ite las señales a sus células diana. Concluiremos la pri m era m itad de este capítulo con u n a discusión breve de cómo las células diana responden a estas señales. En la segunda m itad del capítulo, estudiam os de qué m an era estos pasos h an sido m odificados y espe cializados en las diferentes neu ro n as y en las neuro n as de distintas clases de organism os. Prim ero analizam os la variación en la estructura de las n eu ronas p a ra después dirigir la variación a la propieda des funcionales de las neuronas, incluyendo cómo las propiedades del potencial de acción varían entre las neuronas, así como la velocidad de conducción del potencial de acción a lo largo del axón y la diversidad de la transm isión d urante la sinapsis. Term inam os el capítulo con una exposición sobre la evolución de las neuronas. Célula de Purkinje
S e ñ a liz a c ió n en la n eu ro n a m o to ra d e v e rte b ra d o s
F ig u ra 5.1.
U na v is ió n g e n e ra l de la e s tru c tu ra y fu n c ió n de la n e u ro n a .
Las neuronas varían en su tam año y form a, pero la m ayoría de las neuronas se di viden en cuatro regiones funcionales, especializada cada una en una tarea particu lar: la recepción de la señal, la integración de la señal, la conducción de la señal o la tran sm isión de la señal a otras células.
La Figura 5.2 representa la estructura y función de un a n eu ron a m otora de vertebrado, un tipo de neurona que envía señales desde el sistem a n e r vioso central a los músculosesqueléticos y, por tanto, está im plicada en el control del movimiento. En la prim era m itad de este capítulo, utilizam os la neurona m otora de vertebrado p a ra ilustrar algunas de las características fundam entales de las neuronas y, por tanto, la señalización neuronal, ya que estas neuronas son un buen ejem plo de los m ecanism os que subyacen a la conducción de la señal. U na n eu ro n a m otora, como la m ayoría de las n euronas, puede ser dividida en cuatro zonas distintas, y cada u n a de estas zonas desem peña, un papel algo diferente en la señali zación neuronal. En las neuronas
C A P ÍTU LO 5
m otoras, la p rim era zona, que está especializada en la recepción de señales, está form ada po r las d en d rita s y el cu erp o celu la r (o som a) de la neurona. Las d en d ritas son finas extensiones ram ificadas de u n a neu ro n a, originadas en el cuerpo celular. El nom bre dendrita deriva de la p alab ra griega dendron: árbol, debido al aspecto m uy ram ificado de las d en d ritas de m uchas n eu ronas. Las dendritas son las en carg ad as de p ercibir las señales entrantes, convirtiendo estas señales en u n a señal eléctrica en form a de u n cam bio en el potencial de m em b ran a y
Estructura y función de la neurona
transm itiendo la señal al cuerpo celular. El cuerpo celular contiene el núcleo y la m aquinaria de la sín tesis proteica de la célula, así como la m ayoría de los orgánulos, tales como la m itocondria y el retículo endoplasm ático. El cuerpo celular realiza todas las funciones ru tin a rias de las funciones m etabólicas norm ales de la neurona, sintetizando y degradando p roteínas, generando energía y ayudando al m a n te nim iento de la estru ctu ra y la función de la neurona. Como las dendritas, la m em b ran a plasm ática del cuerpo celular contiene, a m enudo, receptores, por
Las señales entran tes son recibidas y se convierten en un cambio en el poten cial de membrana.
Un cambio en el potencial de membrana inicia el potencial de acción.
Los potenciales de acción se conducen hasta los terminales axónicos.
La liberación del neurotransmisor transmite la señal a la célula diana.
Fig u ra 5.2.
E s tru c tu ra y fu n c ió n de una n e u ro n a m o to ra t íp ic a de v e rte b ra d o .
Como otras neuronas, las neuronas motoras pueden ser divididas en cuatro zonas funcionales distintas.
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158 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
lo que puede p articip ar en la detección de las señales entrantes. La segunda zona de la n eurona m otora, que está especializada en la integración de las señales, con siste en el cono axón ico. El cono axónico está locali zado en la unión entre el cuerpo celular y el axón. Las señales en tran tes desde las dendritas y del cuerpo celular se conducen h asta el cono axónico. Si la señal en el cono axónico es lo suficientem ente g rande, se inicia u n a señal eléctrica, denom inada p o ten cia l de acción. Los potenciales de acción se originan en el axón, u n a extensión larga y delgada que p arte del cuerpo celular en el cono axónico. El axón form a la tercera zona funcional de la n eurona, y está especializado en la conducción de señales. Los axones son generalm ente bastante cor tos (justo unos pocos m ilímetros), pero los axones de algunas n euronas, como los de las neu ro n as m otoras en los gran d es m am íferos, pueden ten er m uchos m etros de longitud. Cada n eurona tiene un único axón, aunque u n axón puede ram ificarse en m uchos colaterales. Las n eu ro n as m otoras de los v erteb ra dos están envueltas en u n a vain a de m ielin a que ayuda a la conducción de los im pulsos nerviosos h asta el term in a l axónico. Los term inales axónicos form an la cuarta zona funcional de la neurona, que está especializada en la transm isión de señales a la célula diana. En u n a neu ro n a m otora, el final del axón se ram ifica p a ra form ar m uchos term inales axónicos. Cada term inal axónico es u n ensancham iento del final del axón que hace sinapsis con la célula diana m usculoesquelética. En el term inal axónico la señal eléctrica se transduce en u n a señal quím ica en form a de neurotransm isor. El
neurotransm isor difunde y se une a un receptor espe cífico de la m em brana celular, produciéndose una señal en la célula m uscular que causa la contracción muscular. Por lo tanto, el proceso global de la señalización en una neurona m otora implica la recepción de una señal entrante, la conversión de esa señal en un cambio en el potencial de m em brana, el disparo de los potenciales de acción que conducen la señal a grandes distancias y la transm isión de la señal a la célula diana en form a de neurotransm isor. En las siguientes secciones exam ina m os cada uno de estos procesos en detalle, conside rando en prim er lugar las propiedades generales de las señales eléctricas en las neuronas, y después estu diando los tipos de señales que se dan en cada una de las zonas funcionales de la neurona motora.
Señales eléctricas en las neuronas
Como todas las células, las n euronas tienen un potencial de m em b ran a en reposo característico, o lo que es lo mism o, u n a diferencia de voltaje entre el interior y el exterior de la célula. Sin em bargo, a diferencia de la m ayoría de las células, las neuronas son células excitables que pueden cam biar rá p id a m ente su valor de potencial de m em b ran a en reposo en resp u esta a u n a señal entrante, y estos cam bios en el potencial de m em b ran a pueden funcionar como señales eléctricas. Como vimos en el Capítulo 3, las neu ro n as no son las únicas células excitables. Las células m usculares, los óvulos fertilizados, algu nos tipos de plantas y m uchos organism os unicelula res tienen tam bién la capacidad de cam biar sus potenciales de m em b ran a rá p id a m ente. Pero es la p ropiedad de exci tabilidad la que da a las neu ro n as la E capacidad p a ra alm acenar, reco rd ar co -50 c y distribuir inform ación, lo que es el Despolarización jQ E principal objeto de estudio de este o E - Repolarización capítulo. CD La m ayoría de las neuronas tie CO ~ i Repolarización nen un potencial de m em brana en c Potencial CD de membrana Hiperpolarización O reposo de aproxim adam ente - 7 0 mV, Q_ en reposo lo que significa que cuando la n eu -90 ro n a está en reposo y no está im pli Tiempo (ms) cada en enviar un a señal eléctrica, el F ig u ra 5.3. C a m b io s que se r e g is tra n en e l p o te n c ia l de m e m b ra n a de una interior de la célula está aproxim ada n e u ro n a . m ente cargada 70 mV m ás negativa El potencial de m em brana en reposo es generalm ente alrededor de - 7 0 mV. m ente que el exterior de la célula Durante la despolarización, el potencial de m em brana se hace m enos negativo. (Figura 5.3). D urante la d esp o la riza Durante la hiperpolarización, el potencial de m em brana se hace más negativo. Durante la repolarlzación, vuelve a su valor de potencial de m em brana en reposo. ción, la diferencia de carga entre el
X A
C A P ÍTU LO 5
interior y el exterior de la célula dism inuye, y la dife ren cia de potencial se hace m enos negativa. Tanto los iones cargados positivam ente que en tran en la célula como los iones cargados negativam ente que salen de ella pueden hacer que el interior de la célula se car gue m enos negativam ente lo que provoca la despola rización. D urante la h ip erp olarización , el potencial de m em b ran a se h ace m ás negativo. Tanto los iones negativam ente cargados que en tran en la célula como los positivam ente cargados que salen de ella puede hacer que el in terior de la célula haga m ás negativo, lo que produce la hiperpolarización. D urante la rep olarización , la m em brana de la célula recu p era su valor de potencial de m em brana en reposo, después de u n a despolarización o hiper polarización.
Canales iónicos activables permiten a la neurona modificar sus potenciales de membrana Por lo tanto, ¿cómo hacen las n euronas p a ra cam b iar sus potenciales de m em brana? Como expu sim os en el Capítulo 3, existen tres factores que contribuyen al potencial de m em brana: la distribu ción de los iones a través de la m em b ran a plasm á tica, la perm eabilidad relativa de la m em b ran a a estos iones y las cargas de esos iones. Estos factores se incluyen en la ecuación de Goldman, que describe los efectos de cada uno de estos factores en el poten cial de m em b ran a. Ya hem os presentado las bases de la ecuación de G oldm an en el Capítulo 3 (véase la Caja 3.1). P ara rep asar, la ecuación de Goldman se escribe como: = BT f K[K+]0 + PN»[Na+]0 + Pci[Cr]¡ m F " Pk[K+],. + / >Na[Na+]¡ + PCI[Cl-]0 donde Em rep re sen ta el potencial de m em brana, [ion]o y [ionljla concentración de ese ion fuera y den tro de la célula respectivam ente, y Pk, Pm y Pc¡ son las perm eabilidades de la m em b ran a a esos iones. A p artir de la ecuación de Goldm an es fácil predecir que si la m em b ran a no tiene perm eabilidad a un ion, ese ion no contribuye al potencial de m em brana. Por el contrario, si la m em b ran a es muy perm eable a un ion, ese ion influye de m an era im portante en el potencial de m em brana. En principio, las alteracio nes en las concentraciones de los iones dentro y fuera de la m em b ran a cam biarían el valor del poten cial de m em b ran a. Sin em bargo, en la m ayoría de las situaciones fisiológicas, las concentraciones iónicas
Estructura y función de la neurona
dentro y fuera de la célula no varían significativa m ente a m edida que los iones se m ueven a través de la m em brana (debido al g ran núm ero de iones den tro y fuera de la célula, y el núm ero relativam ente pequeño de iones que se m ueven a través de la m em b ra n a d urante u n a típica despolarización o hiperpo larización). Por lo tanto, las neuronas, igual que otras células excitables como las células m usculares, se despolari zan o hiperpolarizan alterando selectivam ente la perm eabilidad de sus m em branas a los iones, lo que se consigue abriendo y cerrando canales activables en la m em brana. Este cam bio en la perm eabilidad altera el potencial de m em brana y genera señales eléctricas. Como explicamos en el Capítulo 4, los canales activables se abren y cierran en respuesta a un estí m ulo, como la unión a neurotransm isor. Es posible reg istrar cam bios en el potencial de m em brana a m edida que los canales iónicos se ab ren o cierran (ivéase la Caja 5.1), y estas técnicas h a n sido cruciales p a ra el desarrollo y el entendim iento de las funciones de las neuronas. En las secciones siguientes verem os como la despolarización, la repolarización y la h iper polarización de la m em brana son el resultado de cam bios en la perm eabilidad de la m em brana y están im plicados en enviar u n a señal a través de la n eu ro n a m otora de un vertebrado desde las dendritas al term inal axónico.
Señales en las dendritas y el cuerpo celular Las n euronas m otoras de los vertebrados reciben señales entrantes en form a de neurotransm isor quí mico. Los receptores de m em brana de las dendritas y cuerpos celulares transducen (convierten) esta señal quím ica entrante en un cambio en el potencial de m em brana. En el Capítulo 4 describim os cómo los receptores en m uchas células, incluidas las neuro nas, transducen las señales quím icas entrantes en señales eléctricas. Recordem os que la unión de los neurotransm isores a un receptor dependiente de ligando específico provoca que los canales iónicos en la m em brana se a b ra n o cierren cam biando la p e r m eabilidad de la m em brana y alternado el movi m iento iónico. Este cambio en la perm eabilidad altera el potencial de m em brana y genera una señal eléctrica. En las dendritas y los cuerpos celulares de las neu ro n as estas señales se denom inan potenciales graduados.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 5.1
Métodos y sistem as de modelos Estudiando los canales iónicos
Uno de los m étodos más am pliam ente uti lizados para estudiar canales iónicos en célu
í
las individuales es la fija c ió n d e v o lta je . La idea básica de un experim ento de fijación de voltaje es establecer un vol
Amplifi cador
taje constante a través de la membrana m ediante la in yección de corriente en la célula por m edio de un m icroelectrodo cada vez que el potencial de la célula tien da a cam biar (como resultado, el voltaje se dice que está fijado a un valor particular). Por ejem plo, suponga que el potencial de m embrana en reposo es de - 7 0
mV y
que us
ted sintoniza el aparato de fijación de voltaje para que fije el potencial a - 7 0
mV.
Si la célula está a potencial de
membrana en reposo, no es necesario introducir ninguna corriente a través del m icroelectrodo. Pero suponga que introduce en el fluido que baña a la célula un neurotrans m isor que se une a un canal específico de Na+. El neuro transm isor se unirá al canal y provocará la apertura de los canales de Na+. Los iones Na+ entrarán a la célula ocasio nando una despolarización. El aparato m ide el potencial de m embrana e inyecta corriente para m antener la m embrana a su potencial de reposo, a pesar del influjo de Na+. De este modo, un aparato de fijación de voltaje es análogo a un controlador term ostático de calor que opera en un ciclo
Fijación de parche (o "patch-clamp").
de retroalim entación negativo. La cantidad de corriente inyectada es una medida
figura. El experim entador puede entonces fijar el voltaje en
directa del m ovim ien to iónico natural a través de la m em
esta pequeña región de la membrana y registrar las corrien
brana. Los neurofisiólogos usan los experim entos de fija
tes pequeñísim as generadas por un único canal iónico
ción de voltaje para describir las propiedades eléctricas de
(éstas m iden del orden de los p/coam perios; pico = 10‘12).
las m em branas intactas o de las células enteras.
La fijación de parche perm ite a los neurobiólogos estudiar
Los neurobiólogos tam bién usan la fija c ió n d e p a rc h e
las propiedades de la m olécula que form a un canal iónico
(o 'p a tc h -c la m p ') para estudiar la función de los canales
individual, m ientras fijan el voltaje de toda la célula o de una
iónicos. La fijación de parche es particularm ente útil para
región amplia de m embrana, proporcionando inform ación
estudiar las propiedades de los canales individuales. En la
sobre el com portam iento de poblaciones de canales.
fijación de parche, el experim entador acopla la punta de una pipeta de vidrio a la m embrana plasmática para actuar
Referencias
com o un electrodo de registro. La porción de m embrana en
• Neher, E., and B. Sakmann. 1976. Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres. Nature 260: 799-802.
el
parche
es
extrem adam ente
pequeña
(usualmente
m enos de 1 miera) y, por tanto, suele contener un bajo núm ero de canales iónicos. De hecho, algunos parches contienen sólo un canal iónico, com o se m uestra en la
Los potenciales graduados varían en magnitud Los potenciales graduados varían en m agnitud (son graduados) dependiendo de la fuerza del estímulo. Un estímulo fuerte, tal como u n a alta concentración de neurotransm isor, aum enta la probabilidad de que
• Neher, E., and B. Sakmann. 1992. The patch clamp technique. Scientific American 266:44-51.
un determ inado canal iónico se abra, haciendo que se ab ran m ás canales iónicos y m anteniéndolos abiertos durante m ás tiempo. Si se abren m ás canales iónicos (o están abiertos durantes m ás tiempo), m ás iones se m overán a través de la m em brana plasm ática, p rodu ciendo un cambio m ás grande en el potencial de
C A P ÍTU LO 5
Estructura y función de la neurona
m em brana. La Figura 5.4 representa Líquido extracelular lo que ocurre cuando cerca de la den Los iones no pueden atravesar la mebrana / Ión drita de la neu ro n a hay concentracio Receptor v 9 KS X w ' nes diferentes de neurotransm isor. i) | | a l | | f l Cuando no hay neurotransm isor, los Membrana B* plasmática ; ■ ! l i l i canales dependientes de ligando p er m anecen cerrados, ningún ion se ' Canal iónico en la m ueve a través de la m em brana por conformación "cerrada" Citoplasma esos canales y el potencial de m em b ra n a perm anece constante. Cuando (a) No neurotransmisor el neurotransm isor está p resente en bajas concentraciones, se abren unos Neurotransmisor v pocos canales iónicos, que perm iten unido al receptor Algunos iones pueden atravesar la membrana que unos pocos iones se m uevan a tra * • o e vés de la m em brana, produciendo un 4 v * y ' y '. pequeño cambio en el potencial de m em brana. Cuando hay una alta , i concentración de neurotransm isor, ' Algunos canales iónicos m uchos canales iónicos se abren y en la conformación "abierta" p erm anecen abiertos durante m ás tiempo, perm itiendo que m ás iones atraviesen la m em b ran a y provoquen (b) Baja concentración de neurotransmisor u n cambio grande en el potencial de m em brana. Por lo tanto, la am plitud Neurotransmisor unido a la mayoría de los Muchos iones pueden atravesar la membrana del potencial graduado refleja directa receptores ^ m ente la fuerza del estímulo entrante. ® .f l i l l ® Los potenciales graduados pue den bien hiperpolarizar o bien despo larizar la célula, dependiendo del tipo de canal iónico que se ab ra o cierre. 'v IL amayoría a m a vn ría de ríe los c a n a le s los canales Los canales iónicos m ás im portantes en la conformación "abierta1 en las dendritas y el cuerpo celular de la n eu ro n a son los canales de Na+, K+ (c) Alta concentración de neurotransmisor y Ca2+. La estim ulación de los canales F ig u ra 5.4. In te n s id a d d e l e s tim u lo y p o te n c ia le s g ra d u a d o s . de N a+ y Ca2+ típicam ente despolariza las neuronas, m ientras que la estim u lación de los canales de K+ y CL las hiperpolariza. Se vés de la m em brana, no hay un cambio global en la puede predecir si el m ovimiento de un ion particular distribución de los iones, ya que el mismo núm ero de despolarizará o h iperpolarizará la célula basándose iones que entra en la célula sale de ella. en la ecuación de N ernst (Capítulo 3). La ecuación de Cuando el canal de N a+ dependiente de ligando N ernst nos perm ite calcular el potencial de equilibrio se abre, los iones N a+ tien d en a e n tra r en la célula, p ara un ión particular, que se define como el potencial p orque el potencial de equilibrio p a ra el N a+ es de m em b ran a en el cual no hay m ovimiento neto de ap roxim adam ente + 6 0 mV y el potencial de m em ese ion a través de la m em brana. Por consiguiente, b ra n a en reposo está próxim o a - 7 0 mV, gene los iones tienden a m overse a través de la m em brana ran d o un a g ran fuerza electrom otriz p a ra la si el potencial de m em b rana está lejos del potencial e n tra d a de N a+ (Figura 5.5a). A m edida que el N a+ de equilibrio del ion, ya que en esas circunstancias la en tra en la célula, el in terio r de ésta se carga cada fuerza electrom otriz p a ra el m ovimiento de ese ion es vez m ás positivam ente h a s ta que la m em b ran a se grande. Cuando el potencial de m em brana alcanza el despolariza desde su valor de potencial de m em potencial de equilibrio, el movimiento neto cesa por b ra n a en reposo del - 7 0 mV h a sta ap ro x im ad a que no hay fuerza electromotriz p a ra el movimiento m ente + 60 mV. En este punto no hay gradiente de ese ion. Aunque los iones siguen moviéndose a tra electrom otriz p a ra la e n tra d a de N a+ y el movi-
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
(a) La apertura de los canales de Na+ despolariza la membrana
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-90
K+ channels open Potencial de membrana en reposo / Potencial de equilibrio para el K+
I -110 Tiempo (ms) (b) La apertura de los canales de K+ hiperpolariza la membrana F ig u ra 5.5.
D e s p o la r iz a c ió n o h ip e rp o la r iz a c ió n d e b id o
a los c a n a le s ió n ic o s a b ie rto s .
m iento neto p a ra el N a+ cesa (el m ovim iento de los iones continúa, pero la m ism a cantidad de N a+ en tra y sale de la célula, luego no hay cam bio neto en la distribución de iones). Por el contrario, la a p e rtu ra de los canales de K+ produce h ip erp o lari zación (Figura 5.5b). El p otencial de equilibrio p a ra el K+ es de - 9 0 mV, todavía m ás negativo que el potencial de m em b ran a en reposo de - 7 0 mV. C uando los canales de K+ se abren, los iones K+ tien d en a salir de la célula, haciendo el in terio r de la célula m ás negativo, h a s ta que la m em b ran a se h a hip erp o larizad o desde el potencial de m em b ra n a en reposo de - 7 0 mV h a s ta - 9 0 mV en el que el m ovim iento neto de K+ cesa.
Los potenciales graduados son señales a corta distancia Los potenciales grad u ad o s p u eden viajar a través de la célula, pero dism inuyen en fuerza a m edida que se alejan del canal iónico abierto; este fenóm eno se
conoce con el nom bre de conducción con decre m ento. La Figura 5.6 m u estra u n a n eu ro n a con un canal de N a+ dependiente de ligando en la m em b ran a. Cuando el neuro tran sm iso r (el ligando) se une al canal dependiente de ligando, el canal se abre y el Na+ en tra a la célula. La en trad a de N a+ produce u n a despolarización local en u n a p equeña áre a de la m em b ran a que ro d ea al canal abierto. E sta carga positiva se expande a través del citoplasm a, gene rando la despolarización de la m em brana, fenó m eno este denom inado expansión electrotónica de la corriente. La extensión de la despolarización dis m inuye a m edida que se aleja m ás y m ás de los can a les abiertos, tal como las ondas en un estanque dism inuyen su fuerza a m edida que se alejan de su origen. La señal se conduce, pero a m edida que viaja se hace m ás y m ás débil. En el caso de las ondas en el estanque, éstas dism inuyen en tam año con la dis tancia debido a la resistencia de fricción del agua. Como verem os con m ayor detenim iento m ás ad e lante en este capítulo, m uchas características de las neuronas influyen en la razón de que los potenciales graduados dism inuyan a m edida que viajan a través de la célula, incluyendo la p érdida de los iones car gados a través de la m em b ran a celular, la resistencia eléctrica del citoplasm a y las propiedades eléctricas de la m em b rana. Como resultado de estas caracte rísticas, aunque los potenciales graduados pueden viajar u n a distancia corta desde las dendritas hasta el cono axónico, no p ueden viajar distancias m ás largas sin desaparecer. Debido a que los potenciales graduados no pue den transm itirse a largas distancias sin degradarse, las neu ro n as utilizan otro tipo de señal eléctrica, el potencial de acción, p a ra transm itir la inform ación a largas distancias de m ás de unos pocos m ilímetros. Los potenciales de acción son disparados po r el potencial graduado en la m em brana del cono axó nico. El cono axónico se denom ina, a veces, la zona de disparo de la neurona porque, de algún modo, actúa como el gatillo de u n a pistola. Si se aprieta el gatillo de u n a pistola suficientem ente fuerte, la pis tola d isparará. Si no se aprieta suficientem ente, la pistola no d isparará. Del m ism o modo, si el potencial graduado hace que el potencial de m em brana del cono axónico se despolarice po r encim a del p o te n cial um bral, el axón “d isp a rará” un potencial de acción (Figura 5.7). En m uchas neuronas, el poten cial um bral es aproxim adam ente de - 5 5 mV. Por lo tanto, el cono axónico debe despolarizarse m ás de 15 mV desde el potencial de m em brana en reposo de - 7 0 mV p a ra iniciar un potencial de acción. Un
C A P ÍTU LO 5
Estructura y función de la neurona
potencial graduado que no es lo sufi (T ) El neurotransmisor se une al cacientem ente grande p a ra disparar J nal Na+ dependiente de ligando. u n potencial de acción se denom ina p otencial subum bral. Los potencia EI Na+ entra a la célula a través del canal abierto. les graduados que son incluso m ás g randes de lo necesario p a ra dis ( i) La corriente se expande p a ra r un potencial de acción reciben Y a través de la célula. el nom bre de potenciales supraumbrales. Debido a que el cono axónico debe alcan zar el potencial um b ral p a ra g en erar u n potencial de acción, los potenciales graduados p u ed en bien au m en tar o bien dism i n u ir la prob ab ilid ad de que un potencial de acción se d ispare en el axón. Un potencial grad u ado despo larizan te cam bia el potencial de m em b ran a del cono axónico hacia u n valor m ás cercano al potencial Distancia desde el lugar donde se abre el canal (mm) um bral. Un potencial graduado hip erp o larizan te aleja el potencial del cono axónico del valor de p o ten cial um bral. Un potencial graduado Fig u ra 5.6. C o n d u c c ió n con d e c re m e n to . desp o larizan te se d enom ina p o te n cia l ex cita to r io porque hace que el potencial de acción o cu rra con m ás acción sea m enos probable (aleja el potencial de p robabilidad, ya que acerca el potencial de m em m em b ran a del potencial um bral) y se denom ina b ra n a al valor del potencial um bral. Un potencial p o te n c ia l in h ibitorio. g rad u ad o h ip erp o larizan te hace que el potencial de
f
_
^ +30 E, ce +10 03
-10 Despolarización subumbral
-30
1 Potencial umbral
-50
E o
- 10 Despolariza-30 - ción umbral
-90
16 O -50 B S. —70
110
-90
Potencial de membrana en reposo
1 1 l
\
i
0
1
3 4 Tiempo (ms)
(a) Potencial graduado subumbral Fig u ra 5.7.
1 1 1
0
1
J
\
i
i
2
Potencial umbral
\ Potencial de membrana en reposo
i
3
i
4
Tiempo (ms) (b) Potencial graduado supraumbral
P o te n c ia le s s u b u m b ra l y s u p ra u m b ra l.
El potencial de m em brana en reposo de la mayoría de las neuronas es alrededor de - 7 0 mV y el potencial um bral es de - 5 5 mV. Los potenciales graduados subum brales (menos de + 15 mV) no disparan el potencial de acción. Los potenciales graduados que están en o por encim a del potencial um bral (m ayo r que +15 mV) disparan un potencial de acción.
i
5
6
7
163
164 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Los potenciales graduados están integrados para disparar potenciales de acción Las d endritas y el cuerpo celular tienen receptores en m uchos sitios de la m em brana, y cada neurona puede ten er m uchos tipos de receptores y canales iónicos. Por lo tanto, las n eu ronas pueden generar m uchos potenciales graduados sim ultáneam ente. Los potenciales graduados desde los diferentes sitios p ueden interaccionar entre sí p a ra influir en la carga n eta en el potencial de m em brana en el cono axó nico; este fenóm eno se denom ina su m ación e sp a
cial. En el ejemplo de sum ación espacial que se m uestra en la Figura 5.8, un neurotransm isor abre canales de N a+ dependientes de ligando en un a den drita, haciendo que el Na+ entre en la dendrita y des polarice esa zona de la m em brana. En otra dendrita, un neurotransm isor abre canales de K+ dependien tes de ligando, haciendo que el K+ salga de la den drita e hiperpolarice esa zona de la m em brana. Estos potenciales graduados viajan a través de la célula (al m enos en distancias cortas desde las dendritas al cuerpo celular), donde interactúan. En este ejemplo no hay cambio en el potencial de m em brana en el cono axónico a p esar de los cam bios en el potencial
*7
X _____ Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
Cuerpo celular de la neurona
^Sumación espacial
l l F igura 5.8.
S u m ación e s p a c ia l.
Los potenciales graduados producidos en diferentes sitios pueden interactuar para in flu ir en el cam bio neto del potencial de m em brana en el cono axónico. Cuando un neu rotransm isor se une a u n canal de Na+ dependiente de ligando en la dendrita A, se abre el canal, y la m em brana plasm ática de esta re gión se despolariza. Sim ultáneam ente, un neu rotransm isor diferente se une al canal de K+ dependien te de ligando en la dendrita B, se abre el canal y la m em brana plasm ática de esta zona se hiperpolarlza. A m bos potenciales graduados viajan electrotónicam ente a través de la célula e interactúan en el cono axónico. En el ejem plo que se m uestra aquí, cada potencial graduado anula al otro, no generándose un cam bio neto de carga en el potencial de m em brana del cono axónico.
Tiempo (ms)
C A P ÍTU LO 5
de m em b ran a en las dendritas, porque el cam bio en el potencial de m em b ran a provocado po r el movi m iento de N a+ en la célula de u n a dendrita se equili b ra exactam ente con el cambio en el potencial de m em b ran a que produce la salida de K+ en la otra dendrita. Por consiguiente, el cambio neto en el potencial de m em b ran a en el cono axónico refleja las fuerzas relativas de las señales en las dendritas. Las despolarizaciones que ocurren en dos tiem pos ligeram ente distintos tam bién pueden com bi n arse p a ra determ in ar el cambio neto del potencial de m em b ran a en el cono axónico, fenómeno cono cido como su m ación tem p oral (Figura 5.9). Consi derem os dos despolarizaciones Et y E2, cada u n a de 10 mV. Si la despolarización E 2 sucede después de que la despolarización E, se disipe, entonces la m áxim a despolarización es 10 mV, que no es sufi ciente p ara d isp a rar el potencial de acción. Por el contrario, si la despolarización E, ocurre antes que la Ej se haya disipado, las dos despolarizaciones se solapan y producen u n aum ento de la despolariza ción neta en u n m áxim o de 20 mV, disparándose el potencial de acción. El cono axónico actúa como un punto de decisión p ara la neurona. La neurona disparará un potencial de acción en el axón solamente si la combinación de todos los potenciales graduados en las dendritas y el cuerpo celular provoca en el cono axónico una despolariza ción por encim a del um bral. La sum ación espacial y la sum ación tem poral de los potenciales graduados p e r m iten a la neurona integrar las entradas de muchos estímulos diferentes, y determ inar si el cono axónico está despolarizado por encima del um bral y si se dis p arará un potencial de acción en el axón.
Estructura y función de la neurona
t
t
Estímulo
Estímulo Tiempo (ms)
(a) No sumación
t
t
Estímulo Estímulo Tiempo (ms) (b) Sumación temporal que produce un potencial de acción Figura 5.9.
Señales en el axón Los potenciales de acción pueden ser transm itidos a través de distancias largas sin degradarse, y se dife rencian de los potenciales graduados en m uchos aspectos (Tabla 5.1). Los potenciales de acción tienen tres fases: u n a fa s e de despolarización, u n a fa s e de repolarización y u n a fa s e de posthiperpolarización (Figura 5.10a). La fase de despolarización del poten cial de acción se dispara cuando el cono axónico alcanza el um bral (como resultado del potencial gra duado neto en el cono axónico). Una vez que se alcanza el um bral en el cono axónico, la m em brana del axón adyacente se despolariza rápidam ente y al canza u n potencial de m em brana positivo de + 30 mV. La fase de despolarización se continúa con
S u m ación te m p o ra l.
Los poetenciales graduados que se dan en tiem pos ligera m ente distinto s pueden interactuar para in flu ir el potencial graduado neto, (a) Despolarizaciones subum brales (Eny E2) de 10 mV que no se superponen en el tie m p o no disparan el potencial de acción, (b) Despolarizaciones subum brales que se dan en tiem pos ligeram ente distinto s pueden sum arse, si se superponen en el tiem po. Si el cam bio neto en el potencial de m em brana excede el um bral, dispararán un potencial de acción.
una fase de repolarización, durante la cual el poten cial de m em brana vuelve rápidam ente a su valor de reposo. Después de la repolarización, el potencial de m em brana se hace todavía m ás negativo que el potencial de m em brana en reposo y puede alcanzar el potencial de equilibrio p a ra el K+. La duración y el
165
166 PR IM E R A PARTE
Tabla 5 .1 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
D ife re n c ia s e n tre los p o te n c ia le s gra d u a d o s y los p o te n c ia le s de a c c ió n .
Potenciales graduados
Potenciales de acción
Varían en m agnitud
Siempre la m ism a magnitud (en u n a célula dada)
Varían en duración
Siempre la m ism a duración (en u n a célula dada)
Decaen con la distancia
Pueden ser transm itidos a larga distancia
Ocurren en las dendritas y el cuerpo celular
Ocurren en los axones
Causados p or la apertura y cierre de m uchos tipos de canales iónicos
Causados por la ap ertu ra y cierre de m uchos tipos de canales iónicos activados p o r voltaje
Periodo Periodo refractario refractario absoluto relativo
t Estímulo
(b)
Tiempo (ms)
Figura 5.10. Fases de un potencial de acción típico. (a) Cam bios en el potencial de m em brana durante el potencial de acción, (b) Cam bios en la perm eabilidad de la m em brana durante el potencial de acción.
tam año de esta fase de posthiperpolarización varían m ucho entre las neuronas; norm alm ente la duración oscila entre 2 y 25 m s, h asta que la m em brana vuelve a su valor de potencial de m em b ran a en reposo. La capacidad del axón de producir nuevos potenciales de acción v aría d u ran te las fases de un potencial de acción. D urante el p eriod o refractario ab solu to, que coincide con las fases de despolariza ción y repolarización, el axón es incapaz de g enerar u n nuevo potencial de acción, independientem ente de lo fuerte que sea el estím ulo. D urante el periodo refractario relativo, que coincide con la fase de posthiperpolarización, puede gen erarse un nuevo potencial de acción, pero solam ente si el estím ulo es muy grande.
Los canales dependientes de voltaje producen el potencial de acción La ap ertu ra y el cierre de los ca n a les d ep en d ien tes de voltaje producen las fases características de un potencial de acción. De la m ism a m an era que la unión de un neurotransm isor cam bia la form a de un canal iónico dependiente de ligando, los cam bios en el potencial de m em brana cam bian la form a de los canales iónicos dependientes de voltaje, perm itiendo que los iones se m uevan a través de la m em brana. Ya que existe cierta variabilidad en los canales iónicos im plicados en el potencial de acción en los axones de las diferentes especies, aquí nos centram os en el modelo desarrollado p a ra el axón del calam ar gigante. El axón del calam ar gigante, del que tra ta re m os m ás adelante en este capítulo, envía señales desde el sistem a nervioso central al músculo de la cavidad del m anto y es un modelo de sistem a crítico p ara el desarrollo y el entendim iento del potencial de acción. La ap ertu ra de los canales de Na* dependien tes de voltaje inicia la fase de despolarización del potencial de acción, y la apertura de los canales de K* dependientes de voltaje inicia la fase de repolariza ción en el axón gigante del calamar. Cuando el poten cial de m em brana en el cono axónico se aproxim a al potencial um bral (generalm ente - 5 5 mV), los canales de N a+ dependientes de voltaje en el cono axónico com ienzan a abrirse, cam biando la perm eabilidad de la m em brana a los iones Na+ (Figura 5.10b), lo que perm ite que los iones Na+ se m uevan a través de la m em brana. La probabilidad de que un canal de Na+ dependiente de voltaje se ab ra (denom inada probabi lidad de apertura de un canal) depende del tam año del potencial graduado. Un potencial graduado excitatorio que despolariza la m em brana hacia el canal
C A P ÍTU LO 5
um bral aum enta la probabilidad de que un canal de N a+ dependiente de voltaje se abra. Por consiguiente, en el potencial um bral, estarán abiertos m ás canales de N a+ dependientes de voltaje que cuando el cono axónico está en el potencial de m em brana en reposo, aum entando la perm eabilidad de la m em brana a lN a +. La en trad a de Na+ desde los prim eros canales de Na+ dependientes de voltaje que se ab ren en res puesta al potencial graduado, hace probable que se despolarice la región local de la m em brana, que hace m ás probable que los canales de N a+ dependientes de voltaje se ab ran , aum entando aún m ás la perm ea bilidad de la m em b ran a y perm itiendo que en tren a la célula cada vez m ás iones Na+. Esta retroalim enta ción positiva de la en trad a de Na+ se refuerza a sí m ism a, provocando un cambio extrem adam ente rápido a la perm eabilidad de la m em b ran a al N a+ que se m u estra en la Figura 5.10b, y apoyando la ráp id a fase de despolarización del potencial de acción. La densidad de los canales de Na+ dependien tes de voltaje en la m em b rana debe ser alta p a ra que el m ecanism o de retroalim entación positiva del potencial de acción funcione. Como los canales de Na+ dependientes de voltaje norm alm ente sólo están en alta concentración en el axón, los potenciales de acción generalm ente se dan en el axón, no en el cuerpo celular o en las d endritas de las neuronas. Si los canales de Na+ dependientes de voltaje se q u ed aran abiertos indefinidam ente, los iones Na+ en trarían en la célula h asta que el potencial de m em b ra n a alcanzara aproxim adam ente + 60 mV (el potencial de equilibrio p a ra el N a+). Sin em bargo, poco antes de que la m em brana alcance este punto, los canales de Na+ dependientes de voltaje se cie rra n , y se term in a la fase de despolarización del potencial de acción. A dem ás de increm entarse la probabilidad de que se ab ran los canales de N a+ dependientes de voltaje, la despolarización um bral de la m em b ran a en el cono axónico au m en ta la probabilidad de que los canales de K+ se ab ran . Pero los canales de K+ dependientes de voltaje se ab ren m ás lentam ente que los canales de N a+ dependientes de voltaje. De hecho los canales de K+ dependientes de voltaje se em pie zan a ab rir de m an era sustancial justo antes de que los canales de Na+ dependientes de voltaje se hayan cerrado. Cuando los canales de K+ dependientes de voltaje se abren, la perm eabilidad de la m em b ran a a los iones K+ au m en ta (Figura 5.10b), y los iones K+ salen de la célula p o r la fuerza electrom otriz, haciendo el in terio r de la m em brana m ás negativo y
Estructura y función de la neurona
produciéndose la fase de repolarización del potencial de acción. La diferencia entre el tiem po que les cuesta a los canales de N a+ dependientes de voltaje abrirse frente al tiem po de los canales de K+ depen dientes de voltaje en respuesta a u n a despolarización um bral explica po r qué la repolarización ocurre des pués de la despolarización. Después de la fase de repolarización, los canales de K+ dependientes de voltaje se cierran lentam ente, y pueden perm anecer abiertos incluso después de que la m em brana haya alcanzado su potencial de m em brana en reposo de aproxim adam ente - 7 0 mV. Como el potencial electroquím ico p a ra el K+ es de - 9 0 mV, los iones siguen saliendo de la célula hasta que la m em brana está ligeram ente hiperpolarizada, m ientras los canales continúen abiertos, se produce la fase de posthiperpolarización de los potenciales de acción como los del axón gigante del calamar.
Los canales de Na+dependientes de voltaje tiene dos compuertas La Figura 5.11 resum e el modelo de los cambios en la conformación de los canales de N a+ dependientes de voltaje durante el potencial de acción. Cuando la m em brana de la neurona está en su potencial de m em brana en reposo, hay una probabilidad alta de que un canal de Na+ dependiente de voltaje esté cerrado, p ara im pedir el movimiento de iones Na+ a través de la m em brana. Cuando el potencial de m em bran a en el cono axónico alcanza el potencial um bral, la probabilidad de que el canal se abra aum enta enor m em ente. P ara abrirse, los canales de Na+realizan un cambio conformacional que abre la com puerta de activación, perm itiendo que los iones Na+ se m uevan a través de la m em brana. A m edida que el Na+ entra en la célula, se abren cada vez m ás canales de Na+ dependientes de voltaje, y el potencial de m em brana del axón se hace rápidam ente m enos negativo, despo larizando la célula hacia el potencial de equilibrio para los iones Na+ (aproxim adam ente + 60 mV). A m edida que el potencial de m em brana se aproxim a al poten cial de equilibrio p ara el Na+, el gradiente electroquí mico que actúa como la fuerza m otriz p a ra el m ovimiento de Na+ disminuye y el Na+ entra lenta m ente. M ientras tanto, en el canal se produce un cam bio conform acional dependiente de tiempo, que cierra la com puerta de inactivación. Con la com puerta de inactivación cerrada no puede entrar m ás N a+ a la célula, por lo que finaliza la fase de despolarización del potencial de acción. Después de m ilisegundos en respuesta a cam bios en el potencial de m em brana
167
168 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Líquido extracelular Na+
Cuando la neurona está en el potencial de membrana en reposo la compuerta de activación cierra los canales de Na+ dependientes de voltaje, lo que previene la entrada de Na+.
Na+
Citoplasma
Compuerta de inactivación
( 2) Un potencial graduado despolarizante supraumbral ocasiona la apertura de la compuerta de activación, lo que permite la entrada de Na+ a la célula.
Na+®
f
Na+ O
f
Na+ 4
La entrada incrementada de Na+ despolariza más la célula, abriendo aún más canales de Na+ dependientes de voltaje en un ciclo de retroalimentación positiva, ocasionando la fase de repolarización rápida del potencial de acción.
Na+ ®
SI 1l_ f
1 Na+ # v>_ y
F ig u ra 5.11.
Na+ #
✓
(í)
Na+
-I |_|j
La compuerta de inactivación de los canales se cierra conforme la membrana alcanza los +30 mV, lo que evita la entrada de Na+.
( 5) Con el paso del tiempo, en ^ respuesta a la repolarización rápida de la membrana los canales vuelven a su estado original.__________________
M o d e lo de fu n c io n a m ie n to de los c a n a le s de N a + d e p e n d ie n te s de v o lta je .
producidos por las acciones de los canales de K+ dependientes de voltaje, la com puerta de inactivación se vuelve a abrir y el canal retorna a su conformación inicial (com puerta de activación cerrada, com puerta de inactivación abierta), preparado p ara iniciar otro potencial de acción. La Figura 5.12 resum e la relación entre los cana les de N a+ dependientes de voltaje y los de K+ y cómo generan el potencial de acción. Cuando el cono axó nico se despolariza por encim a del valor um bral, tanto los canales de Na+ como los de K+ reciben una señal
p ara abrirse. Los canales de Na+ dependientes de vol taje se abren muy rápidam ente y perm iten que el Na+ entre en la célula, produciendo m ayor despolariza ción. Este aum ento en la despolarización hace que m ás canales de N a+ se abran, causando aun m ayor despolarización en un ciclo de retroalim entación posi tiva. A m edida que el cono axónico se aproxim a al potencial de equilibrio p ara el Na+, la entrada de Na+ se hace m ás lenta y los canales de Na+ dependientes de voltaje se cierran, lo que evita u n a m ayor entrada de Na+, y fmaliza esta cascada por retroalim entación
C A P ÍTU LO 5
Fig u ra 5.12.
R e la c ió n e n tre los c a n a le s de N a + d e p e n d ie n te s de v o lt a je y los
c a n a le s de K + d u ra n te un p o te n c ia l de a c c ió n .
Un potencial graduado despolarizante supraum bral estim ula la apertura de los ca nales de Na+ y K+. Los canales de Na+ se abren inm ediatam ente, y el flu jo resultante de Na+ hace que m uchos más canales de Na+ se abran en un ciclo de retroalim enta ción positiva. Los canales de K+ se abren más lentam ente, estando com pletam ente abiertos en el tie m p o en que los canales de Na+ se cierran y provocando un flu jo de salida de K+ que repolariza la m em brana. Los iones K+ continúan abandonando la célula y causan una hiperpolarización de la m em brana. Tanto la repolarización com o la hiperpolarización elim inan el estím ulo de apertura de los canales de K+ y hacen que éstos se cierren.
positiva de la fase despolarizante del potencial de acción. Aproxim adam ente al mismo tiempo los cana les de K+ dependientes de voltaje com ienzan a abrirse, el K+ sale de la célula y el lado intracelular de la m em b ran a se hace m ás negativo, iniciándose la fase de repolarización del potencial de acción. Al final del potencial de acción, algunos iones Na+ h an entrado a la célula y otros h an salido de ella,
Estructura y función de la neurona
dejándola en una situación ligera m ente distinta a su punto de partida. De la exposición anterior, podríam os pen sar que a través de la m em brana se m ueve un a gran cantidad de iones durante el potencial de acción. En realidad, el núm ero de iones que se mueven a través de la m em brana es extrem adam ente pequeño com parado con el núm ero total de iones en el líquido intracelular y extracelu lar. Como resultado, los cam bios en el potencial de m em brana durante el potencial de acción no están asocia dos con cambios significativos en las concentraciones iónicas dentro y fuera de la célula. Sin em bargo, au n que solam ente u n a pequeña canti dad de iones se m ueven a través de la m em brana durante un único potencial de acción, miles de poten ciales de acción repetidos harían que los gradientes p a ra el Na+ y el K+ de la m em brana celular en reposo se disiparan cam biando el potencial de m em brana en reposo de la célula, a no ser que los gradien tes iónicos se restablecieran. Como podríam os esperar por su papel de establecer el potencial de m em b ran a en reposo, la bom ba de Na+/K+ ATPasa, como ya com enta m os en el Capítulo 3, desem peña un papel fundam ental en el restableci m iento de los gradientes iónicos después de que se produzcan poten ciales de acción repetidos.
Los potenciales de acción transmiten señales a larga distancia
H asta este m om ento, hem os des crito cómo se genera un potencial de acción en el cono axónico, pero aún no hem os considerado cómo los potenciales de acción viajan a lo largo del axón. P ara que las señales eléctricas p u e dan reco rrer largas distancias, es crucial un a propie dad del potencial de acción que algunas veces se denom ina "todo o nada". Los potenciales de acción se describen como fenóm enos todo o n a d a porque, un a vez que se h a iniciado un potencial de acción
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170 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
(abriéndose suficiente núm ero de canales de N a+ dependientes de voltaje), siem pre llega hasta el final; n u n ca se p a ra en m edio del camino o falla en alcan z a r su pico de despolarización. Pero ¿cómo esta pro p iedad hace que los potenciales de acción viajen a lo largo del axón, h asta alcanzar grandes distancias? De hecho, u n único potencial de acción no viaja realm ente a lo largo del axón. En realidad, un poten cial de acción en u n a p arte del axón dispara otros potenciales de acción en zonas adyacentes de la m em b ran a axónica. La transm isión de un potencial de acción es sim ilar a lo que ocurre cuando se vuelca la prim era ficha en u n a línea larga de dominós. La p rim era ficha volcada hace que la siguiente se caiga, la cual a su vez golpea a la siguiente, y así sucesiva m ente h asta el final de la línea. En las neuronas, el p rim er potencial de acción en el cono axónico hace que otro potencial de acción se dé en un punto m ás alejado del axón, y así sucesivam ente hasta el term i n al axónico. Igual que la últim a ficha de dom inó que cae es idéntica a la prim era, el último potencial de acción en el term inal axónico es idéntico al prim ero que se dio en el cono axónico. Por lo tanto, los poten ciales de acción se tran sm iten a grandes distancias sin disminuir. La Figura 5.13 resum e el m ecanism o de la con ducción del potencial de acción a lo largo del axón. D urante u n potencial de acción, los iones N a+ que en tran a través de los canales de Na+ dependientes de voltaje despolarizan justo la p arte de la m em b ra n a que rodea el canal. Esta despolarización puede expandirse por el axón p o r propagación de la corriente electrotónica, de la m ism a m an era que las despolarizaciones asociadas a los potenciales gra duados pueden expandirse a través de las dendritas y el cuerpo celular. Cuando la m em b ran a de la región adyacente al axón alcanza el potencial um bral, los canales de N a+ dependientes de voltaje en esta región se ab ren y d isp aran un nuevo potencial. El ciclo de la en trad a de iones, la expansión de la corriente y el disparo del potencial de acción conti n ú an a lo largo del axón desde el cono axónico h asta el term inal axónico, lo que produce u n a onda de des polarización que se extiende a lo largo del axón. Por lo tanto, la conducción del potencial de acción por el axón rep re sen ta u n a com binación de potenciales de acción en puntos específicos del axón y flujos locales iónicos y corrientes eléctricas en el axón que dispa ra n el potencial de acción a lo largo del axón. Debido a la natu raleza todo o n ad a del potencial de acción, cada potencial de acción que se g enera a lo largo del axón es esencialm ente idéntico a todos los potencia
les de acción que se dan en el axón. De este m odo, las señales eléctricas pueden ser transm itidas a grandes distancias po r el axón sin degradarse.
Las neuronas motoras de los vertebrados están mielinizadas Los axones de las neuronas m otoras de los v erteb ra dos están envueltos en u n a vaina aislante de m ielina (Figura 5.14). Las células especializadas ricas en lípi dos denom inadas célu la s de Schw ann form an una vaina de m ielina que envuelve el axón de la neurona de m an era espiral. Las células de Schw ann son un tipo de un grupo grande de células que se conocen colectivam ente como célu la s g lia les, sobre las que tratarem os m ás adelante en este capítulo. Muchas células de Schw ann pueden envolver axones largos, separados por áreas de m em b ran a axónica expuesta denom inadas nod os de R anvier que contienen una gran densidad de canales dependientes de voltaje. Por el contrario, las regiones m ielinizadas de los axo nes se denom inan in tern odos. En los axones mielinizados, la corriente se expande electrotónicam ente a través de los internodos, m ientras que los potencia les de acción se dan únicam ente en los nodos de Ran vier. Este tipo de propagación del potencial de acción se denom ina conducción saltatoria, de la p alabra latina saltare (saltar o bailar), ya que el potencial de acción parece saltar de nodo a nodo a lo largo del axón. Como describirem os con m ás detalle m ás ad e lante en este capítulo, la conducción saltatoria, au n que todo lo dem ás sea igual, a lo largo del axón m ielinizado es m ás ráp id a que la conducción a través de un axón no m ielinizado. Esto se debe a que las corrientes electrotónicas pueden viajar m ás lejos con m enor degradación a través de los internodos que a través de u n a región equivalente de un axón no m ie linizado, y la expansión de la corriente electrotónica es m ucho m ás rápida que la generación de un poten cial de acción.
Los axones conducen los potenciales de acción unidireccionalmente Si se estim ulara eléctricam ente el punto medio longi tudinal de un axón, los potenciales de acción se gene ra ría n en las dos direcciones (hacia el cono axónico y hacia la term inal axónica). En un potencial de acción natural, sin em bargo, el estímulo siem pre com ienza en el cono axónico y viaja hacia la term inal axónica, con poca o ninguna conducción en la dirección con traria. Si la despolarización se genera por la en trada
C A P ÍTU LO 5
D
m
3G mV| I. +3D
|-~1D mV|
Líquido extracelular Canales de Na+ a+ dependientes\ \ de voltaje
L NaNa+
Estructura y función de la neurona
ja ||-~ID -~ID mV| mVl
p)::::p:r :::pr
( i ) EkDotencial de acción se da en R en la membrana a medida que el Na+ entra a través de los canales de Na+ dependientes de voltaje.
Citoplasma
□ 1-55 mV
Ní
+ + + - ”
-
+
"
^
- 1 0 mV
~ = + + H ~ + - - -
□
□
□
1+ 30 mVl
I-1G mVl
a+ + + + + +
-
- -
-
-
2 ) La corriente local despolariza las áreas adyacentes de la membrana hacia el valor umbral.
+ + -
- - -
-
~-m_J
I 1 (4
-
+ + ^_
+ + + W —■+ +- + + _ - 1 - -
i n + + + + +
( 3) Cuando la corriente local alcanza el umbral, los canales de Na+ dependientes de voltaje en Q se abren, y se inicia un potencial de acción. Los canales en Q son inactivados y, por tanto, entran en el periodo refractario.
______
( 4 ) La corriente local despolariza la porción adyacente de la membrana, y el potencial de acción se propaga por el axón.
F ig u ra 5.13.
C o n d u c c ió n d e l p o te n c ia l de a c c ió n .
El Na+ que entra al axón a través de canales dependientes de v oltaje in duce una despolarización lo cal. Esta despolarización local se propaga a lo la rgo del axón a través de la conducción electrotónica disparando potenciales de acción adicionales. Este proceso de corriente electrotónica se propaga, y se inician potenciales de acción a lo la rgo del axón hasta su term in al. Cada potencial de acción es esencialm ente sim ila r a su precedente, dando lugar a una conducción sin decrem ento.
de N a+ a través de los canales de N a+ dependientes de voltaje que se en cu en tran distribuidos por todo el axón, ¿por qué los potenciales de acción se d an úni-
cam ente hacia delante (hacia el term inal axónico) en lugar de propagarse hacia el cono axónico? Si se exam ina un potencial de acción n atu ral (que com enzó en
171
172 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Nodos de
Cuerpo celular
Axón
reseteado y son capaces de iniciar un nuevo potencial de acción, pero estos nuevos potenciales son m ás difíciles de g enerar porque la m em brana está hiperpolarizada. Como resultado, se necesita u n a despolarización m ayor p ara alcanzar el um bral. Solam ente u n estímulo muy fuerte puede p rodu cir un potencial de acción d urante el periodo refractario relativo. Juntos, los periodos refractarios absoluto y relativo hacen que no se produzca la transm isión retrógrada de los poten ciales de acción.
La frecuencia de los potenciales de acción aporta información Célula de Schwann
Vaina de mielina (sección transversal)
¿Cómo puede u n a señal todo o n ada como el potencial de acción ap o rtar F ig u ra 5.14. E s tru c tu ra de a v a in a de m ie lin a . inform ación sobre la fuerza de un Las células de Schwann envuelven al axón m uchas veces, aislándolo y form and o potencial graduado en el cuerpo la vaina de m ielina. La vaina de m ielina es in terrum p ida a intervalos regulares por celular? Los potenciales de acción los nodos de Ranvier, que son áreas de axón desm ielinizado. transm iten inform ación cam biando su frecuencia en lugar de su am pli el cono axónico y se está transm itiendo hacia el ter tud. Como se m u estra en la Figura 5.15, un estímulo m inal axónico) en cualquier punto de la m em brana, subum bral no dispara un potencial de acción, m ien la región inm ediatam ente an terior al punto que se tras que un estímulo um bral breve puede d isp arar un está observando debe h ab er producido un potencial único potencial de acción. Si el estím ulo um bral dura de acción recientem ente (ya que los potenciales de m ás tiem po que los periodos refractarios absolutos y acción se inician en el cono axónico). Como resul relativos, se d an potenciales de acción adicionales. tado, los canales de N a+ dependientes de voltaje en la D urante el periodo refractario relativo, un nuevo región an terio r del axón están en u n a conformación potencial de acción puede ser disparado si un estí en la que son incapaces de ab rirse en respuesta a un mulo m ayor hace que el potencial de m em brana cam bio en el potencial de m em brana (con la com alcance el um bral a p esar de su estado inicial hiperp u erta de activación ab ierta y la de inactivación polarizado. Por lo tanto, un estím ulo supraum bral cerrada, como se ilustra en la Figura 5.11, paso 4). puede d isp a rar potenciales de acción con m ayor fre D urante este tiem po, que se corresponde con el cuencia perm itiendo que se den potenciales de periodo refractario absoluto (Figura 5.10), los can a acción d urante el periodo refractario relativo. Debido les de Na+ dependientes de voltaje son incapaces de a que la frecuencia del potencial de acción está rela g en erar potenciales de acción adicionales. Esto evita cionada con la fuerza del estímulo, las neuronas pu e la transm isión hacia atrá s (retrógrada) de los poten den utilizar u n a señal todo o nada, el potencial de ciales de acción. El periodo refractario absoluto tam acción, p ara inform ar sobre la fuerza de la señal. La bién evita la sum ación de los potenciales de acción, frecuencia m áxim a a la que pueden g enerarse los porque un nuevo potencial de acción solo puede pro potenciales de acción está lim itada por la duración ducirse u n a vez que h a concluido el periodo refracta del periodo refractario absoluto, durante el cual no rio absoluto. pueden producirse nuevos potenciales de acción Después del periodo refractario absoluto, la independientem ente de la fuerza de la señal. En la m em b ran a en tra en periodo refractario relativo m ayoría de las neuronas de m am íferos, la frecuencia (Figura 5.10). D urante el periodo refractario relativo, de generación m áxim a es de aproxim adam ente 500los canales de N a+ dependientes de voltaje se han 1 .000/s.
C A P ÍTU LO 5
Estructura y función de la neurona
com partim entos form an la sinapsis. Las neuronas pueden form ar sinapsis consigo m ism as, con otras neuronas y con m uchos otros tipos de células postsinápticas, incluyendo las células m usculares y endo crinas. La sinapsis entre u n a n eu ro n a m otora y la célula m usculoesquelética que describirem os en detalle en esta p arte del capítulo se denom ina unión neu rom uscu lar.
t Estímulo subumbral
t
♦
Estímulo umbral breve
Estímulo umbral sostenido
(a) Un estímulo débil dispara potenciales de acción a baja frecuencia
*
#
Estímulo umbral sostenido
Estímulo supraumbral sostenido
(b) Un estímulo supraumbral dispara potenciales de acción a alta frecuencia Fig u ra 5.15.
F re c u e n c ia de los p o te n c ia le s de a c c ió n .
La frecuencia de los potenciales de acción se relaciona con la frecuencia del estím ulo, (a) Un estím ulo débil dispara poten ciales de acción de baja frecuencia, (b) Un estím ulo sostenido supraum bral dispara potenciales de acción más frecuentes. Un estím ulo supraum bral suficientem ente grande puede dis parar un nuevo potencial de acción durante el periodo refrac tario relativo del potencial de acción previo. La frecuencia m áxim a en los potenciales de acción está lim itada por el periodo absoluto de los canales de Na+ dependientes de voltaje.
Señales a través de la sinapsis Una vez que el potencial de acción alcanza el term i n al axónico, la cu arta zona funcional im portante de la n eurona, la n eu ro n a debe tran sm itir la señal tran sm itid a p o r el potencial de acción m ediante la sinapsis a la célula diana. La célula que transm ite la señal se denom ina célu la p resin áp tica, y la célula que recibe la señal se llam a célu la p ostsin áp tica. El espacio en tre la célula presináptica y postsináptica se denom ina h en d idu ra sin áp tica. Juntos, estos tres
El Ca2+ intracelular regula la liberación del neurotransmisor Mucho de lo que se sabe sobre los sucesos bioquím i cos en la sinapsis ha sido aprendido en el estudio de la unión neurom uscular. El m ecanism o de la tra n s m isión sináptica en la unión neurom uscular se des taca en la Figura 5.16. Cuando un potencial de acción llega a la m em b ran a de la term inal axónica p resin áp tica de la unión neurom uscular, la despolarización resultante dispara la ap ertu ra de los canales de Ca2+ dependientes de voltaje en la m em brana celular de la term inal axónica. La concentración de Ca2+ dentro de la neurona es m ucho m ás baja que la concentra ción de Ca2+ fuera de ella, el potencial de equilibrio p a ra el Ca2+ es de + 130 mV y el potencial de m em b ra n a en reposo es de - 7 0 mV. Por lo tanto, tanto el gradiente de concentración como el eléctrico fuerzan el movim iento de Ca2+ hacia el interior de la célula. El aum ento resultante de la concentración de Ca2+ den tro de la célula en el term inal axónico actúa como señal p a ra las v esícu la s sin áp ticas que contienen el neurotransm isor. E stas vesículas no están distribui das aleatoriam ente en la sinapsis. E stán en cambio agrupadas en al m enos dos grupos distintos: un grupo p reparado p ara liberarse y un grupo de alm a cenam iento. El grupo de vesículas prep arad o p ara liberarse se localiza en la zona activa de la sinapsis, unido a proteínas de anclaje de la m em b ran a sináp tica, p reparado p a ra liberar sus contenidos por exocitosis. El grupo de alm acenam iento, por el con trario, consiste en vesículas unidas al citoesqueleto y no ancladas a la m em brana. La señal del Ca2+ hace que las vesículas del grupo p reparado p a ra liberarse se fusionen con la m em brana plasm ática y libere sus contenidos po r exocitosis regulada, en un proceso sim ilar a la liberación de otras m oléculas de señali zación, como se describió en el Capítulo 3. La señal de Ca2+ tam bién hace que las vesículas del grupo del alm acenam iento se m uevan hacia la zona activa de la m em brana plasm ática y se u n a a proteínas de anclaje, p rep arad a pa ra la liberación en los sucesivos potenciales de acción.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Los potenciales de acción llegan a la terminal axónica. Los canales de Ca2+ dependientes de voltaje se abren. El Ca2+ entra en la célula. El Ca2+ señaliza a las vesículas. Las vesículas se mueven a la membrana.
f Neurotransmisor
Las vesículas ancladas liberan el neurotransmisor por exocitosis.
( 7) El neurotransmisor difunde a través de la hendidura sináptlca y se une a sus receptores. - Membrana plasmática de la célula postslnáptica
F ig u ra 5.16.
S u c e s o s en la tra n s m is ió n de la s in a p s is q u ím ic a .
Cada vesícula contiene m uchas m oléculas de neurotransm isor, y el núm ero de m oléculas de n eu ro tran sm iso r dentro de la vesícula es sim ilar en todas las vesículas dentro de u n a neurona. Con un increm ento de la frecuencia en los potenciales de acción, m ás y m ás vesículas se m ueven hacia la m em b ran a y liberan sus contenidos por exocitosis. Como cada vesícula contiene m uchas m oléculas de neurotransm isor, la cantidad de neurotransm isor que u n a vesícula libera au m enta de u n a m anera escalonada (en cada escalón se libera el contenido de cada vesícula), en lugar de producirse un aum ento suavem ente graduado, como ocurriría si el n eu ro tran sm iso r fuera liberado como u n a m olécula cada vez. Este modelo de liberación se denom ina libera ción cuántica del neurotransm isor. Sin em bargo, en condiciones fisiológicas norm ales, la m ayoría de las n eu ro n as liberan m uchas vesículas sinápticas cuando son estim uladas, por lo que la liberación cuántica del neu ro tran sm iso r no es, po r lo general, evidente.
La frecuencia de los potenciales de acción afecta a la liberación del neurotransmisor La cantidad de neurotransm isor liberado en una sinapsis se relaciona con la frecuencia de los poten
ciales de acción en la term inal axónica. Las señales débiles, resultantes de u n a baja frecuencia de los potenciales de acción, provocan m enos vesículas sinápticas que liberen sus contenidos, m ientras que las señales fuertes, que resultan de potenciales de acción de alta frecuencia, provocan un m ayor núm ero de vesículas sinápticas que liberan sus contenidos. Pero ¿cómo se asocia la frecuencia de los potenciales de acción al grado de liberación de neurotransm isor? Después de que llegue un único potencial de acción a la term inal axónica, el Ca2+ entra en la célula a través de los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. Sin em bargo, este Ca2+ se une rápidam ente a tam pones intracelulares o es eliminado del citoplasma por Ca2+ ATPasas, m anteniendo la concentración de Ca2+ baja y lim itando, de esta forma, la liberación de neuro transm isor. Por el contrario, cuando los potenciales de acción llegan a la term inal axónica a u n a alta fre cuencia, los procesos que elim inan el Ca2+ desde la célula no pueden com petir con la en trad a de Ca2+ a través de los canales activados, y la concentración de Ca2+ intracelular aum enta. Este aum ento intracelular de Ca2+ provoca un a señal m ás fuerte p ara la exocito sis. Por lo tanto, la intensidad de la señal que fue codi ficada por la frecuencia de los potenciales de acción es traducida como las diferencias en la cantidad de n eurotransm isor que es liberado por la neurona.
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La acetilcolina es el neurotransmisor primario en la unión neuromuscular de vertebrados Las n eu ro n as m otoras de los vertebrados liberan el neu ro tran sm iso r a cetilco lin a (ACh) en la sinapsis. La ACh se sintetiza en la term inal axónica m ediante la siguiente reacción catalizada po r la enzim a colina acetiltransferasa: Acetil CoA + colina -» ACh + CoA La ACh se em paqueta en vesículas sinápticas y se alm acena h asta que el potencial de acción, cuando llega a la term inal axónica, dispara su liberación (Figura 5.17). La ACh se difunde en hendidura sináp tica y se une a receptores en la m em b ran a de la célula postsináptica. U na enzim a específica de la sinapsis, denom inada acetilcolinesterasa, elim ina el ACh de su receptor, rom piendo la acetilcolina en colina y acetato. La colina es recap tad a po r la neu ro n a p resináptica y reutilizada p a ra form ar ACh, m ien tras que el acetato difunde fuera de la hendi d u ra sináptica.
Estructura y función de la neurona
Las células postsinápticas expresen receptores específicos Las respuestas de las células postsinápticas a los neurotransm isores son sim ilares a las respuestas de las células diana a las horm onas y a otros m ensajeros químicos descritos en el Capítulo 4. Las células post sinápticas detectan los neurotransm isores utilizan do receptores específicos de la superficie celular. Cuando un neurotransm isor se une a su receptor, el receptor cam bia su form a. Este cambio en la form a del receptor actúa como señal en la célula diana. Las células m usculoesqueléticas expresan un tipo de receptor llam ado rece p to res n icotín icos de ACh, denom inados así po r su capacidad pa ra un ir la droga nicotina (el ingrediente activo del tabaco). Los recep tores nicotínicos de ACh son canales dependientes de ligando. Cuando la ACh se une al receptor nicotínico, el receptor cam bia su form a, abriendo un poro en m edio del receptor que perm ite que los iones atravie sen la m em brana. Los receptores nicotínicos de ACh tienen un canal relativam ente selectivo que es p e r m eable al Na+ y al K+ y en m enor grado al Ca2+; sin em bargo, los potenciales graduados en la célula post-
La acetil CoA se sintetiza en la mitocondria.
Célula presináptica
La colina acetiltransferasa cataliza la conversión de colina y acetil CoA en acetilcolina (ACh).
f
La ACh se empaqueta en vesículas sinápticas.
La ACh es liberada en la sinapsis.
f Hendidura sináptica
<5 La acetilcolinesterasa (AChE) rompe la ACh en colina y acetato, terminándose la señal en la célula postsináptica.
Célula post sináptica
La célula presináptica capta y recicla la colina en acetato y difunde fuera de la sinapsis.
1 Fig u ra 5.17.
La ACh se une a su receptor en la célula postsináptica.
S ín te s is y r e c ic la je de la a c e tilc o lin a (A C h) en la s in a p s is .
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
sináptica producidos por estos canales son funda m entalm ente de N a+ debido a la gran fuerza electro m otriz p ara el N a+ com parada con la del K+. La ACh que se une a los receptores nicotínicos en las células m usculoesqueléticas siem pre produce un potencial postsináptico excitatorio rápido porque a consecuen cia de la en trad a de N a+ se despolariza la célula m uscular postsináptica. Como expondrem os m ás detalladam ente en el Capítulo 6 , estos potenciales excitatorios inician la contracción muscular.
La cantidad de neurotransmisor y la actividad del receptor influyen en la intensidad de la señal Como en las interacciones h o rm ona-receptor que ya describim os en el Capítulo 4, tanto la cantidad de n eu ro tran sm iso r presen te en la sinapsis como el n úm ero de receptores en la célula postsináptica influyen sobre la intensidad de la señal en la célula diana. P equeñas cantidades de neurotransm isor g en eran resp u estas relativam ente pequeñas en la célula postsináptica. A m edida que la concentración de neu ro tran sm iso r aum enta, la resp u esta de la célula postsináptica aum enta hasta el punto de que todos los receptores disponibles quedan saturados. La concentración de n eu ro tran sm iso r en la sinapsis es el resultado del equilibrio entre la p ro p orción de n eu ro tran sm iso r liberado desde la célula p resin áp tica y la velocidad a la que se elim ina el n eu ro tran sm iso r de la sinapsis. Como ya hem os señalado, la can tid ad de n eu ro tran sm iso r que se lib era desde la célula p resin áp tica depende en gran m edida de la frecuencia de los potenciales de acción en la term in al axónica p resináptica. Por el co n tra rio, la elim inación del n eu ro tran sm iso r de la sinapsis d epende fu n d am en talm ente de tres procesos. Los n eu ro tran sm iso res p u ed en sim plem ente difun d ir pasivam ente fu era de la sinapsis. Tam bién p u ed e que las enzim as que hay en la sinapsis d eg ra den algunos n eu ro tran sm iso res. Por ejem plo, la actividad de la acetilcolinesterasa es un d eterm i n an te im p o rtan te de la concentración de ACh. Las células de alrededor, incluidas las n eu ro n as presin áp ticas, p u ed en tam b ién re c a p ta r el n e u ro tra n s m isor. E stas células actú an como reguladores im p o rtan tes de m uchos n eu ro tran sm iso res. Junto con la liberación de neuro tran sm isor, estos tres p ro cesos p a ra la elim inación de n eu ro tran sm iso r influ yen en la concentración de n eu ro tran sm iso r en la sinapsis y, p o r consiguiente, en la resp u esta de la célula postsináptica.
P ara cualquier cantidad de neurotransm isor, la resp u esta en la célula postsináptica tam bién depende del núm ero de receptores presentes en la célula diana. Como podría esperarse, u n a célula postsináp tica puede resp o n d er únicam ente si tiene los recepto res apropiados en la m em b ran a de la célula. Si hay un a densidad m uy baja de receptores en la m em b ra n a postsináptica, el neurotransm isor producirá un a respuesta débil. Si la densidad de receptores en la m em brana postsináptica es m uy alta, la respuesta será mayor. La densidad de receptores en la célula postsináptica puede ser regulada por u n a variedad de factores, que incluyen la variación genética entre los individuos, el estado m etabólico de la célula postsináptica, las drogas específicas y los estados de enferm edad. El desorden neurológico hum ano m yasthenia gravis es un ejemplo de estado de enferm edad producido por alteraciones en el núm ero de recepto res en las células m usculares. La gente con m yasthe nia gravis experim enta debilidad m uscular y un aum ento en la susceptibilidad a la fatiga muscular, especialm ente en m úsculos que se utilizan rep etid a m ente. Estos síntom as son el resultado de u n a condi ción autoinm une en la que los anticuepos producidos p or el sistem a inm une de la persona destrozan los receptores de ACh en la unión neurom uscular. La dism inución del núm ero de receptores reduce la intensidad de la señal en la célula m uscular postsi náptica a un núm ero determ inado de acetilcolina liberada, lo que reduce la fuerza m uscular en la con tracción y produce debilidad muscular. Los síntom as de la m yasthenia gravis pueden se r tratad o s con u n a clase de drogas denom inadas inhibidores de la acetilcolinesterasa. Inhibiendo parcialm ente la actividad de la enzim a acetilcolines te ra sa , estas drogas red u cen la velocidad de elim i n a r la ACh de sus receptores, y au m en tan la concentración de ACh en la sinapsis. El aum ento de la ACh prolonga los efectos de este neurotransm isor, com pensando parcialm ente el m enor núm ero de receptores de ACh en p acientes con m yasthenia gravis. Por consiguiente, estas drogas p ueden ayu d ar a red u cir los síntom as de la debilidad y fatiga m uscular. Sin em bargo, la dosis de los inhibidores de acetilcolinesterasa debe se r controlada cuidado sam ente porque a dosis altas p ueden se r m ortales. De hecho, los pesticidas organofosforados y las arm as quím icas como el gas nervioso sa rin son in h i bidores de acetilcolinesterasa. Como las drogas uti lizadas en el tratam ien to de la m yasthenia gravis, estos com puestos quím icos actú an inhibiendo la
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degradación de la ACh p o r la acetilcolinesterasa. A altas dosis, estos agentes aum en tan enorm em ente la concentración de ACh en la sinapsis. En la unión neurom uscular, estos gran des aum entos de la ACh conducen a la hiperexcitación del m úsculo, lo que produce espasm os y o tras form as de contracciones m u scu lares descoordinadas, que pu ed en d a r lugar a fatiga m uscular, parálisis, dificultad grave en la re s p iración y, p o r últim o, la m uerte debido al aum ento de la fatiga y la p arálisis de los m úsculos re sp ira to rios. Dosis m ás bajas de estos agentes producen tam b ién u n am plio rango de otros síntom as porque, como com entarem os en la segunda p arte de este capítulo, la ACh actú a como n eu ro tran sm iso r no solam ente en la u nión neurom uscular, sino tam bién en m uchas o tras sinapsis, produciendo diversos efectos.
D iv e rs id a d en la s e ñ a liz a c ió n n e u ro n a l A hora que ya hem os estudiado cómo se m ueven las señales desde u n extrem o de la neurona m otora h asta otro, podem os em pezar a h ab lar de la enorm e diversidad en estos procesos entre las neuronas de u n único organism o y entre las neuronas de diferente tipo de organism os. La diversidad en la estructura y la función de la n eu ro n a perm ite a las neuronas desem peñar m uchos papeles. Algunas neuronas (in cluidas las n eu ro n as m otoras que ya hem os estu diado) están especializadas en tran sm itir señales m uy rápidam ente a distancias largas, m ientras que otras n eu ro n as se especializan en in teg rar m uchas señales en tran tes y procesarlas p a ra g en erar una respuesta. Com enzam os esta sección exam inando la diversidad estru ctu ral de las neuronas, estudiando cómo la estru ctu ra de las neuronas se relaciona con su función. Después analizarem os algunos procesos im portantes desarrollados po r las neuronas p a ra ver cómo v arían en tre las n euronas que desem peñan papeles fisiológicos diferentes en cantidad de espe cies anim ales. Las n eu ro n as llevan a cabo tres funciones dife ren tes: recib en e in teg ran señales en tran tes, condu cen esas señales a lo largo de la célula y tran sm iten dichas señales a o tras células. En la p rim e ra p arte de este capítulo describirem os el m odo en que las n eu ro n as m o to ras de v ertebrados detectan las señales en tran tes en form a de neu ro tran sm iso res. M uchas su stan cias quím icas p ueden ac tu a r como
Estructura y función de la neurona
neu ro tran sm iso res, y com entarem os algo de esta diversidad m ás adelante en este capítulo al ab o rd ar la diversidad en la transm isión sináptica. Adem ás, las n eu ro n as tam bién son capaces de d etectar señ a les distintas de las señales quím icas en form a de n eu ro tran sm iso res. A lgunas n eu ro n as se espe cializan en detectar señales en tran tes como la tem p eratu ra, la presión, la luz o sustancias m edioam bientales. Los m ecanism os que estas neu ro n as utilizan p a ra d etectar estas señales son extrem adam ente diversos, pero com parten u n a característica fundam ental. C ualquiera que sea la señal en tran te, los receptores de m em b ran a en las d endritas de la n eu ro n a sensorial reciben la señal y la tran sd u cen en señal quím ica como cam bio en el potencial de m em brana. Ya que estos procesos im plican u n a enorm e diversidad y com plejidad, no los tratarem o s aquí de form a detallada. En lugar de ello, dedicam os el Capítulo 7 a estos fascinantes tem as. En este capítulo nos centram os en la diversi dad de la conducción y la transm isión, estudiando p rim ero la diversidad del potencial de acción y la velocidad de conducción de los potenciales de acción a lo largo del axón. D espués exam inam os algunos aspectos de la enorm e diversidad de la transm isión sináptica. Concluimos el capítulo con el estudio de la evolución de las n euronas.
Diversidad estructural de las neuronas Auque la m ayoría de las neuronas tienen dendritas, cuerpo celular y un axón, las especificidades de la estructura neuronal varían enorm em ente en el nivel celular. Algunas neu ro n as tienen estructuras relati vam ente sencillas, m ientras que otras tienen estruc tu ras com plejas m uy ram ificadas (Figura 5.18a). No hay un a correlación clara entre la complejidad de un organism o y la complejidad de sus neuronas. En lugar de eso, la estructura de un a neurona está rela cionada con la función de esa particular neurona. Por ejemplo, las n euronas del cerebro de los m am íferos tienen generalm ente un gran núm ero de dendritas, pero carecen de un axón claro. El gran núm ero de dendritas de estas neu ro n as hace posible que inte gren u n a enorm e cantidad de señales entrantes desde otras neuronas. C ontrariam ente, las dendritas y el axón de las neuronas m otoras pueden distin guirse fácilm ente, ya que el axón es m ucho m ás largo que las dendritas. E stas neu ro n as están especializa das en la transm isión ráp id a de la señal a distancias grandes.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Cuerpo celular Cuerpo celular
Neurona de los cnidarios
Célula de Purkinje del cerebelo del mamífero
vertebrados Neurona motora del vertebrado
Neurona mecanorreceptora de los insectos
Neurona de la retina de los vertebrados
(a) Diversidad estructural de las neuronas
Nerona multipolar
(b) Clase funcionales de neuronas Fig u ra 5 .18.
Neurona bipolar
Neurona unipolar
(c) Clases estructurales de neuronas
V a r ia c ió n en la e s tru c tu ra y fu n c ió n de la n e u ro n a .
(a) D iversidad estructural de las neuronas. Las neuronas tienen siem pre un cuerpo celular, un axón y, al m enos, una dendrita, pero el núm ero de dendritas, la posición del cuerpo c e lu la ry la lo ngitud del axón pueden variar, (b) Clases de neuronas funcionales. Las neuronas sensoriales detectan señales entrantes. Las interneuronas fo rm a n conexiones entre las neuronas. Las neuronas eferentes canalizan las señales del sistem a nervioso a los órganos efectores. (c) Clases estructurales de neuronas. Las neuronas m ultipo lares tienen un axón obvio y m últiples dendritas. Las neuronas bipolares tienen una dendrita única ram ificada en dos procesos principales. Nótese la variación en la localización del centro in teg rad or entre estas neuronas.
Las neuronas pueden clasificarse según su función Como describirem os m ás adelante en el Capítulo 8 , las n eu ro n as pueden clasificarse en uno de los tres siguientes tipos dependiendo de su función (Figu r a 5.18b). Las n eu ro n a s se n so ria les (o aferen tes)
detectan señales del medio y envían esta inform ación al sistem a nervioso central. Las in tern eu ron as se localizan en el sistem a nervioso central (formado por el encéfalo y la m édula espinal en los vertebrados) y envían las señales de un a neurona a otra. Las n eu ro n a s eferen tes envían la señal desde el sistem a nervioso central h asta los órganos eferentes. Las
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neu ro n as m otoras que ya hem os estudiado son una clase de n eu ro n as eferentes. En el caso de las neuro n as m otoras, el órgano eferente es siem pre el m ús culo esquelético, pero las otras clases de neuronas eferentes se com unican con diversos órganos eferen tes, entre los que se incluyen los músculos Usos y las glándulas endocrinas.
Las neuronas pueden clasificarse según su estructura Auque existe u n a diversidad considerable en la estru ctu ra de las n euronas, la m ayor p arte de esta diversidad en tra dentro de uno de los tres grupos estructurales (Figura 5 .18c). Las neuronas m otoras de vertebrados que ya hem os descrito en la prim era p arte de este capítulo son ejemplos de n eu ron as m ultip olares. E stas n eu ro nas tienen m uchas exten siones celulares (o procesos) que p arten del cuerpo celular. Solam ente uno de estos procesos es el axón, m ien tras los restan tes son dendritas. Las neuronas m ultipolares son el tipo de neuronas m ás com ún en los vertebrados. Las n eu ro n as b ip olares tienen dos procesos principales que parten del cuerpo celular, uno de ellos está m uy ram ificado y envía señales hacia el cuerpo celular, y por tanto, es funcional m ente sim ilar a la dendrita, y el otro que envía seña les fuera del cuerpo celular y por tanto, actúa como el axón. Como se explica en el Capítulo 7, algunas neu ro n as sensoriales, tales como las células de la retina y las células olfatorias, son neuronas bipolares. Sin em bargo, pocas n eu ro n as de vertebrados tienen esta form a, por lo que las n eu ronas bipolares son el tipo m enos com ún de n eu ro n a en el sistem a nervioso de vertebrados. Una n eu ro n a un ipolar tiene un único proceso que sale del cuerpo celular. En la m ayoría de las n eu ro n as unipolares, sin em bargo, este proceso se divide en dos ram as principales. Como resultado, estas células suelen denom inarse pseudounipolares. Una de estas dos ram as envía señales hacia el cuerpo celular, y la otra envía señales fuera del cuerpo celu lar. Las n eu ro n as unipolares son generalm ente neu ro n as sensoriales que están im plicadas en la detección de señales del medio y en el envío de esta inform ación al resto del sistem a nervioso. En la Figura 5.18c se puede apreciar que el cuerpo celular, las dendritas y el axón están organi zados de m an era distinta en los tipos diferentes de n euronas. Este cam bio en la organización tiene im plicaciones im portantes p ara las funciones de cada zona de la neurona. En un a neurona multipolar, tal como las n eu ro n as m otoras de los vertebrados
Estructura y función de la neurona
que ya hem os estudiado, los receptores de las d en dritas y del cuerpo celular detectan señales entrantes y las transducen en un a señal eléctrica en form a de potencial graduado. Los potenciales graduados re sultantes se conducen electrotónicam ente hacia el cono axónico, que actúa como centro integrador en la n eurona. Si el potencial graduado en el cono axónico sobrepasa el potencial um bral, dispara potenciales de acción, que se conducen por el axón h asta el te r m inal axónico. Este esquem a general encaja bien p a ra la m ayoría de las neuronas m ultipolares, au n que no todas las neuronas m ultipolares producen potenciales de acción. En algunas neuronas m ultipo lares con axones m uy cortos, la expansión de la corriente electrotónica es suficiente p a ra enviar la inform ación por el axón. En u n a neurona bipolar, igual que en las neuro n as m ultipolares, los receptores en la m em brana al final de uno de los procesos detectan señales en tran tes y las transducen en un potencial graduado. Este potencial graduado se transm ite electrotónicam ente hacia el cuerpo celular, donde dispara potenciales de acción en el segundo proceso, que hace de axón. La localización exacta de la zona de disparo v aría entre las neuronas bipolares, y (como las neuronas m ulti polares) algunos tipos de neuronas bipolares no utili zan potenciales de acción p a r enviar señales a lo largo del axón. En u n a neurona unipolar, las dendritas detectan las señales en tran tes y las transducen en potenciales graduados, como cualquier otro tipo de neurona. Estos potenciales graduados, sin em bargo, no viajan directam ente al cuerpo celular. En lugar de eso, via ja n sólo h asta el comienzo (o segm ento inicial) del proceso que sale del cuerpo celular. Si el potencial graduado en este segm ento inicial sobrepasa el um bral, se dispara el potencial de acción. Estos potenciales de acción viajan después hacia el cuerpo celular en dirección a la term inal axónica. Como resultado de esta organización, ha habido cierto des acuerdo en cómo llam ar a la prim era de estas largas extensiones de la neurona unipolar, si denom inarla axón o dendrita, ya que es sim ilar a un axón porque puede g enerar potenciales de acción, pero conduce im pulsos hacia el cuerpo celular en lugar de hacia fuera de él, y por tanto es sim ilar funcionalm ente a u n a dendrita. P ara los objetivos de este libro, nos referirem os a am bos procesos de las neuronas u ni polares como axones. Lo im portante es darse cuenta de que en la neurona unipolar el centro de integra ción está localizado en u n a posición muy distinta com parado con la neurona multipolar.
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180 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Las n eu ro n as de los in v ertebrados tam bién p u e den ag ru p arse d entro de estas clasificaciones e s tru ctu rales y se o rg an izan de u n a m an era m uy parecid a a la que hem os referido h a s ta ahora. Sin em bargo, en los in v erteb rad os las n eu ro n as u nipo lares son m ás com unes que en los v ertebrados. De hecho, las n eu ro n as m o to ras de los invertebrados a m enudo son unip o lares en lugar de m ultipolares. Indepen d ien tem en te de que las n eu ro n as sean de v erteb rad o s o de in v erteb rad o s, com parte la p ro p ie d ad com ún de la p o laridad. Un extrem o de la n e u ro n a recibe señales en tran tes y el otro extrem o tran sm ite las señales a o tras células. Los cnidarios, incluidas las an ém o n as m arin as y las m edusas, re p re se n ta n u n a excepción a esta regla. Algunas n eu ro n as de los cnidarios carecen de polaridad. Esto es, son capaces de recib ir y enviar señales con cualquier extrem o de la n eu ro n a y p u ed en conducir la señal en cualquier dirección a lo largo de la n e u ro n a. Como verem os en el Capítulo 8 , esta d iferen cia tiene consecuencias im p o rtan tes p a ra la singular organización del sistem a nervioso de los cnidarios.
Célula ependimal
Neurona Astroclto
Oligodendrocito Célula microglial
Las neuronas están asociadas con células de la glía Í V W a l l l > 7 U Como señalam os en la p rim era m itad de este capí tulo, las neuronas m otoras de los vertebrados están asociadas con un tipo de célula glial llam ada célula de Schwann, Pero las células de Schw ann no son el único tipo de de célula glial en los vertebrados. De hecho, las células gliales sobrepasan el núm ero de neuronas en la m ayoría de los organism os. Por ejemplo, el 90% de las células del cerebro hum ano son glía. Hasta hace poco, estas células gliales se pensaba que de sem peñaban un papel m ás bien pasivo en el sistem a nervioso, y su nom bre (que deriva de la palabra griega glía: pegam ento) refleja esta idea. Sin em bargo, ahora sabem os que la glía puede desem peñar u n a g ran cantidad de im portantes papeles en el sis tem a nervioso. En los vertebrados, existen tres tipos de células de glía (Figura 5.19). Las células de Schwann, que for m an la vaina de mielina, están asociadas a las neuro n as m otoras y a m uchas neuronas sensoriales. Las células de Schwann juegan un im portante papel en la señalización neural, pues aum entan la velocidad de conducción de los potenciales de acción por el axón. Estas células tam bién son esenciales p ara la regenera ción y y el crecimiento de neuronas sensoriales y m otoras dañadas. Cuando una neurona está dañada,
Célula de Schwann
Figura 5.19.
P rin c ip a le s c é lu la s g lia le s en los v erte b ra d o s.
las células de Schwann digieren el axón dañado y pro porcionan vías p a ra el recrecim iento. Los oligodendrocitos form an u n a cubierta de m ielina p a ra las neuronas en el sistem a nervioso central (CNS). Un único oligodendrocito puede envolverse alrededor del axón de m uchas neuronas, y por tanto se diferencia de las células de Schwann, que siem pre envuelven a una neurona. Los astrocitos tienen cuerpos celulares de form a estrellada y m uchos procesos. Están localizados en el sistem a nervioso central y desem peñan diversos papeles que incluyen el transporte de nutrientes a las neuronas, retirada de desechos, guía del desarrollo neuronas y regulación del contenido del espacio extracelular alrededor de las neuronas (incluida la regula ción de los nievels de neurotransm isores). De hecho, los astrocitos en el cerebro usualm ente envuelven sinapsis y pueden tener un im portante papel en la regulación de la comunicación sináptica a través de la
C A P ÍTU LO 5
regulación de los niveles de neurotransm isores. La m icroglia está involucrada en el m antenim iento neu ronal. Es la m ás pequeña de las células gliales. Son sim ilares a los macrófagos del sistem a inm une y fun cionan p a ra retirar los desechos y las células m uertas del sistem a nervioso. Las célu las ep en d im ales se ali n ean en las cavidades rellenas de fluido del sistem a nervioso central. Estas células tienen cilios, que utili zan p ara hacer circular el fluido cerebro-espinal. Aunque las células gliales m antienen un poten cial de m em b ran a en reposo, no son capaces de g en erar u n potencial de acción ni form an sinapsis quím icas obvias. Sin em bargo, a p esar de esta falta de sinapsis, las células gliales pueden cap tar y liberar n eurotransm isores, y p o r tanto ejercen im portantes efectos en las n euronas. Adem ás, algunas células gliales del sistem a nervioso central, como los astrocitos, form an conexiones entre sí a través de uniones com unicantes. Los astrocitos se com unican activa m ente p o r m edio de estas uniones usando el Ca2+ intracelular y otras m oléculas señalizadoras. La p re sencia de las uniones com unicantes sugiere un com plejo intercam bio de señales entre las neuronas y la glía, que desem peña u n im portante papel en la regu lación del sistem a nervioso. Las células gliales en los invertebrados tienen una am plia variedad de morfologías, dependiendo de la localización en el organism o y de las especies exam i nadas. Las células gliales de los invertebrados suelen denom inarse gliocitos, y ap aren tan ser funcional m ente parecidas a los astrocitos, puesto que tam bién ab razan las sinapsis. Los invertebrados no poseen u n a vaina de m ielina real, aunque los axones de las neuronas periféricas están envueltos po r varias capas de m em b ran a de células gliales. En general, la fun ción de las células gliales se piensa que son sim ilares en vertebrados e invertebrados. De la exposición precedente, parece claro que las neuronas son estructuralm ente diversas y pueden for m ar complejas asociaciones entre sí y con las células de la glía que las rodean. Las neuronas tam bién son diferentes en su función. En la sección siguiente revi sam os las funciones prim arias de las neuronas que estudiam os en el contexto de la neurona m otora típica de vertebrados y exam inam os la diversidad de la con ducción de la señal y su transm isión entre neuronas.
Diversidad en la conducción de la señal Ya hem os visto que los axones pueden conducir seña les tanto electrotónicam ente como utilizando una
Estructura y función de la neurona
com binación de corrientes electrotónicas y potencia les de acción regenerados. Sin em bargo, existe una diversidad adicional en la conducción de la señal que aún no hem os tratado. Tanto la form a de los p oten ciales de acción como la velocidad de conducción a lo largo del axón varían entre neuronas. En la prim era m itad del capítulo hem os considerado la form a de un potencial de acción en el axón gigante del calam ar, y sabem os que la m ayoría de los potenciales de acción tienen esta forma. Sin em bargo, la form a exacta del potencial de acción puede v ariar entre neu ro n as de diferentes organism os, entre los tipos de neuronas de un m ism o organism o e incluso entre los potencia les de acción dentro de u n a m ism a n eu ro n a en dife rentes condiciones fisiológicas. Las variaciones fisiológicas en la form a de estos potenciales de acción son el resultado de la diversidad de propiedades m oleculares de los canales de Na+ y K+ dependientes de voltaje. De hecho, algunas neuronas no poseen ningún canal de K+. En estas neuronas la fase de repolarización del potencial de acción es llevada a cabo por canales de K+ que están abiertos todo el tiempo. Como podía esperarse, las neuronas de este tipo no exhiben la fase de posthiperpolarización pos terior al potencial de acción.
Los canales iónicos dependientes de voltaje están codificados por distintos genes Muchos canales iónicos existen como múltiples isomorfos: variantes ligeram ente diferentes de una m ism a proteína que son codificadas por diferentes genes (Capítulo 3). Las variaciones en la secuencia entre las diferentes isom orfas de los canales depen dientes de voltaje pueden provocar diferencias funcio nales que afectan a la fisiología neuronal. En los m amíferos existen al m enos 18 genes distintos que codifican canales de K+ dependientes de voltaje y se h an caracterizados del orden de 50 tipos diferentes de estos canales en todas las especies animales. Los cana les de K+ dependientes de voltaje son los encargados de la fase de repolarización del potencial de acción en la m ayoría de las neuronas. Por lo tanto, sus diversos isomorfos dan lugar a una diversidad de form as del potencial de acción en diferentes células, tejidos y organismos. Los canales de K+ dependientes de voltaje ejercen tam bién una im portante influencia en la exci tabilidad celular, la duración de potencial de acción y la tasa de disparo. Por ejemplo, los canales de K+ dependientes de voltaje que se abren con sum a rapi dez en respuesta a la despolarización tienden a hacer
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
m ás difícil la generación de un nuevo potencial de acción, puesto que los iones de K+ salen de la neurona al mismo tiempo que van entrando los iones de N a+, contrarrestando la despolarización debida a estos últi mos. Por el contrario, algunos canales de K+ depen dientes de voltaje se consideran como rectificadores retrasados, porque responden con relativa lentitud a los cambios en el potencial de m em brana, increm en tando la duración del potencial de acción. En la Tabla 5.2 se enum eran algunos ejemplos de la diversi dad de canales de K+. El significado de esta diversidad p a ra el funcionamiento de todo el organismo no se com prende aún completamente, pero tiene una clara influencia en la diversidad funcional de las neuronas. Com parados con los canales de K+ dependientes de voltaje, los canales de Na+ dependientes de voltaje son m ucho m enos diversos. Los m am íferos expresan al m enos 11 isomorfos de canales de Na+ dependien tes de voltaje, aunque la diferencia funcional entre ésas es m ás bien pequeña. Existen diferencias cuantificables en el tiempo que tard an en abrirse, el tiempo durante el cual perm anecen abiertos y sus caracterís ticas de inactivación, pero la im portancia de estas diferencias es aún desconocida. Sólo dos canales de Na+ dependientes de voltaje h an sido identificados en Drosophila y el calam ar gigante, en com paración con los 11 isomorfos de m am íferos. Tampoco se com prende com pletam ente cuál es el significado de este increm ento en el núm ero de isomorfos con el aum ento de la complejidad del sistem a nervioso, pero debe ten er un papel fundam ental en su funcionamiento. La densidad de canales de N a+ dependientes de voltaje tam bién ejerce un profundo efecto sobre la función de la n eurona. Siendo parecidas en todas las
Tabla 5 .2 .
dem ás propiedades, las neuronas con m ayor densi dad de canales de N a+ dependientes de voltaje te n d rán un m enor um bral de disparo que aquellas con u n a m enor densidad. Una m ayor densidad significa un m ayor núm ero de canales dispuestos a ab rirse a u n a intensidad d ada del estímulo y a que entre m ayor cantidad de N a+ en la célula. Como resultado, el punto de equilibrio entre la en trad a y la salida de Na+ se alcanza m ás fácilm ente a valores m enores de despolarización. De ese m odo, un potencial g ra duado pequeño puede excitar a u n a n eu ro n a con m ayor densidad de canales de Na+ dependientes de voltaje. Igualm ente, la densidad de canales de N a+ dependientes de voltaje puede influenciar la d u ra ción del periodo refractario. Las neuronas con m ayo res densidades de canales de N a+ dependientes de voltaje tienden a ten er periodos refractarios m ás cor tos debido al decrem ento del um bral de disparo. Los m uchos isomorfos de los canales dependien tes de voltaje h a n com enzado ah o ra a ser identifica dos, y los neurobiólogos no com prenden del todo el papel que éstos tienen de gen erar la diversidad fun cional en el sistem a nervioso. En general, existe correlación entre la complejidad del sistem a nervioso y el núm ero de isomorfos de canales dependientes de voltaje, que sugiere (aunque no prueba) que son necesarios diferentes canales dependientes de vol taje p ara construir sistem as nerviosos m ás com ple jos. Pueden m ezclarse variantes distintas de canales iónicos p ara form ar m ás com binaciones. Existen millones de posibles com binaciones de isom orfos de canales dependientes de voltaje, neurotransm isores y receptores, y por tanto m illones de posibles tipos de neuronas. El sistem a nervioso de los hum anos, uno
D iv e rs id a d de can a le s de K +.
Tipo de canal
Función
Rectificador retrasado
A pertura lenta en la respuesta a cambios del potencial de m em brana; cierre lento; responsable de la repolarización de la m em brana axonal siguiendo un potencial de acción.
Canal A (canal KA)
A pertura cuando la m em brana es despolarizada; cierre lento; influye en la excitabili dad de la neurona.
Rectificador de entrada (canal Kik)
A pertura ante la hiperpolarización; influye en la duración del potencial de acción.
Activado por Ca2+ (canal KCa)
A pertura en presencia de Ca2+, influye en la excitabilidad de la neurona.
Canal M (canal KM)
Apertura ante la despolarización. Cierre lento, regulado por neurotransm isores.
Canal ACh (canal KAch)
A pertura cuando la m em brana es expuesta a ACh; involucrado en el latido cardiaco.
C A P ÍTU LO 5
de los m ás complejos, contiene miles de m illones de n euronas, m uchas con propiedades y funciones úni cas. Los biólogos apenas están com enzando a pro b ar las com plejidades de estas interacciones y quedan aún m uchas p reguntas im portantes po r responder. El papel de los isom orfos de g enerar la diversidad de form as de señalización neuronal es, po r tanto, un área de intensa investigación.
Los canales de Ca2+ de pe nd ien te s de v o lta je ta m b ié n pueden verse im p lica d o s en los potenciales de acción En algunas neuronas, los canales de Ca2+ dependien tes de voltaje están involucrados en el potencial de acción. En las n eu ro n as que tienen canales de Ca2+ dependientes de voltaje en el axón, éstos se ab ren al m ism o tiem po o en lugar de los canales de Na+ dependientes de voltaje. Esto ocasiona la en trad a de Ca2+ en la célula, lo que provoca la despolarización. G eneralm ente la despolarización causada po r Ca2+ es m ás lenta y m ás sostenida que la que resulta de un influjo de N a+. U na fase de despolarización sostenida puede enlentecer la ta sa a la que los potenciales de acción son generados a través de la prolongación del periodo refractario. Por ejemplo, los potenciales de acción que controlan la natación rítm ica de la m edusa tien en u n a fase de despolarización sostenida debida al influjo de Ca2+ y d u ran unas diez veces m ás que el típico potencial de acción en vertebrados. Como verem os en el Capítulo 6 , los canales de Ca2+ dependientes de voltaje tam bién son im portantes p ara g en erar potenciales de acción en otros tejidos, como el cardiaco.
Tabla 5 .3 .
Estructura y función de la neurona
La ve lo cid a d de con du cción varía entre los axones Adem ás de las diferencias en la form a de los poten ciales de acción, la velocidad de conducción de éstos por los axones varía trem endam ente entre neuronas (Tabla 5.3). Algunas neuronas conducen los potencia les de acción m uy rápido, m ientras que en otras este proceso es m uy lento. Los anim ales usan dos estrate gias diferentes p ara aum entar la velocidad de con ducción de los potenciales de acción: la m ielinización y el increm ento del diám etro del axón. Los axones de algunas neuronas, incluyendo las neuronas m otoras de los vertebrados que ya hem os mencionado, están m ielinizados. Otras neuronas con altas velocidades de conducción tienen axones de un tam año inusual m ente grande llam ados a x o n es gigan tes. La con ducción nerviosa m ás rápida siem pre se observa en los axones de m ayor diám etro o en los mielinizados. En la próxim a sección analizarem os cómo influyen las propiedades en la velocidad de conducción y vere m os cómo esas propiedades están m odificadas en los axones gigantes m ielinizados.
Las pro pieda de s de cable del axón in flu ye n en el flu jo de c o rrie n te P ara com prender cómo las propiedades del axón influyen en la velocidad de conducción, necesitam os revisar algunos tem as de física clásica y echar un vis tazo a las corrientes eléctricas del axón. Los princi pios físicos que gobiernan la extensión de los flujos de corriente a lo largo del axón son los m ism os que rigen la transm isión de corriente eléctrica por los
V e lo c id a d de c o n d u c c ió n en a xo n e s de v a ria s esp e cies .
Organismo/nervio
Diámetro (pm)
Mielinización
Velocidad de propagación (m/s)
C alam ar/axón gigante
50-1.000
No
30 (a 15 °C)
Cangrejo de río /p ata
36
No
8 (a 20 °C)
Lom briz (gusano)
60
No
11,3 (a 20 °C)
R ana/nervio ciático, fib ras A
18
Sí
42 (a 20 °C)
R ana/nervio ciático, fib ras R
2
Sí
4 (a 20 °C)
R ana/nervio ciático, fib ras C
2,5
No
0,3 (a 20 °C)
G ato/nervio safeno, fib ras A
22
Sí
120 (a 37 °C)
G ato/nervio safeno, fib ras R
3
Sí
15 (a 37 °C)
G ato/nervio safeno, fib ras C
1
No
2 (a 37 °C)
183
184 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
cables telefónicos trasatlánticos. De este modo, las propiedades del axón que determ inan cómo fluye la corriente por ellos se llam an p rop ied ad es de cable del axón. La corriente, tanto en cables eléctricos como en axones, es sim plem ente un a m edida de la cantidad de carga que se m ueve po r un punto en un tiem po dado y es u n a función de la caída de voltaje a través del circuito y de la resistencia del circuito. La ley de Ohm (un principio que debe resu ltar fam iliar de la física clásica) describe esta relación entre la corriente y el voltaje. Dicha ley se escribe usualm ente en la forma:
/+ n " \ N /"r\\ +++ +++++ a*
-
-
-
-
—Fluido extraceluiar —Membrana
—Citoplasma
++++--
- +++++
—Membrana —Fluido extraceluiar
(a) Flujo de corriente en el axón
V = IR donde I es la corriente, V es la caída de voltaje a tr a vés del circuito y R es la resistencia del circuito. El voltaje es u n a m edida de la energía tran sp o rtad a por u n a unidad de carga. De este modo, la diferencia de voltaje entre dos puntos es u n a m edida de la energía disponible p a ra m over la carga de un punto a otro, del m ism o m odo que la energía potencial es una m edida de la energía disponible p a ra m over un objeto de u n sitio a otro. Por el contrario, la resisten cia es u n a m edida de la fuerza que se opone al flujo de corriente. De este modo, operando la ecuación anterior, puede verse que la corriente es proporcio n al a la caída de voltaje a través del circuito e inver sam ente proporcional a la resistencia. La corriente fluye a través de un circuito eléctrico sólo cuando éste está completo. Uno puede pensar en el axón como si fuera u n circuito simple en el que la corriente fluye como se m uestra en la Figura 5.20a. Los iones al m overse a través de los canales depen dientes de voltaje producen u n a corriente a través de la m em brana. Esta corriente se propaga electrotónicam ente por el axón. Parte de esta corriente se fuga del axón, y fluye una corriente hacia atrás por el exterior, que cierra el circuito. Cada com partimento del axón tiene una resistencia asociada, que impide el flujo de corriente. De este modo, podem os pensar en cada pequeña área del axón como un circuito eléctrico con tres resistencias (el fluido extraceluiar, la m em brana y el citoplasma), como se m uestra en la Figura 5.20b. Nótese que adem ás de la resistencia de m em b ra n a (designada como R J , la resistencia intracelu lar (R) y la resistencia extraceluiar (RJ, este circuito tiene u n elem ento adicional, designado como Cm, que indica la presencia de un capacitor. Por tanto, la p arte del circuito que cruza la m em b ran a representa de hecho u n capacitor y u n a resistencia conectados en paralelo. Los capacitores son dispositivos que alm acenan la carga eléctrica y que consisten en dos
Re
—Fluido extraceluiar —Membrana —Citoplasma
(b) Modelo de cicuito eléctrico de un parche de membrana —Fluido extraceluiar —Membrana —Citoplasma —Membrana —Fluido extraceluiar (c) Modelo de circuito eléctrico del axón Fig u ra 5.20.
M o d e lo d e l flu jo de c o r r ie n te en un a x ó n .
(a) Propagación de la corriente electrotónica. La corriente in
yectada (por ejem plo, debido al in flujo de Na+) se propaga electrotónicam ente a través del axón, aunque una parte de ella se fuga a través de la m em brana y fluye hacia atrás por el exterior del axón. (b) M odelo de circuito eléctrico de un parche de m em brana. El axón consiste en tres com partim entos: el flu id o extraceluiar, la m em brana y el citoplasm a con una resis tencia asociada. La m em brana celula rta m b ié n actúa com o un capacitor y puede ser modelada com o una resistencia y un ca pacitor acoplados en paralelo, (c) M odelo de circuito eléctrico de un segm ento del axón. Un axón real puede ser modelado com o una serie de pequeños circuitos conectados juntos.
conductores separados po r un m aterial aislante. En el caso de la m em brana celular, los fluidos extracelu iar e intracelular son las capas conductoras del capa citor, m ientras que la m em brana de fosfolípidos constituye la capa aislante. El circuito de la Figura 5.20b describe lo que sucede en u n a porción pequeña del axón, pero recor
C A P ÍTU LO 5
Estructura y función de la neurona
dem os que el axón puede ser muy largo. P ara m odelar com pletam ente el axón debem os verlo como una serie de m uchos de estos pequeños circuitos conectados p ara form ar uno m ucho m ayor a lo largo del axón (Figura 5.20c). Teniendo presente este modelo simpli ficado, podem os com enzar a ver cómo afectan los ele m entos del circuito a la velocidad de propagación de los potenciales de acción a lo largo del axón.
La resistencia in tra ce lu la r y de m em brana in flu y e en la ve lo cid a d de con du cción Cuando se despolariza u n a porción de la m em brana, el interior de ésta se vuelve m ás positivo que la región de m em b ran a adyacente, m ientras el exterior se hace negativo. Como resultado, la corriente se p ropaga a lo largo del axón (tanto po r la superficie intracelular como p o r la extracelular) a través de la conducción electrotónica. M ientras esta corriente electrotónica se pro p ag a a lo largo del axón, va des polarizando las regiones de m em brana adyacentes. Sin em bargo, como hem os indicado en la prim era p arte de este capítulo, el cam bio en el potencial de m em b ran a (medido como la caída de voltaje a través de la m em brana) dism inuye con la distancia, fenó m eno conocido como conducción con decremento. ¿Por qué el voltaje cae con la distancia? Recordem os que la resistencia es u n a fuerza que im pide el flujo de corriente. Por lo tanto, en un conductor sim ple la caída de voltaje es u n a consecuencia directa de la resistencia del m aterial. Puesto que la resistencia se acum ula con la distancia, podem os deducir la caída del voltaje a p artir de la ley de Ohm. P ara la propaga ción de la corriente electrotónica necesitam os consi d e ra r la resistencia de los fluidos extracelular e intracelular. Si la resistencia de éstos es alta, el vol taje caerá rápidam ente con la distancia. Sin em bargo, u n axón no es un conductor simple, y necesitam os considerar no sólo la resistencia in tra celular y extracelular. La m ayoría de las m em branas contienen canales de fu g a K , que, a diferencia de los canales dependientes de voltaje, están p erm a n entem ente abiertos. De este modo, m ientras la corriente viaja a lo largo del axón, algunas cargas positivas salen a través de estos canales y dism inuye la corriente que va fluyendo. La cantidad de cargas positivas que se pierden de este modo depende de la resistencia de la m em brana. Cuando la resistencia de la m em b ran a es alta, el flujo de corriente a través de ella se rá pequeño, y se p erd erán m enos cargas. Cuando la resistencia de la m em brana es baja, la corriente que fluye es grande, y se pierden m ás car-
Distancia desde el estímulo inicial (mm) Fig u ra 5 .21.
R e la c ió n e n tre e l p o te n c ia l de m e m b ra n a ,
la d is ta n c ia a lo la rg o d e l a x ó n y la c o n s ta n te de lo n g itu d .
Cuando la constante de lo ngitud es grande, el cam bio en el potencial de m em brana com o resultado de la in yección de corriente decrece lentam ente con la distancia recorrida du rante la propagación electrotónica. Cuando la constante de lo ngitud es pequeña, el potencial de m em brana decrece rápi dam ente con la distancia. V = cam bio en el potencial de m em brana con la distancia (x ) desde el sitio del estím ulo. Vmax = cam b¡o m áxim o del potencial de m em brana en el pun to de estím ulo, x = distancia desde el sitio del estím ulo. A = constante de lo ngitud de la m em brana.
gas positivas, lo que da lugar a una m ayor disipación de la corriente axonal con la distancia. Los efectos de la resistencia de la m em brana, de la resistencia extracelular y de la intracelular sobre la distancia h asta la que pueden viajar las señales eléctricas se resum en en un parám etro conocido como con stan te de lon gitu d (X.) de la m em brana. La constante de longitud se define como la distancia a la cual la caída de potencial rep resen ta un 37% del valor original. Esto puede p arecer un valor a rb itra rio, pero es u n a consecuencia de que el cam bio en el potencial de m em brana sigue u n a función exponen cial con la distancia (37% es equivalente a 1/e). Como se m u estra en la Figura 5.21, cuando la constante de longitud es grande, el potencial de m em brana decrece m enos con la distancia, m ientras que si la constante de longitud es pequeña, el potencial de m em brana decrece m uy rápido con la distancia. La constante de longitud se puede calcular como sigue: k = V 'r j( r ¡ + r„) donde rm es la resistencia de m em b ran a, r. es la resistencia intracelular y ro es la resistencia ex trace lular. G eneralm ente se supone que la resistencia
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
extracelular es p eq u eñ a y constante, y suele elim i n a rse en esta ecuación, de m odo que puede re p la n tearse como: X= V r jr , A p artir de esta ecuación, es fácil ver que la constante de longitud de la m em b ran a será m ayor cuando la resistencia de m em b ran a sea grande y la resistencia intracelular pequeña. Pero ¿por qué la constante de longitud de la m em b ra n a influye en la velocidad de conducción a lo largo del axón? Recordem os que la conducción a lo largo del axón rep resen ta u n a com binación de la conduc ción electrotónica y la generación de potenciales de acción en sitios específicos del axón. La conducción electrotónica es m uy ráp id a com parada con la veloci dad de ap ertu ra y cierre de los canales dependientes de voltaje durante un potencial de acción; de hecho, p a ra n uestros fines podem os considerar que la corriente electrotónica se propaga instantáneam ente a lo largo del axón. U na n eurona que utilice la con ducción electrotónica tran sm itirá las señales muy rápidam ente. Así, las n eu ro n as con axones muy cor tos usualm ente utilizan la conducción electrotónica p a ra transm itir señales eléctricas, aunque ésta sólo es efectiva a distancias de 2 o 3 m m en la m ayoría de los organism os. En axones m ás largos, los potenciales de acción deben ser regenerados p ara “am plificar” la señal antes de que ésta decrezca a causa de la caída de voltaje con la distancia. Sin em bargo, la capacidad de tran sm itir señales a largas distancias utilizando los potenciales de acción tiene un coste: la dism inu ción en la velocidad de la propagación. Puesto que las corrientes electrotónicas se propagan por el axón extrem adam ente rápido, cuanto m ás lejos se propa gue u n a despolarización um bral por el axón, tanto m ás corto será el tiem po que ta rd a un impulso en alcanzar el final de éste. Por lo tanto, increm entando la constante de longitud se increm enta la velocidad de conducción de u n potencial de acción.
La capacitancia de m em b ran a in flu ye en la ve lo cid a d de con du cción Como ya hem os apuntado, las m em branas biológicas actúan como capacitores eléctricos. Podem os obser v ar la presencia de este capacitor si exam inam os lo que sucede cuando inyectam os corriente en u n a neu ro n a (Figura 5.22). La inyección de un pulso rectan gular de corriente no produce un cambio inm ediato del potencial de m em b ran a de la célula. En lugar de
Tiempo (ms) F ig u ra 5.22.
R e s p u e s ta de una m e m b ra n a a un pulso
r e c ta n g u la r de c o r r ie n te in y e c ta d a .
Cuando una m em brana neuronal es expuesta a u n pulso de c orriente rectangular, el potencial de m em brana no cam bia instantáneam ente. En lugar de eso, debido a la capacitancia de la m em brana, el potencial de m em brana se increm enta gradualm ente con la corriente Inyectada y lu ego decrece gra dualm ente conform e el estím ulo es elim inado.
eso, existe un retraso causado po r la presencia del capacitor de m em brana. Cuando un capacitor está presente en un circuito eléctrico (tanto un circuito electrónico como uno biológico), éste acum ula una diferencia de carga a través de la superfice aislante. Por ejemplo, considerem os un circuito eléctrico sim ple que consiste en un interruptor, una batería, un capacitor y u n a resistencia acoplados en serie. Cuando cerram os el in terru p to r del circuito, la dife rencia de voltaje entre los polos de la batería provoca un a corriente de electrones que intenta fluir del polo negativo (cátodo) de la b atería al positivo (ánodo). Sin em bargo, el capacitor actúa como un aislante, de m odo que las cargas negativas no pueden fluir a su través y en su lugar se “acum ulan” a un lado. Recor dem os de la física básica cómo las cargas repelen a cargas del m ism o signo y atraen a cargas del signo opuesto. Como resultado de esta atracción (que tiene
C A P ÍTU LO 5
lugar a través de la fina capa aislante del capacitor), las cargas negativas a u n lado del capacitor “em pu ja n ” a las cargas positivas y repelen a las cargas negativas provocando u n flujo de corriente a través del circuito. Nótese que la corriente no fluye, estricta m ente hablando, a través de la capa aislante del capacitor. En lugar de eso, las fuerzas electrostáticas que actúan a través de la capa aislante inducen una corriente en el circuito. A m edida que se acum ulan m ás y m ás cargas en el capacitor, éstas com ienzan a repelerse y se hace cada vez m ás difícil que se depositen cargas en él. Finalm ente, las cargas en el capacitor igualarán la fuerza electrom otriz que resulta de la caída de voltaje a través de la b atería y dejará de fluir la corriente. El punto al cual la corriente deja de fluir a través de una capacitor se define por u n p arám etro llam ado capa citancia. Podem os p en sar en la capacitancia como la cantidad de carga que se necesita p a ra crear una diferencia de potencial entre las superficies de un capacitor. Por lo tanto, u n capacitor con gran capaci tancia es capaz de alm acenar m ucha carga, y un capacitor con baja capacitancia sólo es capaz de alm acen ar u n a cantidad lim itada de carga. La capa citancia depende de tres propiedades de un capaci tor: las propiedades del m aterial del capacitor, el área de las dos superficies conductoras, y el grosor de la capa aislante. Las propiedades eléctricas de las m em b ran as biológicas no cam bian dem asiado de u n a célula a otra, de m odo que sólo necesitam os con sid erar el área y el grosor de la m em brana. Cuanto m ayor sea el área de un capacitor, m ayor será la capacitancia; m ien tras m ás gruesa sea la capa ais lante, m enor será la capacitancia. ¿Por qué la capacitancia de m em brana es im por tan te p ara la función de u n axón? En el caso de la m em b ran a axonal, que podem os m odelar como un capacitor y u n a resistencia en paralelo como m uestra la Figura 5.20, cuando introducim os un a corriente eléctrica en el axón (por ejemplo, abriendo los cana les de Na+ dependientes de voltaje), el potencial de m em b ran a cam biará, pero m ás lentam ente de lo esperado debido a que al principio la m ayoría de la corriente fluye al capacitor. Conforme el capacitor se va cargando, se hace m ás difícil que fluya la corriente, y u n a vez que aquél está com pletam ente cargado, la corriente se detiene en esa porción de m em brana. Llegado a este punto, la corriente com en zará a fluir p o r la resistencia y cam biará el potencial de m em brana. Por lo tanto, existe un equilibrio entre la co m en te que fluye a través de la resistencia de m em b ran a y la que fluye a través del capacitor.
Estructura y función de la neurona
Tiempo (ms) F ig u ra 5.23.
La c o n s ta n te de tie m p o de la m e m b ra n a .
La constante de tie m p o es un reflejo de la resistencia y la ca pacitancia. Cuando la capacitancia es grande, la constante de tie m p o será grande. Cuando la constante de tie m p o de la m em brana es grande, tarda más el potencial de m em brana en alcanzar el valor m áxim o de diferencia de potencial.
El tiem po que necesita el capacitor de m em brana p a ra cargarse se describe por la co n sta n te de tiem po (t) de la m em brana. Cuanto m ayor sea la constante de tiem po, tanto m ás ta rd a rá la m em brana en alcanzar un valor dado de potencial (Figura 5.23). La constante de tiem po se define como el tiem po que ta rd a el potencial de m em brana en decaer un 37% de su valor inicial (o alcanzar el 63% de su valor máximo). Como sucedió con la constante de longitud, estos núm eros no son arbitrarios sino que reflejan la dependencia exponencial de la caída del potencial de m em brana. La relación de las propiedades eléctricas de la m em brana y la constante de tiem po se define como: t
=
Tm c m
donde rm es la resistencia de m em brana y cm es la capacitancia. Los increm entos tanto en la resitencia como en la capacitancia de m em b ran a aum entarán la constante de tiem po y re tra s a rá n el flujo de corriente a través de la m em brana. La constante de tiem po de m em brana tiene im portantes consecuencia p a ra la sum ación tem po ral en los som as neuronales. Im aginem os dos poten ciales graduados que ocurren al m ism o tiem po en u n a célula presináptica y que se sum an p a ra g enerar un potencial supraum bral. ¿Qué sucede si estos dos potenciales tienen lugar en instantes ligeram ente diferentes? La constante de tiem po de m em brana
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
nos ayuda a en co n trar la resp u esta a esta pregunta. Si la constante de tiem po es pequeña, los potenciales decrecerán rápidam ente, y p o r tanto difícilmente se su m arán p a ra alcanzar u n nivel supraum bral. Por el contrario, si la constante de tiem po es grande, estos potenciales d ecrecerán lentam ente y, po r tanto, se su p erp o n d rán en el tiem po sum ándose hasta un nivel supraum bral. Está claro que la constante de tiem po es im por tan te p ara la sum ación tem poral, pero ¿cómo afecta este parám etro a la velocidad de conducción a lo largo del axón? M ientras la corriente se propaga electrotónicam ente a lo largo del axón, u n a p arte del voltaje debe u sarse p a ra carg ar el capacitor de m em bran a. Sólo cuando está com pletam ente cargado el capacitor la corriente puede fluir a través de la m em b ra n a y alterar su potencial. Como resultado, la co m en te electrotónica se retrasa. Cuanto m enor sea la constante de tiem po, m ás rápido podrá la m em b ra n a despolarizarse y m ayor cantidad de corriente electrotónica podrá propagarse. En sum a, hay tres factores que influyen en la velocidad de propagación del potencial de acción. El prim er factor es la cinética de los canales dependien tes de voltaje. Por ejemplo, el potencial de acción se pro p ag a m ás rápidam ente a altas tem peraturas que a las b ajas (en el rango fisiológico) porque los canales se ab ren m ás ráp id am en te a altas tem peraturas. Esta observación sugiere que la velocidad de ap e r tu ra de los canales dependientes de voltaje establece lím ites a la velocidad de propagación. De hecho, los canales dependientes de voltaje se ab ren y cierran m uy lentam ente en com paración con la velocidad de propagación de la corriente electrotónica, de modo que cualquier factor que increm ente la velocidad o la distancia a la que se p ro p ag an las corrientes electrotónicas au m en tará la velocidad de conducción. La propagación de las corrientes electrotónicas, por el contrario, depende de la constante de longitud y de la constante de tiem po del axón. En la sección siguiente estudiarem os cómo la m ielinización y el aum ento del diám etro del axón, como en los axones gigantes, alte r a n estas propiedades.
Los axones giga ntes tien en una alta v e lo cid a d de con du cción Los axones gigantes evolucionaron de m a n e ra in d e p end ien te, y se p u ed en en co n trar tanto en v erte b ra dos como en in v erteb rad o s, aunque faltan en los m am íferos. Los axones gigantes son visibles fácil m en te a sim ple vista y p u ed en alcanzar un m ilím e
tro de diám etro, siendo m ucho m ás g ran d es que los axones típicos de los m am íferos, que suelen se r de u n as 5 nm de diám etro. En el calam ar, po r ejemplo, los axones gigantes se localizan en las n eu ro n as que activan la contracción m uscular alrededor de la cavidad del m anto (Figura 5.24). Un calam ar puede expandir y co n traer su m anto, tragando agua en la cavidad y expeliéndola ráp id am en te a través del sifón, lo que le proporciona un sistem a de pro p u l sión a chorro. La propulsión le perm ite al calam ar m overse m uy ráp id am en te, pero p a ra que funcione correctam ente, las fibras m usculares de todo el m anto deben co n traerse prácticam ente al m ism o tiem po. Algunas p artes del m anto están m ás aleja das del sistem a nervioso cen tral que otras. P ara alcan zar to das las p a rte s del m anto al m ism o tiem po, los potenciales de acción deben conducirse m ás ráp id am en te en las n eu ro n as que in erv an las p a rte s m ás distantes co m paradas con las neu ro n as que inervan p artes m ás cercanas. Los axones que activan los m úsculos m ás alejados tien en diám etros m ayores, m ien tra s que los que inervan las porcio nes m ás cercanas son de m enor calibre. La com bi nación de axones de diferentes diám etros perm ite la casi sim ultánea contracción del m anto, que acelera la conducción a las zonas m ás alejadas del cuerpo. Debido a su g ran tam año, el axón gigante h a sido un m odelo m uy im p o rtan te p a ra la neurobiología (Caja 5.2). El efecto de la resistencia de m em b ran a y la resistencia intracelular en la constante de longitud explica po r qué los axones de gran calibre, como los gigantes, conducen m ás rápido que los axones de m enor diám etro. Recordem os que la constante de longitud de la m em b ran a se increm enta con el aum ento de la resistencia de m em brana, pero decrece con la resistencia intracelular. Así, ¿qué sucede con la resistencia intracelular y de m em b ra n a según crece el diám etro del axón? La resisten cia de m em brana es inversam ente proporcional a áre a superficial de la m em brana. Al au m en tar el áre a superficial tam bién crece el núm ero de canales de fuga, con lo que se produce un m ayor flujo de iones a través de la m em b ran a y dism inuye la re sis tencia. Suponiendo que el axón es de form a cilin drica, la superficie de m em b ran a se relaciona con el diám etro del axón según la fórmula: A rea superficial = 2urh donde r es el radio del axón y h es la longitud. Por lo tanto, la resistencia de m em brana es proporcional al
C A P ÍTU LO 5
£
Estructura y función de la neurona
La cavidad de manto está rellena de agua.
2) El cerebro envía señales a los ganglios estre llados, que envían señales a lo largo de los axones de diferentes diámetros en el manto.
( 3) I
Fig u ra 5.24.
Los impulsos nerviosos alcanzan el músculo y muchos puntos de la cavidad de manto.
D ia g ra m a e s q u e m á tic o de p a rte s d e l s is te m a n e rv io s o d e l c a la m a r
L o lig o p e a le i. Cuando el calam ar quiere m overse rápidam ente, expele agua desde su sifón a través de una contracción rápida de los m úsculos del m anto. Para asegurar que el m anto entero se contrae rápidam ente y de un m odo coordinado, los axones de las neuronas que inervan zonas lejanas tienen axones de m ayor diám etro que aquellas que inervan las partes del m anto cercanas al gan glio estrellado. Estos axones gigantes conducen los potenciales de acción m ucho más rápido que los axones de m enor diám etro.
radio de axón. Con el aum ento del diám etro del axón dism inuye la resistencia de m em brana. La resistencia intracelular, sin em bargo, está relacionada con el volum en del axón. Con el incre m ento del volum en, la resistencia intracelular de crece. El volum en del axón puede aproxim arse con la fórm ula p a ra el volum en de un cilindro: Volumen = n r2h Así, la resistencia intracelular dism inuye proporcio nalm ente al cuadrado del radio del axón. Por tanto, ¿cuáles son los efectos de la resistencia de m em b ra n a y de la intracelular en la constante de longitud de la m em b ran a? Conforme el radio del axón aum enta, tanto la resistencia de m em brana como la
intracelular dism inuyen. De la definición de cons tante de longitud (X. = Vr,„/r,.), podem os ver que dis m inuyendo la resistencia intracelular au m en tará la constante de longitud, lo que increm entará la veloci dad de conducción. Sin em bargo, la dism inución de la resistencia de m em brana tenderá a dism inuir la constante de longitud, enlenteciendo la conducción. Pero ¿por qué estos dos efectos no se elim inan m utuam ente? Recuérdese que la resistencia intrace lular dism inuye en proporción al cuadrado del radio del axón, m ientras que la resistencia de m em brana lo hace en fimción del radio. Así, aum en tar el radio del axón tiene un m ayor efecto sobre la resistencia intracelular que sobre la de m em brana. Por tanto, el efecto neto del aum ento del radio del axón es aum en ta r la velocidad de conducción (Figura 5.25).
189
190 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 5 .2 Métodos y sistem as de modelos El axón gigante del calam ar
Hace mas de m edio siglo, Alan Hodgkin y A n d re w Huxley fueron los prim eros en m os
1963 recibieron el Prem io Nobel de M edicina por su tra bajo.
tra r que las neuronas envían señales a través del paso se
Sus investigaciones destacaron la im portancia de elegir
lectivo de iones por la m em brana celular en una form a
correctam ente el sistem a m odelo para in vestigar cuestio
dependiente de voltaje. La teoría de Hodgkin y Huxley de
nes experim entales. Hodgkin y Huxley eligieron el axón
los potenciales de acción es la base sobre la que se asien
gigante debido a que su tam año perm itía hacer registros
ta nuestra com prensión sobre neurofisiología. Cuando
del potencial de acción que no habrían sido posibles en otro
Hodgkin y Huxley estaban desarrollando sus extraordina
animal. Además, el potencial de acción en el axón gigante
rios expe rim en tos en 1939, siendo Huxley aún estudiante,
del calamar es relativam ente sim ple, determ inado sólo por
los únicos electrodos disponibles eran m uy grandes para
dos canales iónicos: un canal de K+ dependiente de voltaje
poderlos colocar en el in terior de un axón típico de m amí
y un canal de Na+ dependiente de voltaje sin más com pleji
feros. En lugar de eso, Hodgkin y Huxley usaron el axón
dad debido a la presencia de m últiples isom orfos. Esta pro
gigante del calamar Loligo pealei com o sistem a m odelo
piedad del axón gigante del calamar les perm itió a Hodgkin
para realizar registros eléctricos del in terior del axón. El
y Huxley desarrollar su ingenioso m odelo m atem ático, que
axón gigante del calamar es el más grande conocido en
habría sido más difícil de establecer en sistem as con diná
animales. Es cientos de veces m ayor que cualquier otro
micas iónicas más com plejas. Ellos jam ás habrían antici
conocido en m am ífero y es más de cinco veces más largo
pado esta propiedad del axón gigante del calamar, así que
que el de cualquier invertebrado. Sólo a través de cuida
tanto la casualidad com o la planificación jugaron un papel
dosos expe rim en tos utilizando el axón gigante fueron ca
fundam ental en el éxito de sus experim entos.
paces Hodgkin y Huxley de obtener los datos que les perm itieron form ular los m odelos m atem áticos para des
Referencias
cribir el potencial de acción. En 1952 publicaron un artícu
• Hodgkin, A. L., and A. F. Huxley. 1952. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. Journal o f Physiology (London) 117:500-544.
lo que contenía el m odelo m atem ático para explicar el potencial de acción en función de la teoría eléctrica. En
La capacitancia de la m em brana tam bién cambia con el increm ento del diám etro del axón, pero esto sólo tiene un efecto m enor sobre la constante de tiempo de la m em brana. Ya hem os visto que la resistencia de m em brana dism inuye con el aum ento del área. En cambio, la capacitancia de la m em brana aum enta con el área de la m em brana. Por lo tanto, los efectos de la resistencia de m em brana y de la capacitancia sobre la constante de tiempo tienden a cancelarse. De este modo, los cambios en la constante de tiempo tienen relativam ente poco efecto en el flujo local de corriente conforme el diám etro del axón aum enta.
E volución de los axones m ie lin iza dos en los ve rte b ra d o s A p esar que el increm ento en el diám etro de los axo nes produce u n aum ento de la velocidad de conduc ción, existen dos inconvenientes en el uso de esta estrategia. Los axones de g ran calibre ocupan m ás espacio y esto lim ita el núm ero de n eu ro n as que
pueden ser em paquetadas en el sistem a nervioso. O rganism os como los m am íferos, con sistem as n e r viosos m uy com plejos, no poseen axones gigantes. En su lugar, utilizan la m ielinización p a ra in cre m e n ta r la velocidad de conducción de los potencia les de acción. Los axones de g ran calibre tam bién tien en m ás volum en de citoplasm a po r un id ad de longitud, lo que desde el punto de vista energético los hace m uy costosos de producir y m antener. Como resultado, debe e sp era rse que los axones gigantes se utilicen sólo cuando se necesitan veloci dades de conducción extrem adam ente ráp id as p a ra sobrevivir. En el calam ar, los axones gigantes están p resen tes sólo en las n eu ro n as que controlan com portam ientos de escape y huida. Igualm ente, los axones gigantes están asociados con resp u estas de escape en otros organism os (incluyendo a v e rte b ra dos e invertebrados). Las n e u ro n a s m ielin izad as se e n c u e n tra n en la m ay o ría de los v erteb ra d o s. Sólo las la m p re a s y anguilas (verteb rad o s sin m andíbulas) no poseen
C A P ÍTU LO 5
A, = Vfím/R¡ R x
1
2a rh
R> “ nr*h
Xoc 0,7 Fig u ra 5.25.
Xoc 1,6 ¿P or qué los a x o n e s g ig a n te s c o n d u c e n p o
t e n c ia le s de a c c ió n r á p id a m e n te ?
La geom etría del axón influye sobre la constante de lo ngitud de la m em brana y explica por qué los axones de m ayor diá m etro conducen las señales más rápidam ente que los de m e nor diám etro. La constante de lo ngitud de la m em brana es directam ente proporcional a la resistencia de m em brana (Rm) e inversam ente proporcional a la resistencia in tracelular (/?.). La resistencia de m em brana es in versam ente proporcional al radio del axón, m ientras que la resistencia in tracelular es in versam ente proporcional al radio del axón al cuadrado. Un axón de radio 1 tendrá una constante de lo n g itu d p roporcio nal a 0,7, m ientras que un axón de radio 5 tendrá una cons tante de lo ngitud proporcional a 1,6. Una m ayor constante de lo ngitud significa que las corrientes locales pueden flu ir más lejos sin degradarse, y por tanto la conducción de la señal será más rápida.
b a n d a s m u lticap as de m ielina. C iertas n e u ro n a s de los in v erteb rad o s tam b ién tien en axones que están envueltos con m últiples cap as de m e m b ra n a celu lar, au n q u e estas en v o ltu ras difieren en su e stru c tu ra de la v e rd a d e ra m ielina en co n tra d a en los v e rte b ra d o s y p u ed e que no sean ta n eficaces p a ra a u m e n ta r la velocidad de conducción (Caja 5.3). La b a n d a de m ielina es u n a im p o rtan te innovación evolutiva que p erm ite la rá p id a p ropagación de la se ñ al en u n espacio com pacto, lo que p uede p ro p o rcio n ar las condiciones n ec e sa ria s p a ra la evo lución de sistem as n erv io sos m ás com plejos en los v erteb rad o s.
Estructura y función de la neurona
La m ie lin iza ció n increm enta la velocid ad de con du cción Las neu ro n as m ielinizadas conducen las señales m ás rápido que las no m ielinizadas porque las b an d as de m ielina actúan como aislantes del axón, por lo que reducen la p érdida de corriente a través de los cana les de fuga y, de ese modo, aum entan la resistencia de m em brana. La reducción de la p érdida de iones increm enta la constante de longitud de la m em brana y aum enta, po r tanto, la distancia que las co m en tes locales pueden reco rrer antes de desaparecer. Así, reduciendo la pérdida de iones aum entam os la velo cidad de conducción. La presencia de las vainas de m ielina tam bién dism inuye la capacitancia de m em bran a, puesto que ésta es inversam ente proporcional al grosor de la capa aislante en el capacitor. Varias capas de la m em b ran a celular de las vainas de mielina actúan ju n tas como un aislante único. Por tanto, aunque cada m em brana de estas vainas tiene el m ism o grosor, el grosor efectivo de todas las capas juntas es m ucho mayor. El increm ento en el grosor de la m em brana dism inuye la capacitancia, red u ciendo la constante de tiem po de la m em brana y, por tanto, increm entando la velocidad de la conducción electrotónica entre los internodos. Nótese que la localización de los nodos de Ranvier es crítica en la función de los axones mielinizados. Los nodos no pueden estar situados dem asiado lejos pues la señal puede no ser suficiente p a ra des polarizar a la m em brana del siguiente nodo debido a la invariable caída de la corriente con la distancia presente tam bién en las fibras m ielinizadas. Típica m ente, la distancia entre internodos es cerca de unas 100 veces el diám etro del axón y va desde 200 jim hasta los 2 m m . De hecho, en algunas neuronas, la propagación electrotónica puede tra n sp o rta r una despolarización supraum bral po r m uchos nodos de Ranvier que ap aren tan d isp arar “sim ultáneam ente”.
D ive rsid a d en la tra n s m is ió n sin á p tica Una vez que la onda de despolarización alcanza el term inal axónico, la señal eléctrica debe ser transfe rid a a la célula postsináptica. En la prim era m itad del capítulo, hem os visto como las neuronas m otoras de los vertebrados liberan el neurotransm isor acetilcolina p a ra enviar señales a través de las sinapsis. Sin em bargo, la transm isión sináptica es increíblem ente diversa y puede im plicar diversos m ecanism os. Por ejemplo, a diferencia de lo m ostrado anteriorm ente
191
192 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
Caja 5.3 Evolución y diversidad La evolución de las vainas de mielina Ciertas neuronas de invertebrados, entre
Ranvier. Esta parte de la vaina de m ielina form a uniones
ellas las fibras nerviosas gigantes en la XX
sim ilares a las septadas de los invertebrados. Todas estas
ventral de los gusanos, cangrejos y langostinos, están
observaciones sugieren que existen sim ilitudes aún por
envueltas por m últiples capas de m embrana celular fo r
descubrir entre las vainas de m ielina de los vertebrados y
m ando un patrón que se parece externam ente a las vainas
las envolturas de los invertebrados.
de m ielina presentes en los axones de los vertebrados.
Otras sim ilitudes entre las neuronas de estos dos gru
Unos com plejos proteicos llamados uniones septadas
pos pueden dar pistas adicionales sobre la evolución de las
m antienen juntas a las células que se envuelven alrededor
vainas de mielina. Por ejem plo, en la babosa de m ar inver
de los axones form ando estas estructuras sim ilares a las
tebrada Aplysia, los canales de Na+ dependientes de vol
vainas de mielina. Las uniones septadas form an un sello
taje están agrupados en ubicaciones diferentes a lo largo
rígido entre las células que envuelven a la neurona y perm i
del axón. Igualm ente, los canales de Na+ dependientes de
ten aislar el nervio del fluido extracelular. Esta observación
voltaje en vertebrados están agrupados en los nodos de
sugiere que la envoltura en los invertebrados puede jugar
Ranvier de una neurona mielinizada. El agrupam iento de
un papel sim ilar a la función aislante de la mielina. Existen,
canales dependientes de voltaje parece ser m uy im por
sin embargo, una serie de diferencias entre las vainas de
tante para optim izar la conducción del potencial de acción,
mielina de los vertebrados y las envolturas de los inverte
incluso en las fibras no mielinizadas. Actualm ente, sin
brados. Por ejem plo, obsérvese en la figura que el núcleo
embargo, no está claro hasta qué punto estas sim ilitudes
de la célula envolvente se sitúa generalm ente ju n to al axón,
son sucesos evolutivos independientes que representan la
en lugar de hallarse en las capas externas de la vaina com o
convergencia de un diseño óptim o, o si estaban presentes
en los vertebrados.
en antepasados com unes a todos los animales.
Aunque existe una diversidad im portante entre los invertebrados en la m orfología de estas envolturas neuronales, en general, las capas de m embrana que la form an no están tan em paquetadas com o en las vainas de mielina. Asim ism o, las proteínas que conform an en las vainas de mielina y en las envolturas son m uy diferentes; por ejem plo, ciertas proteínas se saben que son m uy im portantes para la función de las vainas de m ielina en los vertebrados. Si estas proteínas son defectuosas o están presentes en niveles reducidos, la tasa de conducción de los potenciales de acción dism inuye significativam ente. Ninguna de estas proteínas se encuentra en los invertebrados. Esta observa ción sugiere que la maquinaria m olecular involucrada en las envolturas difiere significativam ente de la im plicada en la form ación de las vainas de mielina, y por tanto deben haber evolucionado de m odo independiente. Sin embargo, recientem ente se ha m ostrado que algu nas de las proteínas implicadas en la interacción entre las vainas de m ielina y el axón se encuentran tanto en inverte brados com o en vertebrados. Por ejem plo, en la mosca de
Referencias
la fruta Drosophila (un invertebrado) existen unas proteínas
• Waehneldt, T. V. 1990. Phylogeny of myelin proteins. Annals of the New YorkAcademy of Sciences. 605:15-28.
llamadas neurexinas que se encuentran a una alta concen tración en las uniones septadas de las células que envuel ven el axón. Una proteína sim ilar se encuentra en los m am íferos en las vainas de m ielina cercanas a los nodos de
• Weatherby, T. M., Davis, A. D., Hartline, D. K., and Lenz, P. H. 2000. The need for speed. II. Myeline in calanoid copepods. Journal of Compara tive Physiology. A. 186:347-357.
C A P ÍTU LO 5
T
Neurona presináptica
Señal eléctrica
Señal eléctrica
T
Señal eléctrica
Señal química
Señal eléctrica
Neurona postsináptica
(a) Sinapsis eléctrica Fig u ra 5.26.
Estructura y función de la neurona
Señal eléctrica
(b) Sinapsis química
S in a p s is e lé c tr ic a s y q u ím ic a s .
(a) En una sinapsis eléctrica la señal eléctrica es tran sm itida directam ente desde la cé lula presináptica hasta la postsináptica a través de las uniones com unicantes, (b) En una sinapsis quím ica, la señal eléctrica en la célula presináptica se tran sform a en una señal quím ica en la form a de neurotransm isor, que cruza la hendidura sináptica y se une a un receptor en la m em brana de la célula postsináptica. El receptor convierte la señal quím ica en una señal eléctrica en la célula postsináptica.
p a ra las m otoneuronas de los vertebrados, algunas neu ro n as no liberan neu ro transm isores químicos en sus células diana. En cam bio, estas neu ro n as poseen uniones com unicantes que las conectan directa m ente con sus células diana (Figura 5.26). Como ya vimos en el Capítulo 4, las uniones com unicantes se com ponen de u n a serie de proteínas que form an pequeños poros en la m em brana de dos células adya centes, que perm iten el paso de iones y otras m olécu las de pequeño tam año. Las sinapsis en las que las neu ro n as p re y postsinápticas están conectadas a través de uniones com unicantes se denom inan sin a p sis eléctrica s, puesto que la señal eléctrica en la célula presináptica se transfiere directam ente a la postsináptica. La m ayoría de las neuronas, sin em bargo, no form an uniones com unicantes con sus células diana. En su lugar, estas neuronas form an sin a p sis quím icas. Como ya vimos en el caso de las neu ro n as m otoras de los vertebrados, en u n a sinap sis quím ica la n eu ro n a presináptica convierte la señal eléctrica en quím ica en form a de n eu ro tran s misor, que difunde a través de la sinapsis hasta la célula postsináptica uniéndose al receptor.
Las sinapsis eléctricas y químicas juegan un papel diferente Las sinapsis eléctricas y quím icas se diferencian en m uchos aspectos. En una sinapsis química, el flujo de
inform ación es de la célula presináptica a la postsi náptica y nunca en dirección contraria. La tran sm i sión a través de una sinapsis quím ica es tam bién relativam ente lenta com parada con la velocidad de propagación de un potencial de acción debido a la necesidad de fusión de las vesículas, difusión del neu rotransm isor y transducción de señal en la célula postsináptica. Por lo tanto, la transm isión a través de u n a sinapsis quím ica se asocia con un retraso sinóp tico de varios milisegundos. Por el contrario, la transm isión a través de un a sinapsis eléctrica es típi cam ente instantánea puesto que ocurre a través de u n a propagación electrotónica y no está asociada con ningún retraso. Además, las sinapsis eléctricas p u e den recopilar inform ación en cualquier dirección, puesto que las corrientes eléctricas o los iones pueden m overse librem ente a través de las uniones com uni cantes que conectan a las células (aunque algunas uniones com unicantes tienen estructuras especializa das que aseguran la transm isión unidireccional). Aunque la transm isión de la señal a través de la sinapsis eléctrica es m ucho m ás rápida que a través de la sinapsis química, estas últim as tienen ventajas especiales. En u n a sinapsis eléctrica, la señal en la célula postsináptica siem pre es igual a la enviada por la célula presináptica, puesto que la transferencia directa de corriente o iones es responsable de la señal postsináptica. En un a sinapsis química, la señal en la célula postsináptica no es necesariam ente
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
igual a la enviada p o r la célula presináptica. Por ejemplo, u n a serie de potenciales de acción en la célula p resináptica da lugar a la liberación de neuro tran sm iso r que induce u n a hiperpolarización en la p ostsináptica, inhibiéndola de d isp arar potenciales de acción. Las sinapsis quím icas proporcionan un nivel adicional de regulación del sistem a nervioso: en com paración, el acoplam iento eléctrico directo a tr a vés de sinapsis quím ica lim ita la diversidad de la señal en la célula postsináptica. Las sinapsis eléctricas están presentes en las vías n eu rales involucradas en las conductas de escape en algunos organism os, debido presum iblem ente a que increm en tan la velocidad de la respuesta. Por ejem plo, las n eu ro n as involucradas en la respuesta de escape del cangrejo de río están conectadas por sinapsis eléctricas. La pro p o rció n de sin ap sis eléctricas y quím icas en el sistem a nervioso tam b ién v aría en tre o rg an is m os. Por ejem plo, los organism os con sistem as n e r viosos relativ am en te sim ples com o los cnidarios (m edusas, an ém o n as y otros anim ales) suelen ten er u nio n es eléctricas en tre sus n eu ro n as, m ien tras que los organism os con sistem as nerviosos con vías n eu rales m ás com plejas g en eralm ente u sa n sin a p sis quím icas. Como verem os en el Capítulo 8 , de estas re d e s y vías n eu rales m ás com plejas em ergen co m portam ientos m ás sofisticados y plásticos. Sin em bargo, las sin ap sis eléctricas tam b ién desem pe ñ a n u n p ap el m uy im p o rtan te en organism os con sistem as nerviosos com plejos. En el cerebro de los m am íferos, p o r ejem plo, estas sinapsis p u ed en ser im p o rtan tes p a ra la sincronización n eu ro n al en el cerebro.
Las sinapsis químicas tienen diferentes estructuras Hay diferencias d estacables en la morfología de las sinapsis quím icas (Figura 5.27a). Ya hem os exam i n ado la m orfología de la u nión neurom uscular, la sinapsis en tre u n a m o to n eu rona y un m úsculo. El axón de u n a m o to n eu ro n a se divide en m uchas te r m inales y cada ra m a term in a en u n a especie de h in chazón llam ado term in al axónico (o a veces botón term inal o puño sinóptico). Las sinapsis form adas po r el term in al axónico son m uy estru ctu rad as y la m em b ran a p ostsináptica posee u n a g ran densidad de recep to res de n e u ro tran sm iso res m uy cercanos al term inal. Los term in ales axónicos se en cu en tran en m uchos tipos de n eu ro n as adem ás de las moton eu ro n as que ya hem os descrito. A lternativam ente,
algunas n eu ro n as form an sinapsis en las v a rico si d ad es a x ó n ica s o botones a lo largo del axón que se alinean como cuentas en un hilo. Cada uno de estos term inales contiene vesículas llenas de n eu ro tran sm iso r que son lib erad as en las células diana. Como verem os en el Capítulo 8 , ciertos tipos de n e u ro n as en el sistem a nervioso periférico, llam adas neuronas autonóm icas, form an sinapsis con sus órganos efectores en las varicosidades axónicas. E stas uniones neuroefectoras difieren de las v erd a d eras sinapsis en que la m em b ran a de la célula postsináptica no está especializada y, por tanto, no contiene u n a alta concentración de receptores. En cam bio, los n eu ro tran sm iso res difunden am plia m ente y contactan receptores localizados a lo largo de g ran d es áre a s del órgano diana. Las n eu ro n as del sistem a nervioso cen tral p ueden form ar un tipo sim ilar de sinapsis llam adas sm a p sis en p a ssa n t que consisten en u n a hinchazón a lo largo del axón de la célula presináptica. E stas sinapsis difieren de las uniones neuroefectoras en que la m em b ran a de la célula postsináptica contiene u n a alta con cen tra ción de receptores. Otro tipo com ún de sm apsis en el sistem a nervioso central es la sin a p sis en las espinas. En estas sinapsis, la célula p resináptica conecta con u n a estru ctu ra especializada, llam ada espina dendrítica, en la d en d rita de la célula postsi náptica. Las sm apsis en tre n eu ro n as pu ed en form arse en varios sitios (Figura 5.27b). Las sinapsis axod endríticas se form an en tre el term in a l axónico de u n a n e u ro n a y la d en d rita de otra, m ien tra s que las axosom áticas tienen lugar en tre el term in a l axó nico y el cuerpo celular. Las sm apsis axodendríticas y axosom áticas son las m ás com unes en tre n e u ro nas. Las sinapsis dendrodedríticas se form an entre las d en d ritas de dos n eu ro n as y son generalm ente sm apsis eléctricas que p erm iten el flujo de inform a ción en dos direcciones. Las sinapsis axoaxónicas se form an en tre el term in a l axónico de u n a n e u ro n a p resin áp tica y el term in al axónico de otra n eu ro n a. Las sinapsis axoaxónicas ocu rren fre cuentem ente cercanas al term in al axónico de la n e u ro n a po stsin áp tica y tien en un papel m uy im p o rtan te en reg u lar la liberación de n e u ro tra n s m isores de la n eu ro n a po stsin áp tica alterando el influjo de Ca2+.
Existen varios tipos de neurotransmisores Las neuronas que form an las sinapsis quím icas pue den com unicarse de m odos m uy diversos dada la
C A P ÍTU LO 5
Estructura y función de la neurona
(a) Tipos de sinapsis
(b) Localización de las sinapsis entre neuronas F ig u ra 5.27.
V a r ia c io n e s en la e s tru c tu ra y lo c a liz a c ió n de la s s in a p s is .
(a ) Diversidad estructural de las sinapsis quím icas. Existen cuatro tip o s de sinapsis quím icas. (b ) Diversidad en la localización de las sinapsis entre neuronas. Las sinapsis pueden ser
axodendríticas, axosom áticas, dendrodendríticas o axoaxónicas.
g ran diversidad de sustancias quím icas que actúan como n eurotransm isores. Los neurobiólogos h an descubierto del orden de m ás de 50 sustancias que actúan como neu ro tran sm isores (Tabla 5.4), y estos neuro tran sm iso res tien en efectos diferentes en las células postsinápticas. P ara ser clasificada como neurotransm isor, una sustancia debe cum plir u n a serie de criterios. Debe ser sintetizada en neuronas. Debe ser liberada en la m em b ran a de la célula presináptica po r despolari zación y debe unirse a u n receptor postsináptico y cau sar u n efecto detectable. Los neurobiólogos gene ralm ente ag ru p an los neurotransm isores en cinco clases fundam entales: am inoácidos, neurop ép tid os, am inas b iogén icas, acetilcolina y un cajón de sastre
que agrupa a u n a serie de neurotransm isores que no se ajustan a estos grupos. Existen cuatro am inoácidos que actúan como neurotransm isores: el glutam ato, aspartato, glicina y el ácido am inobutírico (GABA). El glutam ato, aspartato y la glicina tam bién se utilizan p a ra la síntesis de proteínas; GABA es un derivado del glutam ato. Los anim ales pueden sintetizar todos estos cuatro am i noácidos que actúan como m ensajeros químicos, aunque tam bién pueden obtenerlos de los alim entos. U na vez sintetizados, los neurotransm isores am ino ácidos son em paquetados en vesículas y alm acena dos hasta que son liberados po r exocitosis. Los neuropéptidos, tam bién llam ados péptidos neuroactivos o péptidos neurotransm isores, están
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196 PR IM E R A PARTE
Tabla 5 .4 .
Las bases celulares de la Fisiología Animal
R esum en de los n e u ro tra n s m is o re s .
N eurotransm isor
R eceptor
Tipo de recep tor
L ocalización de recep tor
Efecto
Acetilcolina
Nicotínico
Ionotrópico
Músculo esquelético, neuronas autónomas, CNS (sistema nervioso central)
Excitador
Muscarínico
Metabotrópico
Musculatura lisa y cardiaca, glándulas endocrina y exocrina, CNS
Excitador o inhibidor
Aminoácidos Glicina
Glicina
Ionotrópico
CNS
Inhibidor
Aspartato
Aspartato
Ionotrópico
CNS
Excitador
Glutamato
AMPA
Ionotrópico
CNS
Excitador
NMDA
Ionotrópico
CNS
Excitador
m G lul - 8
Metabotrópico
CNS
Excitador o inhibidor
GABA-A
Ionotrópico
CNS
Inhibidor
GABA-B
Metabotrópico
CNS
Generalmente inhibidor
Dopamina
Dopamina
Metabotrópico
CNS
Excitador o inhibidor
Noradrenalina
a y p adrenérgico
Metabotrópico
CNS y periférico, músculo cardiaco, músculo liso
Excitador o inhibidor
Adrenalina
a y p adrenérgico
Metabotrópico
Músculo cardiaco, músculo liso, CNS
Excitador o inhibidor
Endorfinas
Opiáceos
Metabotrópico
CNS
Generalmente inhibidor
Neuropéptido Y
PNY
Metabotrópico
CNS
Excitador o inhibidor
Adenosina
Purina
Metabotrópico
CNS
Generalmente inhibidor
Óxido nítrico
Ninguno
Desconocido
Desconocido
Desconocido
GABA
Aminas biogénicas
Péptidos
Otros
com puestos de cadenas cortas de am inoácidos. Los n européptidos son sintetizados en el retículo endoplasm ático rugoso que sintetiza todos los péptidos secretados. En las n euronas, el retículo endoplasm ático rugoso se encuentra generalm ente en el cuerpo celular. Las vesículas que contienen los neuropépti dos son, por tanto, tran sp o rtad as desde el som a h asta el term inal axónico a través de un complejo sis
tem a de m icrotúbulos según un proceso llamado tran sp orte axon al rápido, que estudiarem os en el Capítulo 6 . Sin em bargo, los neurobiólogos h an d es cubierto recientem ente que algunas neuronas de invertebrados como las babosas pueden sintetizar péptidos neurotransm isores tanto en el axón como en los term inales, lo que sugiere u n nivel adicional de com plejidad funcional.
C A P ÍTU LO 5
La acetilcolina y las am inas biogénicas juegan un papel m uy im portante en la integración de las funcio nes fisiológicas pues constituyen neurotransm isores que perm iten la com unicación entre diferentes tipos de tejidos. A lo largo de este libro ap arecerán u n a y otra vez estos n eurotransm isores, pues están involu crados en la regulación de m uchos sistem as fisiológi cos. Hem os estudiado ya el papel de la acetilcolina en la unión neurom uscular, pero este neurotransm isor tam bién desem peña m uchos papeles en el sistem a nervioso central. Debido a su im portancia fisiológica, verem os la acetilcolina y las am inas biogénicas m ás detalladam ente en la últim a sección. Algnos neuro tran sm isores no se encuadran en ninguna de estas clases quím icas. Estos n eu ro tran s m isores incluyen el ATP, que es muy im portante p ara el m etabolism o energético, y el gas óxido nítrico. Los neuro tran sm iso res gaseosos, como el óxido nítrico (NO), no se em paquetan en vesículas. En lugar de eso, u n a vez sintetizados en el term inal, éstos difun den librem ente en todas las direcciones. Puesto que el NO diftmde a través de las m em branas, no puede ser alm acenado y debe ser sintetizado a dem anda.
Estructura y función de la neurona
cos. Los receptores ionotrópicos son canales iónicos activados por ligando. Como ya describim os en el Capítulo 4, cuando un neurotransm isor u otra m olé cula señalizadora se une a un receptor ionotrópico, la p roteína cam bia de conform ación abriendo un poro en el receptor que perm ite el paso de iones por la m em brana (Figura 5.28a). Debido a que la unión del
Fluido extracelular Los iones no pueden cruzar la membrana
¿9----- Neurotransmisor
V /7 \
Sitio de unión del neurotransmis
V
El neurotransmisor se une al receptor
Los iones atraviesan la membrana Cambio rápido en el potencial de la membrana
Citoplasma (a) Receptores ionotrópicos
Neurotransmisor
Los neurotransmisores pueden ser excitadores o inhibidores Como apuntam os brevem ente al tra ta r sobre las pro piedades de las sinapsis químicas, dependiendo de la naturaleza del receptor, un neurotransm isor puede causar en la célula postsináptica tanto una despo larización como u n a hiperpolarización. Los neuro transm isores inhibidores generalm ente provocan hiperpolarizaciones, haciendo que p ara la célula postsináptica sea m ás difícil disparar potenciales de acción. Los neurotransm isores excitadores general m ente ocasionan despolarizaciones, haciendo que p ara la célula postsináptica sea m ás fácil disparar. Los cam bios resultantes en el potencial de m em brana suelen denom inarse p oten ciales p ostsinápticos inhibidores (IPSP) y p oten ciales p ostsinápticos ex cita d o res (EPSP).
Los receptores de neurotransmisores pueden ser ionotrópicos o metabotrópicos La unión de u n neu ro tran sm isor a su receptor puede ocasionar resp u estas ráp idas o lentas en la célula postsináptica dependiendo de la cascada de tra n s ducción de la señal que esté asociada con el receptor. Los receptores de neuro transm isores se clasifican generalm ente como ion otrópicos o m etab otróp i
El neurotransmisor se une al receptor
i
Receptor metabotrópico
y
®
( 2) Activa una vía de transducción de la señal ^
t
Se abren canales iónicos, los iones entran a la célula
(4_) Modifica las proteínas
existentes, activa o libera la expresión de genes ©
Respuesta celular combinada
(b) Receptores metabotrópicos Fig u ra 5.28.
R e c e p to re s io n o tró p ic o s y m e ta b o tró p ic o s .
(a) Estructura y funció n de un receptor io notróp ico. Cuando
no hay un neu rotransm isor unido al receptor io notróp ico, el canal iónico dentro de la proteína está cerrado y los iones no pueden cruzar la m em brana. Cuando el neu rotransm isor se une al receptor io notróp ico, el canal activable se abre, lo que perm ite a los iones flu ir y provocar una respuesta en la célula postsináptica. (b) Estructura y funció n de un receptor m eta botrópico . Cuando el neu rotransm isor se une a u n receptor m etabotrópico, éste cam bia de form a enviando una señal que activa una vía de transducción de la señal. La vía de tran s ducción de la señal puede abrir o cerrar canales iónicos, m o dificar las proteínas de canales iónicos ya existentes o activar o re p rim ir la expresión de genes, causando una respuesta celu larcoordin ada.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
neu ro tran sm iso r ocasiona directam ente los cambios en la form a de las proteínas perm itiendo el movi m iento iónico, los receptores ionotrópicos inician cam bios rápidos en el potencial de m em brana de la célula postsináptica. El receptor nicotínico de ACh es u n ejemplo de receptores ionotrópicos. Cuando u n neu ro tran sm isor se une a un receptor m etabotrópico, hay un cam bio en la conform ación del receptor (Figura 5.28b) que envía un a señal a tr a vés de segundos m ensajeros iniciando una cascadas de señalización en la célula postsináptica. Ya hem os explicado la organización y la fimción de varias vías de transducción de la señal en el Capítulo 4, y los receptores m etabotrópicos funcionan con m ecanis m os sim ilares. La cascada de señalización activada p o r un receptor m etabotrópico envía en últim a ins tancia im m ensaje a u n canal iónico m odulando la actividad de los canales iónicos en la célula post sináptica y, p o r tanto, alterando el potencial de m em b ran a. Los receptores m etabotrópicos tienden a provocar cam bios m ás lentos en las células postsinápticas que los ionotrópicos debido a las complejas vías de señalización que m edian entre la unión al receptor y la ap ertu ra de los canales iónicos. Los receptores m etabotrópicos generalm ente producen cam bios a largo plazo en la célula postsináptica al influir en la transcripción o la traducción de recepto res y canales iónicos.
Los receptores de acetilcolina pueden ser ionotrópicos o metabotrópicos Ya hem os discutido el papel de la ACh en tran sp o rtar señales a través de la unión neurom uscular, pero la acetilcolina es tam bién un neurotransm isor en m uchas sinapsis del sistem a nervioso autonóm ico y el cerebro de los vertebrados (véase el Capítulo 8 p a ra u n estudio sobre la fisiología de estos sistemas). Hay dos clases fundam entales de receptores de ACh: receptores nicotínicos y m uscarínicos. Los recepto res nicotínicos son receptores ionotrópicos que gene ra n un a resp u esta ráp id a en la célula diana, m ientras que los m uscarínicos son receptores m etabotrópicos que g eneran una resp u esta lenta. Los receptores n ico tín icos se form an con una v ariedad de com binaciones de cinco subunidades: a, |3, 7 , e y 8, cada u n a de las cuales es codificada por diferentes isom orfos. Los receptores nicotínicos fue ro n estudiados inicialm ente en el órgano eléctrico del Torpedo califom ica, que g enera una fuerte corriente eléctrica que este anim al usa p a ra atu rd ir a sus p re sas. El órgano eléctrico es un m úsculo modificado
Receptor nicotínico de Ach F ig u ra 5.29.
Membrana plasmática
Sitios de unión de Ach en el receptor nicotínico
D ia g ra m a e s q u e m á tic o d e l re c e p to r
n ic o tín ic o de AC h d e l ó rg a n o e lé c tr ic o d e l To rp ed o .
El receptor nicotínico de ACh es un receptor io notróp íco he cho de cinco subunidades organizadas alrededor de un poro central que form a un canal perm eable a Na+. Cada receptor tiene dos sitios de unión para ACh, form ado s por subu nida des a unidas a subunidades 7 0 8 .
que posee altos niveles de receptores nicotínicos de acetilcolina. La Figura 5.29 m uestra la com binación de subunidades de los receptores ACh expresados en el órgano eléctrico de Torpedo. E stas subunidades están organizadas como duelas de un b arril alrede dor de un poro central. Estos receptores nicotínicos de tipo m uscular tienen dos sitios de unión p a ra ACh que están localizados en la subunidad a en la interfase con las subunidades a -8 y a--y. La composición de las subunidades de los receptores nicotínicos es diferente en el m úsculoesquelético, el sistem a n e r vioso autónom o y el cerebro. Los receptores nico tínicos en el sistem a nervioso autónom o están com puestos de im a subim idad a3 , im a a5, u n a a7, u n a subunidad |32 y una |34, m ientras que los recep tores en el cerebro están com puestos predom inante m ente de com binaciones de subunidades a 4 y (32. E stas diferentes subunidades y com binaciones de isomorfos confieren propiedades diferentes al recep tor, y por tanto un nuevo nivel de com plejidad al sis tem a nervioso de los vertebrados. Los receptores m u scarín icos de ACh son recep tores m etabotrópicos que están acoplados directa m ente a canales iónicos a través de proteínas G. Los receptores m uscarínicos se llam an así debido a la droga m uscarina que se une a ellos y no a los recep tores nicotínicos. Estos receptores se encuentran en diversos tejidos, que incluyen el cerebro, el corazón, el intestino y las vías bronquiales. La estim ulación de los receptores m uscarínicos provoca im a respuesta lenta en la célula postsináptica que puede ser tanto excitadora como inhibidora dependiendo del tipo celular. Aunque los receptores m etabotrópicos (como
C A P ÍTU LO 5
Tabla 5 .5 .
Subtipo de receptor
Estructura y función de la neurona
S u b tip o s d e re c e p to re s c o lin é rg ic o s .
Localización
Efecto de la unión
Vía de segundos mensajeros
Agonistas
Antagonistas
Nicotínico
Unión neuromuscular, neuronas ganglionares, m édula renal
Excitación
Influjo de iones
ACh, nicotina, carbacol
Curare
Muscarínico
Intestino
Excitación
Proteían G
ACh, muscarina, carbacol
Atropina, escopolamina
Corazón
Inhibición
Bronquiolos (pulmones)
Excitación
Glándulas sudoríparas
Activación
Vasos sanguíneos del músculoesquelético
Inhibición
los m uscarínicos) originan respuestas m ás lentas que los ionotrópicos (como los nicotínicos), son capaces de g en erar resp u estas m ás diversas. La Tabla 5.5 resum e algunas sem ejanzas y diferencias entre los tipos de receptores colinérgicos.
Las aminas biogénicas tiene diferenteáU papeles fisiológicos Las am inas son sustancias químicas que poseen un grupo am ino (-N H ,), y aquellas que pueden actuar como m ensajeros químicos se denom inan am inas biogénicas. M uchas am inas biogénicas actúan como n eurotransm isores; en tre ellas se encuentran las ca teco la m in a s (dopam ina, n orad ren alin a y a d re nalina) y la sero to n in a (Capítulo 4). Todas estas am inas biogénicas son sintetizadas en el term inal axónico usando u n am inoácido como precursor. La acetilcolina tam bién contiene un grupo NH 2 y, por tanto, puede ser potencialm ente considerada una am in a biogénica. Sin em bargo, debido a que la ACh no es sintetizada a p artir de un precursor am ino ácido y puesto que el grupo NH 2 está en el centro de la m olécula en lugar de en un term inal, ésta se clasi fica independientem ente. Las catecolam inas son sintetizadas en u n a ru ta com ún a p artir de la tirosina (Figura 5.30). La seroto nin a es sintetizada a p artir del am inoácido triptófano en u n a ru ta com ún con la horm ona m elatonina. La dopam ina y la serotonina están involucradas princi palm ente en la señalización en el sistem a nervioso central y se tratan con m ás detalle en el Capítulo 8 . La epinefrina y la n orepinefrina (tam bién llam adas
ad ren alin a y noradrenalina) juegan im papel m uy im portante en el sistem a nervioso periférico y están involucradas en la regulación de m uchos procesos fisiológicos, incluyendo el latido cardiaco y la resp i ración, que estudiarem os con m ás detalles en los Capítulos 9 y 10. Los receptores p ara noradrenalina y adrenalina se llam an rece p to res ad ren érgicos (derivado de la palab ra adrenalina). Existen dos clases fundam enta les de receptores adrenérgicos: los alfa (a) y los beta (P). Tanto la n oradrenalina como la adrenalina se unen al receptor a, si bien la unión de la adrenalina es m ás débil. Por el contrario, am bos neu ro tran sm i sores se unen fuertem ente a los receptores a. En los m am íferos, existen m uchas variantes de cada recep to r ( a l, a2; p i, p2, etc.). La gran diversidad de tipos de receptores perm ite a la adrenalina y la n o ra d re nalina ten er efectos opuestos en diferentes tejidos, dependiendo del receptor que esté presente. Por ejemplo, cuando la noradrenalina se une al receptor (32 del m úsculo liso que rodea los bronquiolos (vías de paso hacia los pulm ones), éste se relaja. La relaja ción m uscular aum enta el diám etro de los b ro n quiolos, lo que facilita la respiración. Por el contrario, cuando la n oradrenalina se ime a los receptores a 2 en la m usculatura lisa que rodea los vasos sanguí neos, ésta se contrae. La contracción m uscular dis m inuye el radio del vaso, increm entando la presión sanguínea. La diversidad de receptores adrenérgicos es la causa del efecto opuesto de la noradrenalina en los diferentes tejidos. Los diferentes receptores adrenérgicos activan diferentes cascadas de transducción de la señal en la
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
produce la liberación de Ca2+ de los depósitos intrace lulares y, junto con el DAG, activa la encim a protein quinasa C que fosforila canales de Ca2+ dependientes de voltaje colocándolos en una conformación acti vada. De este modo, la cascada de transducción de señal activa los tejidos diana facilitando la apertura de canales de Ca2+. Por el contrario, la unión del neu rotransm isor a los receptores adrenérgicos a 2 activa un a proteína G diferente, que inactiva la enzim a ade nilato ciclasa, la cual dism inuye los niveles de AMPc. Esta dism inución en AMPc inactiva la enzim a protein quinasa A, inactivando los canales de Ca2+ depen dientes de voltaje. De este modo, esta cascada de transducción de la señal tiende a inactivar el tejido diana haciendo que los canales de Ca2+ se ab ran con m ás dificultad. La im ión del neurotransm isor a los receptores p adrenérgicos activa otra proteína G dife rente, que activa esta vez a la adenilato ciclasa, la cual increm enta los niveles de AMPc. Los niveles incre m entados de AMPc activan a su vez la protein qui n asa A, que activa los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. Esta vía de transducción de la señal tiende a activar los tejidos diana haciendo que sea m ás fácil ab rir los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. De este modo, los efectos de un único neurotransm isor pueden variar dependiendo del receptor particular que haya en el tejido diana. La Tabla 5.6 resum e algu nas características de los principales receptores ad re nérgicos en el hom bre.
Las neuronas pueden sintetizar más de un tipo de neurotransmisor Adrenalina (A) F ig u ra 5.30.
Ruta de s ín te s is de la c a te c o la m in a s .
Las catecolam inas noradrenalina (NA) y adrenalina (A) son sintetizadas en una ruta com ún con la dopam ina a partir del am inoácido tirosina. La L-dopa, DOPA, N A y A s o n am inas biogénicas: m ensajeros quím icos que contienen un grupo anim o (NH2).
célula, y son los responsables de la variación en la respuesta a la no rad ren alin a en los diferentes tejidos. La Figura 5.31 resum en los efectos postsinápticos m ás im portantes de la norepinefrina según se une a diferentes clases de receptores. La unión del neuro tran sm iso r a los receptores adrenérgicos a l activa u n a cascada de transducción de señal que involucra a proteínas G que activan la fosfolipasa C. Ésta a su vez rom pe la molécula de fosfoinositol-fosfato (PIP) en diacilglicerol (DAG) e inositol trifosfato (IP3). El IP3
D urante m uchos años se pensó que las neuronas sólo podían secretar un tipo de neurotransm isor; sin em bargo, ah o ra sabem os que u n a n eu ro n a puede, de hecho, se cre ta r diferentes tipos. Por ejemplo, m uchas neu ro n as sintetizan tanto u n a pequeña m olécula n eu ro tran sm iso ra (como la ACh o la n o r adrenalina) como uno o m ás neuropéptidos. No está aún del todo claro cómo u n a n eu ro n a controla qué n eu ro tran sm iso r está liberando, pero diferentes neurotransm isores parecen ser liberados por un m ism o term inal axónico a diferentes frecuencias de estim ulación. Por ejemplo, la estim ulación de baja frecuencia puede favorecer la liberación de ACh, m ientras que la estim ulación de alta frecuencia da lugar a la liberación de neuropéptidos. Parece que existen diferentes grupos de vesículas en u n a m ism a neurona, donde cada u n a contiene u n n eu ro tra n s m isor diferente y libera su contenido en resp u esta a estím ulos de distintas frecuencias.
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Fluido extracelular Activación de canales de Ca2+ receptor a1 adrenérgico
,-.A~
—
1 1 1 Membrana
-DAG Ruptura
IP3
__ i i I Plasmática ^
v_y
\
'd
p
Activa
Fosforila Citoplasma
(a) Unión de NA a los receptores a1 adrenérgico
Proteína G
AMPc
(b) Unión de NA a los receptores oc2 adrenérgico
Estructura y función de la neurona
Fig u ra 5.31.
U n ió n de la n o r a d r e n a lin a
a d ife r e n te s s u b tip o s de r e c e p to re s .
La noradrenalina puede unirse a diferentes tip o s de receptores y provocar efectos opuestos en la célula diana, (a) C uando la noradrenalina se une a un receptor a1 adrenérgico, éste cam bia su form a y activa una proteína G señalizando la enzima fos folipasa C (PLC), que cataliza la ruptura del fo s fa tid ilin o s ito l-fo s fa to (PIP) en diacilglicerol (DAG) e in ositol trifo s fa to (IP3). El IP3 activa la enzima protein quinasa C, que fosforila y activa los canales de Ca2+. (b ) Cuando la noradrenalina se une a un receptor a l adrenérgico, éste activa una proteína G que inactiva la enzima adenilatociclasa (AC). Esta enzima reduce la pro ducción de AM Pc a p artir de ATP reduciendo sus niveles intracelulares. El AM Pc reducido inactiva la protein quinasa A (PKA), desfosforila ndo canales de Ca2+ e inactivándolos. (c) Cuando la noradrenali na se une a receptores de tip o |3, el cam bio en la form a del receptor activa una proteí na G que activa a su vez la adenilato ciclasa (AC) in crem entando la conversión de ATP en AM Pc y aum entando los niveles in tra celulares de éste. El A M c señaliza la pro tein quinasa A, que entonces se fo s fo rila y activa los canales de Ca2+.
I > Unión de NA J l/ al receptor p |
■— receptor P2
Fosforila
(c) Unión de NA a los receptores p
T a b la 5 .6 .
R esum en de a lg u n o s s u b tip o s fu n d a m e n ta le s de rec e p to re s a d re n é rg ic o s .
Subtipo de receptor
Localización (en humano)
Efectos (en humano)
al
Vasos sanguíneos de la piel, intestino, riñón y glándulas
Vasoconstricción
Una proteína G activa la fosfolipasa C
NA> A
ol2
M em brana de los terminales axónicos adrenérgicos
Inhibe la liberación de NA
Una proteína G inactiva adenilato ciclasa, inhibe producción de AMPc
NA> A
01
Corazón
Incremente la frecuencia y fortaleza del latido cardiaco
Una proteína G activa adenilato ciclasa, estimula producción de AMPc
NA = A
02
Pulmones
Dilatación de los bronquios
Una proteína G activa adenilato ciclasa, estimula producción de AMPc
A>N A
Sistema de segundos mensajeros
Sensibilidad
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La liberación de neurotransmisores varía dependiendo del estado fisiológico Adem ás de u n a sustancial diferencia entre neuronas y especies, la transm isión sináptica tam bién varía en u n a n eu ro n a dependiendo del estado fisiológico. Ya hem os señalado cómo la frecuencia del potencial de acción se relaciona con la liberación de n eu ro tran s m isores, pero la m ayoría de las neuronas poseen otro nivel de com plejidad porque la liberación de los n euro tran sm iso res puede depender de la historia p asad a de disparo de potenciales de acción en el te r m inal. Como verem os en el Capítulo 8, esta plastici d ad sináptica, o la capacidad de u n a sinapsis p ara cam biar su función en resp u esta a patrones de uso, es la b ase de im portantes funciones cerebrales como el aprendizaje y la m em oria. La inm ensa m ayoría de las n eu ro n as m u estran al m enos algún grado de plas ticidad. La Figura 5.32 ilu stra algunas propiedades de la p lasticidad sináptica en la unión neurom uscular. Un increm ento en la liberación de neurotransm isor en resp u esta a potenciales de acción repetidos se llam a fa cilita ción sin áp tica. La facilitación sináptica ocu rre debido a la acum ulación de Ca2+ intracelular ocasionada p o r cada potencial de acción. Por el con-
Inicio del estímulo
Fin del estímulo
Estímulo único
Tiempo (ms) Fig u ra 5 .32.
P la s tic id a d s in á p tic a .
Si una neurona m otora es estim ulada repetidas veces, el cam bio de potencial de m em brana en la célula postsináptica puede aum entar en am p litu d con cada estím ulo sucesivo, proceso llam ado facilitación . Después de un largo periodo de estim ulación a alta frecuencia la am p litu d del cam bio del po tencial de m em brana en la célula postsináptica acabará dis m inuyendo, proceso que recibe el nom bre de depresión sináptica. Si se retira el estím ulo y la neurona se deja durante unos m inutos sin estim ulación, la am plitu d del potencial evo cado por el siguiente estím ulo se ve increm entada, proceso que se denom ina potenciación postetánica.
trario, la d ep resión sin áp tica, que consisten en un decrem ento de la liberación de neurotransm isores p or potenciales de acción repetidos, tiene lugar debido a la progresiva depleción del pool disponible de vesículas sinápticas que están listas p a ra la fusión y la exocitosis del neurotransm isor. La p o te n c ia ció n p o stetá n ic a (PTP) tiene lugar después de un tren de potenciales de acción a alta frecuencia en la n eu ro n a p resináptica. D urante varios segundos o m inutos después de u n a ráfaga de potenciales de acción, un segundo potencial de acción d ará como resultado un increm ento en la libración de neurotransm isor. Los m ecanism os que subyacen a la PTP difieren de aquellos involucrados en la facilitación sináptica y se p iensa que involu cren un increm ento dependiente de Ca2+ del pool de vesículas. La facilitación sináptica y la PTP sólo oca sionan breves cam bios en la actividad de la sin a p sis, aunque, como verem os en el Capítulo 8 , las neu ro n as poseen otros m ecanism os que les p erm i te n inducir cam bios en la plasticidad sináptica a largo plazo.
Evolución de las neuronas Sólo los m etazoos tienen neuronas, pero las señales eléctricas en otros organism os pueden proporcionar pistas de la evolución de las n euronas en los m etazoos. Las plantas, que no poseen neuronas, expresan canales dependientes de voltaje que u san p a ra la com unicación eléctrica. Por ejemplo, las algas de la familia Characeae tienen células gigantes que son capaces de g enerar potenciales de acción. Las células individuales en esta especie pueden alcanzar un m ilí m etro de diám etro y varios centím etros de longitud. Al principio, los neurobiólogos utilizaron esta especie como modelo experim ental cuando no se disponía del calamar, puesto que la form a de los potenciales de acción en estas algas se asem eja a la del axón gigante del calamar. Sin em bargo, a nivel molecular el potencial de acción en las Chara es m uy diferente al registrado en anim ales. Éste resulta del movi m iento de iones Cl~ a través de canales que se acti van en función del Ca2+. Al inicio del potencial de acción tiene lugar un increm ento del influjo de Ca2+ a través de los canales dependientes de voltaje, lo cual inicia u n a vía de transducción de la señal que abre canales de Cl_ y ocasiona un flujo de salida de éstos. Esta salida de Cl~ despolariza la célula y genera un potencial de acción. Por tanto, los potenciales de acción en las Chara no son debidos a canales depen
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dientes de voltaje, aunque estén disparados por éstos. Los potenciales de acción en las Chara com p arten algunas p ropiedades con los de los metazoos, aunque se diferencian en m uchos aspectos. Actúan de un m odo “todo o n a d a ”, pero son conducidos unas m il veces m ás lentos que un potencial de acción típico en los vertebrados. Las plantas verdes, desde los tom ates a los árb o les, tam bién pueden producir potenciales de acción, aunque no poseen tejidos especializados p a ra la con ducción de estas señales a sitios específicos. Los potenciales de acción en p lantas parecen viajar a tr a vés del sistem a de vasos de xilem a y floema y es un m edio de transm isión ráp id a de la señal por toda la planta. La m ayoría de los trabajos realizados sobre los potenciales de acción en plantas se h a n centrado en la resp u esta a la form ación de la m adera, pero incluso u n estím ulo ta n simple como el encendido de la luz puede provocar potenciales de acción en plan tas como el tom ate. La naturaleza y las bases iónicas de los potenciales de acción en las plantas son m ás difíciles de estudiar que en el caso de los anim ales, pues aquéllas tienen u n a p ared rígida y múltiples com partim entos extracelulares con variable com po sición iónica. Sin em bargo, se sabe que los potencia les de acción se conducen sin decrem entos en las plantas y que pueden involucrar el movimiento de iones Ca2+. Igualm ente, los canales dependientes de voltaje están p resen tes en m uchos organism os unicelula res, en tre ellos los p ro tistas y procariotas. El P ara m ecium , u n p ro tista ciliado, n a d a a través del batim iento coordinado de los cilios que recu b ren su exterior. Si u n Param ecium contacta con un objeto sólido m ien tra s n ad a, se volverá hacia atrá s rev ir tiendo el m ovim iento de los cilios. E sta reversión es el resultado de la a p e rtu ra de los canales de Ca2+ que gen eran un potencial de acción. Los P aram e cium m u tan tes que no contienen copias funcionales de estos canales de Ca2+ dependientes de voltaje sólo p ued en n a d a r hacia adelante. En general, los potenciales de acción en los protistos p arecen ser d ependientes de Ca2+; u n a sola especie, la Actinocoryne contractilis, se h a dem ostrado que tenga potenciales de acción dependientes tanto de Ca2+ como de N a+.
m enos un gen que codifique estos canales1. De hecho, el genom a de m uchos m etazoos contiene múltiples genes que codifican isomorfos ligeram ente diferentes de canales de N a+ dependientes de voltaje. Las secuencias de DNA de los genes que codifican estos canales en todos los m etazoos com parten propieda des, lo que sugiere que los canales de Na+ dependien tes de voltaje surgen a p artir de un antepasado común. La evidencia actual sugiere que el antepasado com ún m ás probable es un canal dependiente de vol taje que genera señales dependientes tanto de N a+ como de Ca2+ (tal vez se trate de un canal sim ilar a uno de los descubiertos en Actinocoryne contractilis). Esta observación sugiere que la separación de la con ducción eléctrica como un proceso basado en Na+ debe h ab er sido una innovación clave en la evolución de los organism os m ulticelulares. Como vimos en los Capítulos 3 y 4, el Ca2+ juega un papel im portante en la señalización intracelular en m uchos tipos de célu las, y es posible que esto limite su utilidad como un ion que puede ser usado p ara tran sp o rtar señales eléctricas grandes distancias.
La mayoría de los organismos utilizan sustancias químicas para la comunicación in te rcelu lin d ■ v J I A p esar de que la transm isión sináptica com parte m uchas propiedades con otros m odos de com unica ción intercelular, como la com unicación endocrina y p aracrin a (Capítulo 4), la evidencia actual sugiere que la transm isión sináptica aparece sólo u n a vez, pues todos los seres vivos tienen m ecanism os sim ila res p a ra convertir las señales eléctricas en quím icas en las sinapsis. Por ejemplo, la m edusa, que está muy lejanam ente relacionada con los vertebrados, tiene m ecanism os de liberación de neurotransm isor por las vesículas presinápticas inducidos por Ca2+ que son m uy sim ilares a los usados en las neu ro n as de m am íferos. Muchos neurotransm isores son sim ples m olécu las, como los am inoácidos, que se encuentran en todos los seres vivos. Incluso la acetilcolina ha sido detectada en bacterias, algas, protozoos y plantas
El C. elegans constituye una excepción a esta regla. El genoma de C. elegans no codifica canales de Na+ dependientes de volta je, y por tanto estos animales no producen potenciales de ac ción. Los potenciales graduados son suficientes para transmitir información a lo largo de las neuronas de estos pequeños ani males. El C. elegans se piensa que perdió los ancestrales canales de Na+ dependientes de voltaje en el proceso evolutivo. 1
Sólo los animales tienen canales de Na+ dependientes de voltaje Sólo los m etazoos tienen canales de Na+ dependientes de voltaje, y esencialm ente todos ellos tienen al
Estructura y función de la neurona
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(organism os sin sistem a nervioso). Por tanto, ap a rentem ente la m ayoría de los neurotransm isores no evolucionaron originalm ente p a ra ju g ar un papel en la señalización neuronal. Los m etazoos parecen h a b e r utilizado antiguas m oléculas p ara cum plir una nueva función: la señalización celular en el sistem a nervioso. Conforme el sistem a nervioso se hizo m ás elabo rado, el núm ero y la com plejidad de las interacciones neurotransm isor-receptor se increm entó trem en d a m ente. Por ejemplo, el A m phioxus, un cefalocordado (grupo herm an o de los vertebrados), sólo posee genes p a ra receptores de catecolam inas y utiliza la dopam ina pero no la adren alina como un neuro transm isor. Las lam p reas y el pez bruja tienen dos genes p a ra receptores de catecolam inas, y tanto la dopam ina como la n o rad ren alina son usadas como n eurotransm isores. Por el contrario, en los m am ífe ros existen h asta cinco tipos diferentes de receptores de dopam ina, nueve receptores a adrenérgicos y tres recetores p adrenérgicos. Como verem os en el Capí tulo 8 , la com plejidad creciente de las interacciones receptor-neurotransm isor puede estar involucrada en la evolución de la com plejidad del sistem a n e r vioso de los vertebrados.
Resumen Las n eu ro n as son células excitables que u san una com binación de señales eléctricas y quím icas p ara tran sm itir inform ación ráp id am ente a lo largo del cuerpo. Las dendritas, el cuerpo celular y el axón ju e g an u n papel im portante en la señalización neural. Los receptores acoplados a m em brana en las dendri tas y el cuerpo celular reciben señales de entrada. E stas señales estim ulan los canales iónicos activables, que se ab ren o cierran alterando la distribución de iones a través de la m em b rana celular. Este movi m iento iónico genera potenciales graduados que via ja n distancias cortas a través del cuerpo celular hacia el cono axónico. Muchos potenciales graduados pue den integrarse, bien m ediante la sum ación espacial o bien m ediante la tem poral, p a ra cam biar el potencial de m em b ran a del cono axónico. Cuando el cono axónico se despolariza m ás allá del um bral de disparo, el potencial graduado puede d isp arar un potencial de acción en el axón. Los potenciales de acción ocurren sólo en los axones y difieren de los potenciales graduados en que se com portan de form a “todo o n a d a ” y que pue
den ser conducidos largas distancias sin degradarse. Los potenciales de acción tienen tres fases principa les: u n a fase de despolarización, otra de repolariza ción y u n a tercera de posthiperpolarización. La fase de despolarización del potencial de acción es el resul tado de la ap ertu ra de canales de N a+ dependientes de voltaje, que se abren en respuesta a u n a despola rización um bral o supraum bral de la m em brana. La ap ertu ra de canales de K+ dependientes de voltaje es responsable de la fase de despolarización. Los potenciales de acción individuales no se m ueven por el axón. En cam bio, el potencial de acción en un a p arte del axón activa otro potencial de acción en la zona adyacente de la m em b ran a axonal. Cuando un potencial de acción alcanza el term inal axónico, la señal debe ser transm itida a la otra célula a través de la sinapsis. En las sinapsis eléctri cas, la señal se tran sm ite directam ente de célula a célula a través de las uniones com unicantes. En las sinapsis quím icas, la señal eléctrica codificada po r el potencial de acción se convierte en un a señal quím ica, en form a de un neurotransm isor, que se tran sm ite de célula a célula. La unión de un n eu ro tran sm iso r a su receptor genera u n a señal en la célula postsináptica. La estructura y la función de las neuronas es muy diversa y puede v ariar entre diferentes anim ales y entre diferentes neuronas en un m ism o anim al. Los potenciales de acción pueden variar en duración y form arse entre las distintas neu ro n as como resul tado de diferencias en las propiedades de los canales de N a+ K+ dependientes de voltaje. La velocidad de conducción del potencial de acción tam bién varía entre neuronas. Las propiedades del cable del axón influencian la velocidad a la que los potenciales de acción son conducidos desde el cono axónico hasta el term inal. Los axones de m ayor diám etro y los mielinizados conducen las señales m ás rápidam ente que los de pequeño diám etro debido a las diferencias en las propiedades del cable. La transm isión de la señal a través de las señales quím icas v aría tam bién entre neuronas. Se ha dem ostrado que existen unas 50 sustancias químicas que pueden actuar como neurotransm isores. Algu nos neurotransm isores son exclusivam ente excitado res e inhibidores, m ientras que otros pueden ser tanto excitadores como inhibidores. Igualmente, existen m uchos tipos de receptores de n eurotransm i sores. Algunos neurotransm isores se unen a diferen tes receptores y, por tanto, son capaces de ejercer efectos opuestos en diferentes células postsinápticas. Las variaciones en las propiedades del potencial de
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acción, en la velocidad de la transm isión de éste y de la transm isión sináptica entre las neuronas, p rodu cen variaciones de la función neuronal y pueden ten er u n a g ran im portancia en la configuración de sistem as nerviosos m ás complejos. Sólo los m etazoos tien en sistem a nervioso, au n que m uchos otros organism os u san los cam bios en el potencial de m em b ran a como señales p a ra tran sm i tir inform ación. Por ejemplo, los canales dependien tes de voltaje están p resen tes en las plantas, algas y protozoos y se u san p a ra gen erar señales que pueden m odificar el com portam iento o el intercam bio de inform ación entre tejidos distantes. Los canales de N a+ dependientes de voltaje, sin em bargo, p arecer constituir u n a innovación evolutiva de los m etazoos. En el curso de la evolución, el núm ero y diversidad de canales iónicos en los m etazoos parece haberse increm entado con el aum ento de la com plejidad del sistem a nervioso. Igualm ente, m uchos n eu ro tran s m isores se encuentran tam bién en organism os que no poseen sistem a nervioso, aunque el núm ero y com plejidad de las interacciones neurotransm isorreceptor au m en ta significativam ente en los m etazoos, perm itiendo u n a g ran diversidad de conductas y u n a fisiología trem en d am ente regulada en los ani m ales m ás complejos.
P reguntas de revisión
Estructura y función de la neurona
9. ¿A qué se debe la fase de posthiperpolarización del potencial de acción? 10. ¿Por qué los potenciales de acción pueden ser conducidos largas distancias a través del axón sin degradarse, cuando en su lugar los potencia les graduados se desvanecen en pocos m ilím e tros? 11. ¿Qué lim ita la frecuencia del potencial de acción? 12. Describa la relación entre la frecuencia del po tencial de acción y la liberación de neu ro tran sm i sor. 13. ¿De qué depende que un neurotransm isor despo larice o hiperpolarice la célula postsináptica? 14. ¿Por qué el increm ento en el núm ero de n eu ro transm isores aum enta la respuesta de la célula postsináptica? ¿Por qué la resp u esta alcanza un m áxim o y no aum enta incluso ante la presencia adicional del neurotransm isor? 15. Describa los tipos principales de células gliales en los vertebrados. ¿Cuál es su función? 16. ¿A qué se debe la variedad de form as del poten cial de acción entre las diferentes neuronas? 17. ¿Quién establece la velocidad de conducción del potencial de acción y po r qué? 18. Com pare y contraste los axones gigantes y los m ielinizados como estrategias p ara aum en tar la velocidad de conducción. 19. Com pare y contraste las sinapsis eléctricas y las químicas.
1. Liste la estructura de un a neurona típica y re sum a sus funciones.
20. Com pare y contraste los receptores ionotrópicos y los m etabotrópicos.
2. Describa cómo la perm eabilidad de m em b ran a y la concentración iónica afectan al potencial de m em brana.
P reguntas de síntesis
3. ¿Qué es u n canal iónico activable? ¿Qué tipos de canales iónicos activables son im portantes p ara la señalización neuronal? 4. Com pare y contrate los potenciales de acción y los potenciales graduados. 5. Describa cómo los canales iónicos activables están involucrados en el potencial de acción.
6 . ¿Cómo codifican los potenciales graduados la inform ación sobre la intensidad de las señales de en trad a?
1. Si la concentración de K+ cae en el líquido extracelular, ¿qué sucede con el potencial de m em b ra n a en reposo de u n a neurona de m am ífero? ¿Qué le ocurriría a la capacidad de la neurona p a ra g en erar potenciales de acción? Describa los efectos (si existen) sobre el um bral, la ta sa de despolarización, la duración del potencial de acción y el periodo refractario. ¿Qué sucede si el K+ extracelular aum enta? Analice estos tem as p a ra el caso del N a+.
8. ¿Por qué el potencial de m em b ran a se hace posi
2. La oubaína es un veneno que se une selectiva m ente a la bom ba Na+/K+/ATPasa y la inhibe. ¿Qué p asaría con el potencial de m em b ran a en reposo en el curso de un as pocas horas de aplica ción de la oubaína?
tivo d u ran te la fase de despolarización del poten cial de acción?
3. Un estudiante está comiendo en el laboratorio (cometiendo u n a infracción clara) y por erro r
7. ¿Cómo codifican los potenciales de acción la inform ación sobre la intensidad de las señales de en trad a?
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espolvorea tetrodotoxina sobre sus p atatas fritas. Dado que esta sustancia inhibe los canales de N a+ dependientes de voltaje, indique cuál de las siguientes aseveraciones con relación al estu diante son verd ad eras o falsas. Explique sus re s puestas y considere el tiem po que tarda. • Será m ás difícil p ara las neuronas del estu diantes g en erar potenciales de acción. • Las neu ro n as del estudiante d isp a rarán m ás frecuentem ente, pues el potencial de m em b ra n a se acercará al um bral. • El efecto sobre el potencial de m em b ran a en las n eu ro n as del estudiante se podrá predecir po r la ecuación de N ernst, cuyos factores cuantifican el efecto de la concentración de iones y su perm eabilidad.
4. Calcule la velocidad de conducción relativa en dos axones diferentes, uno con un diám etro de 2 pm y el otro con uno de 50 pm , suponiendo que todos los otros factores son los m ism os entre los dos axones. 5. Describa la relación entre la fase de posthiperpolarización del potencial de acción y el periodo refractario relativo. ¿Por qué es el periodo de refractario relativo im portante p ara la señaliza ción neuronal?
6 . ¿Qué p asaría si se estim ula experim entalm ente y de m an era sim ultánea u n axón cerca del cono axónico y del term inal?
7. ¿Qué le p asaría a la generación del potencial de acción en el axón si se aplica un a droga que oca siona la ap ertu ra constante de los canales de K+ dependientes de voltaje?
8 . Doce neuronas sinaptan sobre u n a m ism a célula postsináptica. En el cono axónico, diez de estas n euronas producen ESPS de 2 mV cada uno y las otras dos producen IPSP de 4 mV. El um bral de disparo de la célula postsináptica es - 6 0 mV (potencial de m em brana en reposo - 7 0 mV). ¿Se p roducirá un potencial de acción? Justifique su respuesta. 9. Im agine u n a n eu ro n a postsináptica que es contactada p o r dos n e u ro n a s p resin áp ticas dis tintas. U na de estas n eu ro n as p resin áp ticas (neurona A) contacta a la célula cerca de su cuerpo y del cono axónico, m ien tras que la otra (neurona B) contacta u n a d en d rita de la célula p o stsin áp tica del lado del cuerpo celular pero lejos del cono axónico. Explique por qué el dis p aro repetido de la n eu ro n a A generando p otenciales g rad u ad o s ligeram ente inferiores al u m b ral de disparo es capaz de h a c e r d isp a ra r a la célula p ostsinática m ien tra s que la n e u ro n a B falla.
10. Se h a descubierto u n a droga que bloquea los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. ¿Cuáles son los posibles efectos de esta droga en las sinapsis?
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C a p í tu lo 6 M ovim iento celular y m úsculos
ace más de 300 años un m ercader alem án lla m ado A n to n van Leeuw enhoek se c o n v irtió en uno de los p rim e ro s b ió lo g o s celulares. U tiliza nd o su in stin to para los cristales, van Leeuw enhoek creó una lente casera que le p e rm itió d e scu b rir los o rga n ism os m icroscó p ico s que v iven en el agua estancada. Quedó im pa cta d o p o r el m o do en que estas pequeñas criatura s nadaban hacia Esponja marina. adelante y hacia atrás en el agua. Incluso entonces, el m o v im ie n to era sinónimo de vida, y reconoció que es to s "a n im á lc u lo s " m icroscó p ico s, co m o él los lla m ó , esqueléticos encontrados en to d o s los o rganism os, las estaban vivos. D urante los sigu ie ntes 200 años, la ca li propiedades distin ta s de los h o m ó lo go s anim ales los dad de los m icrosco p io s m ejo ró . A fin ale s de 1800, los hacen capaces de co n fo rm a r el m úsculo. m icrosco p ista s eran capaces de o bservar d e n tro de las M ira n d o las p ropiedades a natóm icas, fis io ló g ic a s células vivas, lo que les p e rm itió ve r o rg á n u lo s m o ve r y genéticas de los a nim ales viv o s , pod e m o s progresar se rápid a m en te a lo largo de grandes células de algas. en el co n o cim ie n to del origen e v o lu tiv o de los m úscu Incluso el p ro p io cito pla sm a parecía flo ta r d e n tro de los. Los a nim ales m ás sencillo s no tie n e n verdaderos los lím ite s de la m em brana plasm ática. m úsculos, aunque presentan células especializadas en A hora sabem os que to d o s los orga n ism os eucario la co ntracción. Por eje m p lo , las esponjas (filo Porífetas m uestran alguna fo rm a de m o vim ie n to , ta n to den ros), los p rim e ro s a nim ales m u ltice lula re s, tie ne n p o tro de las células, co m o p o r las células, o por los ros que p erm iten al agua de m a r p en e tra r en sus organism os. Sin em bargo, los anim ales son el único cuerpos. Células de co ntra cció n especializadas rodean grup o de orga n ism os m u lticelulares que son capaces los poros, co n tro la n d o su d iá m e tro . de m overse activam ente de un lug a r a o tro , gracias a u n Las p rim eras células sim ila res a las m usculares tip o de célula concreta encontrada sólo en los anim ales: su rgie ro n en los cn id a rio s, co m o los de la fa m ilia la célula m uscular. Un e studio sobre la e volución y so Hydra. Células m ioe p ite lia le s co m binadas para fo rm a r bre el inicio del desa rro llo de los m úsculos m uestra una fib ra s que tra b a ja n co nju n ta m en te con su esqueleto paradoja de unidad y diversidad. A nivel m olecular, m u h id rá u lico in te rn o para e xte n de r su p edúnculo. Los p ri chas de las proteínas m usculares tienen h o m ó lo go s en m eros m ú sculo s verda d e ros en un g rup o de anim ales hongos, plantas y otros eucariotas. A u nque los m úscu los están co nstitu id o s p o r los m ism os elem entos citorelacionados llam ados cte n ó fo ros. Estos anim ales,
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que incluyen las m edusas con peines y las grosellas m a rinas silvestres, tie n e n verdaderas células m uscula res lisas en su pared celular. Los a nim ales pertenecientes a difere n te s filo s de gusanos, tales co m o los gusanos planos (p la te lm in tos), n em a tod o s y anélidos, tie ne n un sistem a m uscu lar m ás e laborado. Los gusanos usan co m p le jo s m úsculo s lisos lo n g itu d in a le s y circulares para la loco m o ció n , los nem a tod o s tie ne n m ú sculo s faríngeos usados para nutrirse , y los a nélidos tie ne n zonas en grosadas en los vasos sanguíneos que actúan com o corazones que bom bean. Si bien estos ancestrales ani m ales tie ne n num e ro so s tip o s m usculares discretos, hay a nim ales más recientes y c o m p le jo s que presen tan una m a yo r d ive rsida d en la anatom ía y la fisio lo g ía m uscular. U no de los fa cto re s m ás im p o rta n te s que d irig en la variedad de los tip o s m usculares en los anim ales m ás c o m p le jo s es su tendencia a a u m e n ta r su ta m a ñ o c o rpo ra l. M ientras que los a nim ales pequeños pueden s o b re v iv ir usando una d ifu sió n sim p le de los gases de la respiración, los a nim ales de m a yo r ta m a ñ o tienen poca área su pe rficia l para un vo lu m e n m ayor, y la d ifu sión sim p le no puede c u b rir sus necesidades m e ta b ó li cas. A sí, los genes de las proteínas m usculares han e volu cion a do asociados a los p rim itiv o s sistem as c ir cu la to rio y re spira to rio . Por e je m p lo , los m olu sco s tie nen un m úsculo cardiaco m u y desa rro lla d o, y utilizan d ifere n te s tip o s m usculares para la lo co m o ció n y la n u tric ió n . A sí m ism o, los a rtró p o d o s tie ne n m úsculos co m p le jo s que co n tro la n el m o v im ie n to del cuerpo segm entado y de los apéndices. La gran dive rsida d en los tip o s m usculares apare ce sin e m ba rg o en los verte b ra d o s. Hace m ás de 300 m illo n e s de años, los p rim e ro s antepasados v e rte b ra
Guepardo.
F u,.IT.j r .n
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~TT "A nim álculos" de Van Leeuw enhoek.
dos e xpe rim e n ta ro n una p rim e ra d up licació n del ge nom a. La copia extra de genes para proteínas m u scu lares esenciales p e rm itió la e volu ción de tip o s m usculares m u y especializados. Frente a la copia ú n i ca de genes de proteínas m usculares im p o rta n te s, co m o la de los in ve rte b ra do s y p roto cord a do s, la d u p licación del genom a y la p o s te rio r d up licació n de los genes en los antepasados de a nim ales m ás co m ple jo s creando copias extras de estos genes, p e rm itie ro n a grup o s fé rtile s la e volu ción de proteínas m usculares isom ó rfica s especializadas. M ien tra s que los in v e rte brados m ás sencillos pueden e m ple a r só lo uno o dos genes de m iosina m u scula r para la constru cció n de to dos los m úsculos, los ve rte b ra d o s poseen al m enos 15 tip o s difere n te s de genes de m iosin a. Con la tra n sició n al m e dio te rre stre y el ca m bio en el m o v im ie n to so m e tid o a to d o el peso de la g ravedad, los genes m uscula res e volu cion a ron rápid a m en te , p e rm itie n d o la d ive rsificació n y especialización de los m úsculos. A u n qu e esta notable dive rsida d de los m úsculos lo co m o to re s es im pre sion a n te , no debem os o lv id a r que los m ú sculo s están fo rm a d o s p o r los m ism os e le m entos que fa c ilita n el m o v im ie n to in tra c e lu la r en o tro s eucariotas. Cuando a d m ire m o s de la carrera de un atleta o de un gue p a rdo , la fo rm a de nadar de un atún, o el aleteo de un c o lib rí, no debem os o lv id a r que estas sorpre n d en te s capacidades dependen de una m aqu in aria ce lu la r no m u y d ifere n te de la de los h o n g os que crecen en nuestras co rtina s de baño. •
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
I P re s e n ta c ió n Cada proceso fisiológico, sea el transporte intracelu lar, cambios en la form a de la célula, la movilidad celular o la locomoción anim al dependiente de los m úsculos, en todos los casos depende del movi m iento. A p esar del tipo de m ovimiento, encontram os la m ism a m aq u in aria intracelular: el citoesqueleto y sus proteínas motoras. Recordem os que en el Capí tulo 3 vimos que las células eucariotas poseen un citoesqueleto com puesto de m icrotúbulos, microfilam entos y filam entos interm edios. De éstos, sólo los m icrotúbulos y los m icrofilam entos juegan un papel im portante en el movim iento celular. Los m icrotúbu los trab ajan en conjunto con las proteínas m otoras kinesina y dineína. La m iosina, en contraste, es una p roteína m otora dependiente de la actina. La diversi dad en el movim iento celular es posible gracias a estos elem entos básicos que pueden reorganizarse y u sarse en incontables com binaciones. Hay tres form as generales en que las células pue den u sa r estos elem entos p a ra m overse (Figura 6.1). Con m ucha frecuencia, las células u san el citoesque leto como una carretera por donde las proteínas m otoras actúan como vehículos de tran sp o rte que llevan la carga a través de la compleja red del citoes queleto. Igual que se dirige el tráfico en un a autovía, las células dirigen el tráfico intracelular controlando h acia dónde van las carreteras, qué vehículos circu lan por ellas y la natu raleza de la carga. Por ejemplo, la precisión de las ru tas de señalización celular des critas en el Capítulo 4 dependen de proteínas m oto ra s que hacen posible el tran sporte de las vesículas secretoras desde el lugar de síntesis a la m em brana plasm ática p a ra la exocitosis. Si una vesícula es tran sp o rtad a h asta u n lugar equivocado, o liberada en un m om ento equivocado, puede producirse una m ala com unicación peligrosa. Una segunda form a de movim iento está dirigida p o r la reorganización de la red del citoesqueleto. Al contrario de cuando actúa como u n a carretera, en este caso las fibras del citoesqueleto actúan como u n a m áquina excavadora que em puja el contenido celular hacia adelante. Este tipo de movimiento, lla m ado a m enudo movim iento am eboide, es muy com ún en los protistas. Muchos tipos de células de m etazoos, como leucocitos y macrófagos, tienen tam bién movim iento am eboide. Las proteínas m otoras p ueden o no estar im plicadas en el proceso. Las célu las regulan esta form a de movim iento controlando la velocidad y la dirección del crecim iento de las fibras del citoesqueleto.
(a)
j= t^ É A (C)
Fig u ra 6.1.
Tres fo rm a s de uso d e l c ito e s q u e le to p a ra el
m o v im ie n to . (a) Las células pueden usar su citoesqueleto com o una carre tera por la cual las proteínas m otoras se m ueven, a m enudo tran sportand o carga intracelular. (b) A lgunas células se m ue ven em pujando el citoesqueleto hacia delante, com o una ex cavadora echando tierra fuera, (c) Los m o vim ie n to s a veces parecen un ju ego de tira y afloja, donde las proteínas m o to ras, representadas aquí com o personas, pueden tira r del citoesqueleto, sim bolizado por la cuerda.
El tercer tipo de movim iento es análogo a un grupo de personas tirando de una cuerda. En este caso, las proteínas m otoras tiran de las cuerdas citoesqueléticas. Las células, por consiguiente, organi zan el citoesqueleto de form a que traduce este tirón en movim iento. Como verem os m ás adelante en este capítulo, esta supraestructura citoesquelética es la base de los cilios, flagelos y músculos. Las células regulan inicialm ente este tipo de movim iento contro lando la actividad de las proteínas m otoras.
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 211
C ito e s q u e le to y p ro te ín a s | m o to ra s Microtúbulo
El citoesqueleto y las proteínas m otoras trab ajan conjuntam ente p a ra facilitar a los anim ales m ediar en el tráfico intracelular, en los cam bios en la form a de la célula, y en el m ovim iento de ésta. Hay tres explicaciones generales p a ra las variaciones obser vadas en los m ovim ientos de las células anim ales. Prim ero, m uchos anim ales poseen m últiples isoform as del citoesqueleto y las proteínas m otoras críti cas. Este arsen al de variaciones genéticas perm ite a los m etazoos construir tipos especializados de célu las. Segundo, las células anim ales pueden utilizar un único tipo de elem entos de form ación p ara organizar el citoesqueleto de diferentes m aneras. Tercero, los anim ales pueden reg u lar el conjunto de proteínas existentes en tiem po real; horm onas que se unen a receptores disp aran cascadas que alteran la activi dad enzim ática que m odifica las propiedades del citoesqueleto y las proteínas m otoras. Estos tres aspectos de la diversidad responden a las diferentes form as en que las células anim ales construyen y usan el citoesqueleto y las proteínas m otoras p ara el movi m iento. La capacidad de diferenciación a nivel celu lar es esencial p ara la capacidad de los anim ales de g en erar tipos específicos de células, así como p a ra ad ap tarse a los cam bios evolutivos. Como estam os haciendo a lo largo del texto, verem os que estos pro cesos celulares son la base de im portantes sistem as fisiológicos.
M ic ro tú b u lo s Las células pueden organizar los m icrotúbulos de de m uchas m aneras. La m ayoría de las células reagrupan el final de los m icrotúbulos cerca del núcleo en el centro de reorganización m icrotubular o MTOC (Figura 6.2). Los m icrotúbulos surgen de form a radial desde el MTOC como los radios de una rueda hacia todo el m argen celular. El final libre de los m icrotúbu los está anclado a las proteínas integrales em bebidas en la m em brana plasmática. La red de microtúbulos es esencial p ara el tráfico intracelular, ya que las proteí nas m otoras pueden entonces moverse hacia el centro MTOC o hacia la periferia de la célula. Las células utilizan su red de m icrotúbulos p a ra controlar el m ovim iento de los com ponentes subcelu lares, como vesículas y orgánulos. Los sistem as de m icrotúbulos tam bién m edian en el cam bio rápido del color de la piel observado en algunos anim ales
Núcleo
F ig u ra 6.2.
Red de m ic ro tú b u lo s en la s c é lu la s .
Muchas células organizan los m icrotúbulos en una red, donde los extrem os m enores están agrupados cerca del centro de la célula en el centro de organización m icrotu bula r (MTOC).
que u san un a coloración de camuflaje, como la ran a de u ñ as africana, X enopus lavéis (Figura 6.3). El color de la piel está determ inado po r la distribución dentro de la célula de gránulos de pigm entos oscuros llam ados melanóforos. Cuando los gránulos están concentrados cerca del MTOC, la piel tiene un color pálido. Cuando los gránulos se dispersan a través de la célula, la piel oscurece. Los cam bios en el movi m iento direccional de los gránulos de pigm ento a lo largo de los m icrotúbulos, controlado y activado por horm onas, producen la coloración adaptativa de los anim ales. Una observación m inuciosa de cómo se form an los m icrotúbulos nos p erm itirá conocer el papel que juegan en el m ovim iento de las vesículas, dispersión de pigm entos, y otros tipos de m ovim ien tos intracelulares y celulares que tienen un papel central en la fimción fisiológica.
Los microtúbulos están compuestos por a-tubulina y (3-tubulina Los m icrotúbulos, llam ados así por su aspecto sim i lar al de un tubo, están com puestos de de largas cadenas de proteína tubulina (Figura 6.4), que es a su vez un dím ero de dos proteínas relacionadas: atubulina y p-tubulina. La historia evolutiva de las tubulinas es intrigante y rica en paradojas. Por ejem plo, los genes de la tubulina h a n cam biado muy poco desde los prim eros eucariotas. La a-tubulina de leva duras es m uy sim ilar a la nuestra: incluso la a -tu b u lina y la p-tubulina son casi un 40% idénticas en
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Gránulos de pigmentos
Melanóforos
Fig u ra 6.3.
Microtúbulos
Membrana plasmática
M o v im ie n to de g rá n u lo s de p ig m e n to s .
Los m elanóforos de la rana africana X enopus perm iten un cam bio rápido en el color. G rupos de m icrotú bulo s que radian desde el MTOC central transportan los gránulos de pigam ento a través de la célula. Los fila m en tos de actina, que no se m uestran aquí, tam bién juegan un im portante papel en el control de la d istribu ción local de pigm entos. Los gránulos de pigm entos se agregan en respuesta a la horm ona m elatonina, y se dispersan en respuesta a la horm ona estim ulante de los m elanóforos, MSH. (M icrofotog rafías cortesía de V. G elfand, U niversidad de Illinois).
a -tu b u lin a
6 -tubulina
;
* Tubulina Microtúbulo
F ig u ra 6.4.
E s tru c tu ra de la tu b u li na m ic ro tu b u la r.
Los m icrotú los están com puestos de unidades repetitivas de la proteína tubulina, un dím ero de dos proteínas unidas a GTP, la a-tu bullna y la p-tubulína.
m uchas especies. Muchos anim ales tienen múltiples isomorfos de tubiúina que se expresan en diferentes tejidos. Debido a la similitud en las estructuras de los diferentes isomorfos, podríam os creer que éstos son intercam biables: por ejemplo, un isomorfo de atubulina podría ser rem plazado po r otro isomorfo de a-tubulina sin consecuencias obvias. La im portancia de la sutil diferencia en la estructura de la tubulina entre especies, así como en u n a m ism a especie, sólo h a sido apreciada recientem ente. En un caso, cuando se modificó genéticam ente a nem átodos (C. elegans) p ara expresar un isomorfo de p-tubulina diferente en sus neuronas táctiles, los gusanos m utantes tenían disfunciones sensoriales. Estos estudios m uestran que incluso diferencias sutiles en la estructura de los isom orfos de tubulina tienen consecuencias im por tantes en la fimción celular. La form ación de los m icrotúbulos puede ocurrir espontáneam ente dentro de las células (Figura 6.5), lo cual es u n a característica esencial de la función
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-or
GTP
✓GTP - P-tubulina
a-tubulina-
a-tubulina y P-tubulina se combinan para formar un dímero, la tubulina.
GDP+P - * Á
Extremo menos (-) , 0 » , Extremo más (+) Tubulina-'
t
Múltiples dímeros se unen a través de los extremos.
0,0 o o
r
Protofilamento'
Los protofilamentos lineales se agrupan para formar una lámina.
con el GTP intacto, está en un extrem o del dímero; la p-tubulina, con su GTP hidrolizado, en el otro extrem o del dím ero. La diferencia entre los dos m onóm eros crea una asim etría estructural dentro de la tubulina, conocida como polaridad. La subunidad a-tubulina está en el llam ado extrem o m enos ( - ) de la tubulina dim erizada, m ientras que la p-tubulina está el extrem o m ás (+). La polaridad de la tubulina tiene im portantes consecuencias en los siguientes pasos del ensam blaje m icrotubular. El siguiente paso en el ensam blaje m icrotubular ocurre cuando m últiples tubulinas se unen a través de sus extrem os. Como u n a fila de im anes, el extrem o m ás de la cadena en crecim iento atrae al extrem o m enos del dím ero libre. La cadena, o protofilam en to, crece h asta obtener un tam año crítico. Entonces los protofilam entos se alinean p a ra form ar u n a lám ina que finalm ente se enrolla en un tubo p ara form ar el m icrotúbulo. Debido a que el ángulo entre los protofilam entos adyacentes es de cerca de 28°, se necesitan 13 protofilam entos p ara com pletar un tubo circular. Una vez form ado el m icrotúbulo, puede con tin u ar creciendo incorporando m ás dím eros, o puede contraerse perdiéndolos.
Los microtúbulos muestran inestabilidad dinámica
Lámina de protofilamentos
f
La lámina de protofilamentos se enrolla para formar un tubo.______________
Microtúbulo' Fig u ra 6.5.
M o vim ien to celular y músculos 213
E n s a m b la je m ic ro tu b u la r.
Los dím eros de tubulina conectan extrem o con extrem o para com enzar la construcción de un protofilam ento. Los p ro to fi lam entos se acoplan para com enzar la form ación de una lá m ina. Una vez la lám ina alcanza un peso crítico, se enrolla en un tubo que form a el m icrotúbulo.
m icrotubular. El p rim er paso del ensam blaje ocurre cuando la a-tu b u lin a y p-tubulina se com binan p ara form ar la tubulina. A ntes de la dim erización, am bas subunidades u n en u n a única m olécula de GTP. Cuando se form a la tubulina, el GTP imido a la ptubulina se hidroliza en GDP y fosfato. En cambio, el GTP unido a la a-tu b u lin a se m antiene intacto y unido a la estructura de la tubulina. La a-tubulina,
La dinám ica de los m icrotúbulos, como la velocidad de crecim iento y de degradación, regula m uchas fun ciones celulares. Cualquier sustancia química que interrum pa la dinám ica de los m icrotúbulos puede convertirse en un potente veneno. Algunas plantas u san tóxicos m icrotubulares como p arte de su defensa frente a los anim ales de pastoreo; po r ejem plo, el tejo del pacífico (Taxus) produce taxol, la hierb a de la doncella (Vinca) produce vinblastina, y el azafrán silvestre (Crocus) produce colquicina. Los anim ales que ingieren estas plantas enferm an como resultado de los efectos de estos alcaloides en su dinám ica microtubular. M uchas em presas farm acéu ticas h an desarrollado estos agentes de defensa de las plantas p a ra el uso como drogas antitum orales, ya que estos alcaloides p aralizan la ráp id a división de las células cancerígenas. Estos com puestos tam bién se utilizan como im portantes h erram ien tas de laboratorio, ya que perm iten a los investigadores diseccionar los procesos que controlan la dinám ica de los m icrotúbulos. La longitud del m icrotúbulo está determ inada p o r el equilibrio entre su crecim iento y su degrada ción (Figura 6 .6). Muchos factores influyen en la
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J*
ár
h o ® (+ >
Zona de degradación
Zona de crecimiento
(a) Zona de equilibrio
[Tubulina] (b) Fig u ra 6.6.
D in á m ic a de los m ic ro tú b u lo s .
(a) Los m icrotú bulo s crecen añadiendo tu b u lin a y se acortan perdiendo tubulina. Cuando un m icro tú b u lo crece o se acorta depende de la concentración de tubulina. (b) Por debajo de una concentración crítica (Cc) los m icrotú bulo s tiene más te n dencia a acortarse. Por encima de Cctienden a crecer. M ien tras am bos extrem os pueden añadir o perder tubu lin a , el extrem o más tiene una m enor Cc. Esto significa que a una de term inada concentración de tubu lin a , el extrem o más tiende a crecer más que el extrem o m enos.
dinám ica de los m icrotúbulos, pero el m ás im por tan te es la concentración local de tubulina. Si el extrem o final del m icrotúbulo está expuesto a altas concentraciones de tubulina, ten d erá a crecer. Sin em bargo, a b ajas concentraciones de tubulina, los m icrotúbulos tienden a p erd er dím eros de tubulina y a acortarse. A u n a concentración crítica específica (Cc), el crecim iento y la degradación se encuentran en equilibrio y no hay cam bios en la longitud neta. Sin em bargo, num erosos factores alteran este senci llo p atró n de regulación dependiente de la concentra ción. Prim ero, el valor de Cc en el extrem o m ás es m enor que en el extrem o m enos. Esto significa que si ambos extrem os están expuestos a la m ism a concen tración de tubulina, el extrem o m ás es m ás proclive
al crecim iento y el extrem o m enos lo es a la d egrada ción. La colquicina y la vinblastina son tóxicas p o r que im piden el crecim iento de los m icrotúbulos. La colquicina une la tubulina Ubre e im pide que se incorpore a los m icrotúbulos, m ientras que la vin blastina im pide la form ación de los m icrotúbulos ya que produce la agregación de los dím eros libres de tubulina. Esto dism inuye la concentración de tu b u lina libre, restringiendo el ensam blaje de los m icro túbulos. La segunda propiedad que distingue el creci m iento de los m icrotúbulos es conocida como inesta bilidad dinámica. Incluso cuando la concentración de tubulina excede Cc, el m icrotúbulo crecería du ran te unos segundos, y luego se degradaría espontá neam ente durante unos segundos. Esta transición independiente de la concentración se debe al cambio en el GTP unido a la p-tubulina. Una vez incorporada a los m icrotúbulos, la subunidad (5-tubulina puede o no hidrolizar el GTP. Si el GTP se m antiene intacto en la |3-tubulina, el m icrotúbulo tiende a crecer. Y si el GTP se hidroliza, el m icrotúbulo tiende a degradarse. Los m icrotúbulos m antienen su longitud constante p or el equilibrio entre lo que crecen y lo que se acor tan, m ientras hidrolizan u n a gran cantidad de GTP en el proceso. En principio esto puede p arecer un despilfarro de la energía celular, pero es un coste necesario. La inestabilidad dinám ica, a p esar de su coste energético, aum enta la capacidad de la célula p ara regular el crecim iento m icrotubular en el espa cio y el tiem po. Un sistem a en m ovim iento es m ucho m ás sencillo de alterar que un sistem a estático. La dinám ica m icrotubular tam bién puede ser regulada por proteín as asociadas a los m icrotúbu los, o MAP (Figura 6.7). Estas proteínas unidas a la superficie de los microtúbulos, estabilizan o desestabi lizan la estructura microtubular. Algunas MAP se unen al extremo m ás de los microtúbulos y evitan la transi ción desde el estado de crecimiento al de degradación. Un grupo de MAP llam adas polipétidos estabilizado res de los túbulos, o STOP, son utilizadas por muchos tipos de células que necesitan microtúbulos largos y estables. Por ejemplo, las STOP son abundantes en los nervios donde los m icrotúbulos son im portantes p ara el desarrollo de largos axones y dendritas. Otras MAP actúan como proteínas de sobrecruzam iento. Las MAP pueden ag ru p ar los m icrotúbulos en ram illetes, o unirlos a otras estructuras celulares, como los receptores de m em brana. El taxol es un tóxico im portante ya que estabiliza los m icrotúbulos. Sin em bargo, no todas las MAP estabilizan los m i crotúbulos. Por ejemplo, la katanina (del japonés
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Microtúbulo
Núcleo
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La tem p eratu ra es otro parám etro que afecta a la dinám ica de los m icrotúbulos. E xperim entos senci llos m uestran que los m icrotúbulos aislados pueden ensam blarse y desensam blarse espontáneam ente en el tubo de ensayo. Cuando los m icrotúbulos se enfrían h asta los 25°, por ejemplo, se desensam blan. Aunque ésta es u n a técnica habitual en el laboratorio p a ra estudiar la dinám ica de los m icrotúbulos, ¿qué p asab a en los anim ales? Que la tem p eratu ra induzca el desensam blaje no es muy relevante en los an im a les endotérm icos, como los m am íferos y las aves, ya que pueden m antener su tem p eratu ra corporal por encim a del um bral de tem peratura. Sin em bargo, m uchos anim ales ectodérm icos pueden soportar tem p eratu ras suficientem ente bajas p a ra alterar los m icrotúbulos de un m am ífero. En este caso, ¿cómo pueden los anim ales que viven en el frío evitar el des ensam blaje espontáneo de sus m icrotúbulos? Véase la Caja 6.1 p a ra obtener un a explicación.
La polaridad del microtúbulo determina la dirección del movimiento
plasmática Fig u ra 6.7.
P ro te ín a s a s o c ia d a s a m ic ro tú b u lo s .
Los m icrotú bulo s están conectados unos con otro s y con las proteínas de m em brana por proteínas asociadas a m icrotú bulos, o MAP.
“esp ad a”) es u n a MAP que abastece de m icrotúbulos. La función celular norm al depende de la regulación tanto del ensam blaje como del desensam blaje de m icrotúbulos. Evitar los m icrotúbulos po r disociacio nes puede alterar m uchos procesos celulares, inclu yendo la división celular. Las actividades de las MAP están reguladas por proteínas quinasas y proteínas fosfatasas. Los cambios en la fosforilación de las MAP pueden alterar su locali zación subcelular, cam biar su capacidad de unión a los microtúbulos, o alterar sus propiedades funcionales. Muchas vías de señalización celular actúan sobre las MAP p ara alterar la estructura de los microtúbulos. Por ejemplo, las horm onas que regulan la división celular, conocidas como citoquinas, inducen cambios en la estructura de los microtúbulos regulando la estructura y la actividad de las MAP. Los subsiguientes cambios en la red m icrotubular aseguran que los constituyentes celulares son divididos por igual entre las células hijas.
La extensa red de m icrotúbulos dentro de la célula proporciona u n a compleja red de cam inos a las pro teínas m otoras. Pero ¿cómo identifican las proteínas m otoras cuál es el cam ino p a ra circular? Una vez en la vía, ¿cómo deciden la dirección que deben seguir? Recordem os que la orientación de los dím eros dota a los m icrotúbulos de u n a polaridad estructural, donde los m icrotúbulos tienen un extrem o m ás y un extrem o m enos. Como las células organizan los m icrotúbulos agrupando los extrem os m enos en el MTOC, el extrem o m ás se encuentra en la periferia. Las proteínas m otoras reconocen la polaridad del m icrotúbulo y cada proteína m otora se m ueve en una dirección característica; la kinesina se m ueve a lo largo del m icrotúbulo en la dirección m ás, m ientras la dineína se m ueve en la dirección m enos. La polaridad de los m icrotúbulos y la dirección del movimiento de las proteínas m otoras perm iten a la célula tran sp o rtar la carga al lugar correcto. Consi derem os cómo utilizan las neuronas esta red p ara tran sp o rtar las vesículas con neurotransm isores (Figura 6 .8). La kinesina puede recoger las vesículas llenas de neurotransm isores en el cuerpo de la célula, y m overse a lo largo de los m icrotúbulos hacia el extrem o m ás en la sinapsis. Una vez que las vesícu las liberan sus neurotransm isores, la endocitosis devuelve vesículas vacías a la célula. Entonces la dineína tran sp o rta las vesículas endocíticas al cuerpo celular, moviéndose a lo largo de los m icrotúbulos
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
las usan en el m ovimiento a lo largo de los microtúbulos. Vamos a considerar prim ero la estructura y función de la kinesina. Cada m olécula de kinesina tiene un largo cuello, un tallo y u n a cabeza globular que posee la actividad ATPasa. El tallo es el responsable de la adhesión de la carga, m ientras que la cabeza se une a los m icrotúbulos. Los análisis filogenéticos h a n m os trado una am plia y diversa familia de kinesinas. Algunos m iem bros de la superfam ilia de las kinesinas son activos como m onóm eros. Otras kinesinas se ensam blan en dím eros, F ig u ra 6.8. M o v im ie n to de v e s íc u la s en una n e u ro n a . tanto hom odím eros como heterodíEl m ovim ie n to de las vesículas depende de la polaridad de los m icrotúbulos. m eros. Estos dím eros de kinesina La kinesina transporta vesículas de neurotransm isores a la sinapsis, m ientras pueden a su vez in teractu ar con pro que la dineína transporta vesículas vacías al MTOC. teínas reguladoras, llam adas proteí nas asociadas a kinesina. Algunas proteínas asociadas a la kinesina pueden alterar la hacia el extrem o m enos. Este sencillo ejemplo ilustra cinética de su movimiento, así como la velocidad de por qué el movimiento direccional de las vesículas hidrólisis del ATP, m ientras otras influyen en la carga neurosecretoras es necesario p a ra la función n e r que se une a la kinesina. M uchas de estas proteínas viosa. M uchas células poseen innum erables tipos de asociadas a kinesina son a su vez m iem bros de una vesículas que necesitan ser transportadas a sitios dis familia multigénica, la cual facilita a las células un tintos. ¿Cómo pueden las células asegurar que cada control fino de los m ovim ientos basados en m icrotú u n a de estas diferentes vesículas va a la localización bulos. correcta? Una p arte de la respuesta se encuentra en Como la kinesina, la dineína tiene una cabeza glo la diversidad estructural de las proteínas m otoras en bular, un cuello y un tallo. La dineína es m ayor que la sí. Amplias fam ilias de genes codifican m últiples iso kinesina, y puede m overse por los m icrotúbulos unas m orfos de kinesina, dineína, y sus m últiples proteínas cinco veces m ás deprisa. Los m uchos isomorfos de las reguladoras. Cada com binación de isomorfos da dife dineínas se agrupan en dos clases: citoplasm áticas y ren tes características al transporte. axonemales. Las dineínas citoplasm áticas son dím eros de dos subunidades idénticas (cadenas p esa La kinesina y la dineína se mueven das), con un cierto núm ero de proteínas pequeñas a lo largo del microtúbulo asociadas. Las cadenas pesadas de la dineína poseen la actividad ATPasa, y m edian en la unión a los m icro Aunque la kinesina y la dineína no son proteínas rela túbulos. A diferencia de la kinesina, la dineína no se cionadas, trab ajan de form a similar. Am bas sufren une directam ente a la vesícula. En cambio, un gran cam bios conform acionales, cuando se estiran p ara complejo de proteínas accesorias unido a la dineína es asir un dím ero de tubulina, y entonces se doblan p ara su carga, perm itiendo otra form a de regulación de los em pujarse a sí m ism as a lo largo del microtúbulo. movimientos de los microtúbulos. Las dineínas a x o Asimismo, en am bas, el cambio de estructura de la nem ales son las que dirigen la fuerza detrás de los proteína m otora está inducido por la hidrólisis de movimientos generados por cilios y flagelos. ATP, la velocidad de m ovimiento de la kinesina y la dineína está determ inada principalm ente po r el dominio de la ATPasa de las proteínas, y las proteínas Los cilios y los flagelos están formados reguladoras que se asocian a la proteína m otora con por microtúbulos trolan la velocidad del m ovimiento. A p esar de estas Los cilios y flagelos son estructuras sim ilares con similitudes, la kinesina y la dineína tienen im portan tes diferencias que afectan al m odo en que las células papeles diversos en la fisiología anim al. Por ejemplo,
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 217
Caja 6.1 Evolución y diversidad Adaptación térm ica en m icrotúbulos La inestabilidad térm ica de los m icrotúbu
rencias en la estabilidad al frío. Los investigadores han
los presenta interrogantes. Si los microtúbulos
estudiado los m icrotúbulos producidos por levaduras en las
de m am íferos se desensamblan espontáneam ente a 25 °C,
cuales el gen de la p-tubulina tiene una sutil m utación; una
¿cuál es la diferencia de los m icrotúbulos de los animales
única cisterna ha m utado a alanina. Esta sim ple m utación
que viven a tem peraturas más frías? M uchos tejidos de
hace a los m icrotúbulos estables al frío. Desafortunada
mam íferos pueden estabilizar los m icrotúbulos usando cier
m ente para las levaduras, el cam bio estructural que incre
tas proteínas de unión a los m icrotúbulos com o las STOP
m enta la estabilidad en el frío tam bién altera procesos que
(proteínas estabilizadoras de los túbulos), las M AP y las pro
dependen de la inestabilidad dinámica de los m icrotúbulos,
teínas "capp ing". Entonces, ¿los organismos que habitan en
com o el crecim iento y la replicación celular. Estos estudios
am bientes fríos usan estas m ism as proteínas para evitar la
ilustran dos aspectos im portantes de los m icrotúbulos. Pri
inestabilidad termal?, o ¿hay alguna diferencia en la propia
mero, la función de los m icrotúbulos es críticam ente
tubulina? La respuesta viene de los estudios que utilizan
dependiente del m antenim iento del equilibrio dinám ico
m odelos en los cuales las diferencias surgen tanto por selec
entre el ensam blaje y el desensam blaje, o estabilidad e
ción natural com o por el uso de la ingeniería genética.
inestabilidad. Segundo, incluso cam bios m odestos en la
Para m uchos organism os que viven en am bientes fríos,
estructura, que surjan a través de la evolución o de la inge
la estabilidad de los m icrotúbulos puede trazarse a partir de
niería genética, pueden producir m icrotúbulos con propie
la propia estructura de la tubulina. Cuando se descubrió
dades m uy diferentes. Que estas sutiles m utaciones sean
esto, causó una cierta sorpresa ya que la secuencia de la
adaptativas o letales depende de cóm o afecte a las proteí
tubulina está extraordinariam ente conservada entre los ani
nas la m utación específica, y de cóm o influya el cam bio de
males. Las proteínas de m icrotúbulos aisladas de peces de
la estructura en la función en el contexto de las condiciones
aguas frías se ensamblan espontáneam ente a tem p era tu
ambientales.
ras m ucho más bajas que las correspondientes en m am ífe ros. Los peces antárticos han estado aislados en los mares
Referencias
polares durante más de 10 m illones de años. Durante este
• Detrich, H. W. 3rd, S. K. Parker, R. C. Williams, Jr., E. Nogales, and K. H. Downing. 2000. Cold adaptation of microtubule assembly and dynamics. Structural interpretation of primary sequence changes present in the alpha- and beta-tubulins of Antarctic fishes. Journal of Biological Chemistry 275: 37038-37047.
tiem po, la secuencia de a-tubulina y p-tubulina sólo ha acu mulado pequeñas variaciones en algunos aminoácidos; con todo, los m icrotúbulos de estos peces son m ucho más estables que los m icrotúbulos de los peces de aguas cáli das. Cuando los genes para la p-tubulina de peces toleran tes al frío son transferidos a células humanas en cultivo, los m icrotúbulos de estas células en cultivo se hacen estables al frío. Estos estudios m uestran que diferencias m uy su tiles en la estructura de la tubulina, incluso de uno o dos am inoácidos, pueden dar com o resultado profundas dife
los flagelos im pulsan los esperm atozoides hacia el óvulo, m ientras que los cilios perm iten a las células epiteliales em pujar el moco sobre la superficie celular. Los cilios difieren de los flagelos en su organización y en su form a de m overse. Los flagelos suelen aparecer aislados o en pares, m ientras que los cilios son muy abundantes. Adem ás los flagelos se m ueven como un látigo, m ientras que los cilios tienen un movimiento ondulatorio. Los m icrotúbulos se reorganizan en los cilios y en los flagelos en u n a estructura llam ada axonem a, la cual está recubierta de m em brana plasm á tica en form a de u n a vaina m em branosa.
• Modig, C., M. Wallin, and P. E. Olsson. 2000. Expression of coldadapted beta-tubulins confer cold-tolerance to human cellular micro tubules. Biochemical and Biophysical Research Communications 269:787-791. • Sidell, B. D. 2000. Life at body temperatures below 0 degrees C: The physiology and biochemistry of Antarctic fishes. Gravity and Space Biological Bulletin 13: 25-34.
Un corte transversal de un flagelo m uestra una estructura que recuerda un volante (Figura 6.9). En el centro del volante, dos únicos m icrotúbulos están interconectados por un a proteína puente. En la p e ri feria hay nueve p ares de m icrotúbulos o dobletes, conectados unos a otros por la proteína nexina. Desde los dos m icrotúbulos centrales salen proteínas radiales hacia cada uno de los pares de los nueve dobletes. Casi diez años antes de que los prim eros m icrotúbulos fueran identificados, esta organización de “nueve + dos” en los axonem as se observó que form aba la estructura de los cilios y los flagelos.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Tabla 6 .1 .
M ic ro tú b u lo s y fis io lo g ía a n im a l.
Procesos celulares
Función fisiológica
Citocinesis
Desarrollo y crecimiento: todas las células necesitan dividirse, y los microtúbulos aseguran que los cromosomas son igualmente divididos en la mitosis.
Estructura del axón
Sistema nervioso. Los microtúbulos dan soporte al largo axón.
Transporte de vesículas
H ormonas y señalización celular: los microtúbulos tran s portan las horm onas desde el sitio de síntesis al de liberación.
Dispersión de pigmentos
Coloración adaptativa: los microtúbulos controlan la distribución de los gránulos de pigmento a través de la célula modificando el color del animal.
Movimiento flagelar
Reproducción: los flagelos perm iten al espermatozoide nadar hacia el óvulo.
Movimiento ciliado
Respiración, digestión: los cilios propulsan el moco y otros fluidos sobre la superficie celular.
(a) Vista longitudinal de un axonema Par de microtúbulos centrales
Doblete de microtúbulos Vaina interna
de dineína externos Brazos de dineína internos
(b) Corte transversal de un axonema Fig u ra 6.9.
E s tru c tu ra d e l fla g e lo .
La cola de los esperm atozoides está conform ada por m icrotú bulos agrupados en una com pleja red llamada axonema. El núcleo estructural está com puesto nueve dobletes de m icrotú bulos, conectados por la proteína de unión nexina. Las exten siones radiales se extienden desde este anillo externo hacia el único par de m icrotúbulos centrales. Unos brazos de dineína se extienden desde un doblete hacia el doblete adyacente.
Cuando la célula recibe un a señal, las proteínas qui n asas fosforilan u n a proteína crítica asociada con la dineína p ara activar la ATPasa. Una vez activa, la dineína se m ueve a lo largo de los m icrotúbulos veci nos hacia el extrem o m enos del m icrotúbulo locali zado en la base del axonem a. Cuando la dineína de un punto del axonem a es activada, el extrem o del fla gelo se curva en esa dirección. Estos ciclos de activa ción y desactivación de la dineína a lo largo de todo el axonem a genera el movim iento. Si toda la dineína se activa sim ultáneam ente, no puede ten er lugar el movimiento. La Tabla 6.1 resum e algunos de los papeles m ás im portantes de los m icrotúbulos en las funciones fisiológicas.
M icrofilam entos ¿Cómo potencia la dineína el movim iento de los m icrotúbulos en los cilios y flagelos? Cada doblete tiene u n a serie de dineínas m otoras que se extienden a través del entorno del doblete. En reposo, la di neína se encuentra inactiva en esta estructura.
Los microfilam entos son el otro tipo de fibras del citoesqueleto u sad as en el movim iento. Como los m icrotúbulos, los m icrofilam entos juegan im por tantes papeles en el tran sp o rte de las vesículas a tr a vés de las células. Adem ás, m ovim ientos basados en
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m icrofilam entos perm iten tam bién a las células cam b iar de form a y m overse de un lugar a otro. Los ele m entos de los m ovim ientos de los m icrofilam entos, la actina y su proteína m otora la m iosina, se encuen tra n en todas las células eucariotas; la organización de estos elem entos perm ite diferentes tipos de movi m iento celular. En algunos casos, los m ovimientos celulares surgen sim plem ento por la polim erización de la actina. Sin em bargo, es m ás frecuente que los m ovim ientos b asados en actina im pliquen a la m io sina. Veamos las diferentes form as en que los microfilam entos dirigen el m ovimiento
Los microfilamentos son polímeros de actina
M o vim ien to celular y músculos 219
Las células p ueden organizar los m icrofilam en tos de diferentes m aneras, a m enudo con la ayuda de proteínas de unión de actina que entrecruzan los m icrofilam entos (Figura 6.11). Los m icrofilam entos pueden organizarse en im a com plicada red, unidos todo a lo largo, po r proteínas de unión de actina fle xibles como la fila m in a , o alineados en paralelo en b an d as rígidas, entrecruzadas po r proteínas de unión de actina cortas como la fa sc in a . Las bandas de actina corren a través de la célula, dando soporte. En algunos casos, estas rígidas fibras de actina se sitúan en el m argen externo de la célula. Por ejem plo, proporcionan la base de las m icrovellosidades, extensiones del epitelio digestivo sem ejantes a un dedo. Las b an d as y las redes de m icrofilam entos que constituyen el citoesqueleto de actina están conecta das con la m em b ran a plasm ática por proteínas como la distrofina.
Los m icrofilam entos están com puestos por largas cadenas de la p roteína actina. Estos m onóm eros de actina se llam an G-actina, ya que es un a estructura globular de la proteína. Cuando la G -actina se une form ando filam entos, entonces se la denom ina F-actina (Figura 6.10). La actina puede ensam blarse esp o n tán ea m ente y d esen sam b larse sin aporte de energía. Polim eriza esp o n tán ea m ente cuando su concentración está p o r encim a del u m b ral de Cc. Cada filam ento de actina puede crecer tan to desde el extrem o m ás como del extrem o m enos. Si el crecim iento p o r el extrem o m ás es exactam ente el m ism o que la p érd id a por el extrem o m enos, la longitud total del m icrofilam ento es constante. Sin em bargo, si seguim os la posición individual de un m onóm ero de actina, verem os que se m ueve p ro gresivam ente desde el extrem o m ás hacia el extem o m enos. Este proceso se denom ina m ecanism o de noria. Al igual que los m icrotúbulos, p ro teínas accesorias pueden m odular la • • velocidad de crecim iento de los Mecanismo de la noria de la actina Crecimiento de la actina m icrofilam entos. Una vía por la que u n a célula puede in crem en tar la lon Fig u ra 6.10. E s tru c tu ra de la a c tin a y m ic ro fila m e n to s . gitud de los m icrofilam entos es esta Los m onóm eros G-actina se acoplan ju nto s para iniciar la form ación de la F-actina. bilizando el extrem o m enos, con lo Después de este proceso de nucleación, el m icrofilam ento se alarga incorporando más G-actina en el extrem o más. El crecim iento es más favorable en el extrem o que se evita su desensam blaje. P ara más y en el extrem o m enos es más probable la pérdida de m onóm eros. Este patrón ello las células utilizan las p roteín as resulta en el llam ado m ecanismo de noria, donde un m onóm ero individual (m ostra "capping” que se u n en al final de do en azul) se m ueve hacia atrás a lo largo del filam ento, incluso si la longitud total los m icrofilam entos y estabilizan su se m antiene constante. Si el extrem o m enos de los m icrofilam entos se estabiliza, por una proteína "c a p p in g " por ejem plo, los m icrofilam entos pueden crecer. estructura.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
*jS ^ -G -a c tin a Membrana — plasmática
Entrecruzamiento (p. ej., fascina)
\\(+)
\
F-actina Membrana plasmática
Actina polimerizada
Entrecruzamiento (p. ej., filamina) Entrecruzamiento (p. ej., distrofina)
F-actina
Proteína integral Unión a la membrana Fig u ra 6 .11.
Redes de actina
R e d e s de a c tin a .
Los m icrofilam entos de actina pueden organizarse con diferentes conform aciones, usando a m enudo proteínas de entrecruza m iento para su estabilización. Los m icrofilam entos pueden crecer por su extre m o más, causando extensiones celulares. Las ban das de actina form adas por agrupaciones paralelas que están ju nta s por entrecruzam iento. Los m icrofilam entos pueden estar unidos a proteínas integrales de m em brana por proteínas de entrecruzam iento com o la distrofina. La actina tam b ién puede orga nizarse en com plejas redes que se estabilizan por proteínas de entrecruzam iento com o la fila m in a y la fascina.
La polimerización de la actina puede generar movimiento
v i
Aunque algunos tipos de m ovim ientos basados en los m icrofilam entos están realm ente basados en la miosina, la polim erización de la actina puede m ediar algunas form as de m ovim iento. A p esar de que los biólogos no com prenden el proceso en su totalidad, la polim erización de la actina es im portante en dos tipos de m ovim ientos am eboides en anim ales. Los fllop od ios son u n as extensiones finas, tipo varilla, de las células form adas po r fibras de actina. Las célu las form an fllopodios p ara m uchos fines. Por ejem plo, las células nerviosas usan fllopodios p a ra tener contacto físico con las células vecinas, lo cual es un paso im portante en el desarrollo embriológico del sistem a nervioso. El epitelio digestivo u sa fllopodios p a ra fo rm ar las m icrovellosidades, protusiones que increm en tan el áre a superficial de la m em brana plasm ática. En cambio, algunas células m etazoarias se m ueven usando extensiones de actina llam adas lam elopod ios (Figura 6.12). Los lam elopodios recu rd an a los pseudopodios encontrados en protis tas, pero son m ás finos y m ás aplanados. La n a tu ra leza de las protusiones am eboides en los anim ales depende de cómo los m icrofilam entos que son sinte tizados de novo se integ ran en las fibras. Los filopo-
dios resultan cuando los m icrofilam entos están limi tados por fibras sencillas. Los lam elopodios surgen a p artir de redes lam inares de m icrofilam entos. En un a célula en reposo, la red de actina se extiende alrededor de la periferia de las células unida en m uchos puntos por receptores de la m em brana plasm ática. Cuando esta célula es inducida a m overse, sobresale u n a región de la m em brana hacia delante. Por debajo de la m em brana plasm ática, el extrem o m ás de los m icrofilam entos incorpora rápi-
Membrana plasmática Filamentos de actinas
Extensión fina del lamelopodio
F ig u ra 6.12.
P o lim e r iz a c ió n de la a c tin a y la m e lo p o d io .
M uchos tip o s celulares se m ueven en respuesta a las condi ciones am bientales. La actina se organiza en bandas bajo la m em brana celular en la extensión fin a del la m elopod io, m os trad o en rojo en la m icrofotografía.
C A P ÍTU LO 6
Cubierta gelatinosa Espermatozoide
Cubierta gelatinosa
Espermatozoide
//
Liberación . - Membrana contenido plasmática de la vesícula del óvulo acrosomal Membrana del óvulo
Fusión
M o vim ien to celular y músculos 221
dam ente m onóm eros de G-actina, em pujando la m em bran hacia delante. En la p arte posterior, el extrem o m enos pierde m onóm eros de G-actina. Las proteínas de unión de actina regulan la polim eriza ción de la actina, y en consecuencia el movimiento am eboide. En la zona adelantada, la proteína profilina une los m onóm eros de G-actina libres ayudando a integrarlos en el extrem o m ás del microfilamento. Otra proteína, la cofllina, sin em bargo, rom pe los m icrofilam entos en la zona posterior desencade nando el desensam blaje. El esperm atozoide tam bién usa la polim erización de actina durante la fecundación (Figura 6.13). El proceso de fecundación depende de la capacidad del esperm atozoide p ara controlar el crecim iento del citoesqueleto de actina hacia el óvulo. Cuando el esperm atozoide encuentra un óvulo, u sa receptores superficiales p a ra form ar u n a im ión estrecha con la superficie externa del óvulo. La activación de estos receptores dispara la form ación de u n a estructura llam ada ac.rosoma. Dentro del acrosom a, u n a vesí cula llena de enzim as hidrolíticas es em pujada hacia la superficie de la célula. Cuando se fusiona con la m em brana plasm ática del esperm atozoide, la exoci tosis de la vesícula acrosom al ayuda a rom per la cubierta gelatinosa del óvulo. El esperm atozoide usa entonces la polim erización de la actina p ara em pujar un a extensión de su m em brana plasm ática a través de la capa gelatinosa alterada. Una vez que la m em b ra n a plasm ática del esperm atozoide se fusiona con la m em b rana plasm ática del óvulo, el DNA nuclear del esperm atozoide puede transferirse al óvulo.
La actina usa la miosina como proteína motora
F ig u ra 6.13.
A c ro s o m a d e l e s p e rm a to z o id e .
Cuando el espermatozoide encuentra el óvulo, la activación de los receptores de la membrana en el espermatozoide dispara la exoci tosis de la vesícula acrosomal y la polimerización de los microfila mentos. Las enzimas acrosomales ayudan a disolver las barreras físicas alrededor del óvulo. El crecimiento de los filamentos empu ja la membrana del esperma a través de la cubierta gelatinosa en contacto con la membrana plasmática del óvulo. Después de la fu sión de la membrana, el DNA del espermatozoide se mueve dentro del óvulo hasta la fecundación completa.
Aunque algunas células utilizan la polim erización de la actina p ara g enerar movim iento, en m uchas situa ciones los m icrofilam entos son usados en com bina ción con la m iosina. Diferentes organizaciones de actina y m iosina perm iten a las células tran sp o rtar vesículas y orgánulos, cam biar de form a, e incluso m overse de un lugar a otro. Como en los casoso del m ovim iento basado en los m icrotúbulos, la diversi dad tanto de las proteínas m otoras como de las pro teínas reguladoras asociadas perm ite a las células con necesidad de u n a regulación precisa controlar el tráfico intracelular. Muchos aspectos de los movi m ientos basados en actina y m iosina son sim ilares en todos los eucariotas. Por ejemplo, los músculos u san u n a única form a de organización de la actina y la m iosina, en com binación con nuevos isom orfos de
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
m iosina y de proteínas reguladoras. Comencemos po r exam inar la estructura de la m iosina y por consi d erar cómo controla el movimiento. La familia de genes de la m iosina en eucariotas es m uy am plia, con al m enos 17 tipos diferentes de mio sina (I-XVII) que se distinguen po r las diferencias en sus propiedades estructurales. Las m iosinas m ás com únm ente estudiadas son las clases I, II y V. La m iosina II a veces se llam a miosina muscular, aunque tam bién se da en tejidos no m usculares. Las m iosinas I y II son m ás im portantes en el tráfico intracelular. Muchos anim ales poseen múltiples isomorfos de mio sinas dentro de cada clase, adem ás del repertorio de m iosinas funcionales disponibles en cada célula animal. A p esar de sus diferencias estructurales, cada iso morfo de m iosina m uestra u n a organización general, con im a cabeza, un cuello y una cola (Figura 6.14). La cabeza posee la actividad ATPasa, que sum inistra la energía p ara el movimiento. La cola perm ite a la mio sina u nir la carga, como las vesículas, orgánulos o incluso la m em brana plasm ática. Adem ás, la estruc tu ra de la cola de m uchos isomorfos de m iosina puede hacer que la proteína individual de m iosina se ensam ble en dím eros. M ientras la m iosina I se m antiene como un m onóm ero, tanto la m iosina II como la mio-
Cabeza Cuello Miosina Cadenas ligeras de la calmodulina
Miosina V
130 nm F ig u ra 6.14.
E s tru c tu ra s de la m io s in a .
Cada iso m orfo de la m iosina posee una cabeza catalítica, un cuello regular y una región de cola que interactúa con otras proteínas. Las proteínas reguladoras, com o las cadenas lige ras y la calm odullna, pueden unirse a la región del cuello. En las propiedades específicas de cada iso m orfo se presentan diferencias en la estructura de la m iosina y sus proteínas re guladoras. Las m iosinas I y V se utilizan principalm ente en el tráfico intracelular. La m iosina II está im plicada en la cltocinesls y la contracción muscular.
sina V norm alm ente están dim erizadas. El cuello regula directam ente la actividad de la cabeza de la miosina, y tam bién m edia en el efecto de las proteínas que están asociadas con el cuello, conocidas como cadenas ligeras de la m iosina. La m osina II, por ejemplo, tienen dos tipos diferentes de cadenas ligeras de la miosina: cadenas ligeras esenciales y cadenas ligeras reguladoras. Las cadenas ligeras de la miosina están reguladas por fosforilación reversible. La fosfo rilación por la cad en a lig era m iosin a quinasa (MLCK) puede alterar la actividad catalítica de la cabeza de m iosina p ara interaccionar con la actina. Muchas de las horm onas que regulan la función de la m iosina tam bién disparan la MLCK o la cadena lig era m iosina fosforilasa (MLCP), la cual desfosforila la cadena ligera de la m iosina.
El modelo de filamento deslizante describe la actividad actina-miosina A p esar de la gran diversidad en m iosinas, el m eca nism o básico que define su interacción con los microfilam entos es com partido por todos los isom orfos. La m iosina, como todas las proteínas m otoras que hem os descrito, es u n a ATPasa que convierte la en er gía liberada por la hidrólisis del ATP en energía m ecánica. P ara com prender este proceso, debem os considerar tanto los procesos químicos asociados a la cabeza enzim ática de la m iosina, como los cambios estructurales de la m iosina que culm inan en el movi m iento. Los dos procesos se integran en el m odelo de filam en to d eslizan te. Este m odelo general fue propuesto hace unos sesenta años po r Hugh Huxley, que se aproxim ó bastante a cómo la m iosina vesicu lar se m ueve a lo largo del m icrofilamento. Sin em bargo, el m ism o m odelo se puede utilizar p ara explicar todos los diferentes m ovim ientos m ediados p or la m iosina, incluida la contracción muscular, que verem os m ás adelante en este capítulo. La m ayor p arte de la explicación del m odelo de filamento deslizante puede ilustrarse a través de la siguiente analogía. Im aginem os u n a cuerda estirada en el suelo de u n a habitación. A hora pensem os en cómo podem os desplazarnos a través de la hab ita ción usando los brazos. Com enzam os extendiendo éstos p a ra a g arrar la cuerda, y después doblam os los brazos extendidos, tirando hacia adelante. A conti nuación, soltam os la cuerda, extendem os los brazos, agarram os de nuevo la cuerda, y doblam os los b ra zos. Así, conform e hacem os el camino p a ra atravesar la habitación, nuestros brazos realizan ciclos de extenderse, a g arrar y doblar. Aunque cada p arte del
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M o vim ien to celular y músculos 223
ciclo cuesta energía, el paso que m ás energía exige es Si no hay ATP disponible, la m iosina se m antiene cuando doblam os los brazos p ara tira r de nosotros. fuertem ente unida a la actina, creando unas condi En el m odelo del filamento deslizante, la m iosina ciones que se denom inan rigor. Cuando un anim al actúa de form a m uy sim ilar a nuestros brazos, y la m uere, los niveles de ATP descienden y los m úsculos actina es el equivalente de la cuerda. La m olécula de se quedan bloqueados en el rigor mortis. m iosina se extiende estirando su cuello, em pujando El movim iento real que tiene lugar en la célula la cabeza hacia adelante. La cabeza de m iosina d urante el ciclo de los puentes cruzados depende de form a entonces u n enlace con la actina, igual que la organización estructural de la actina y de la m io n u estras m anos ag arrab an la cuerda. Esta fuerte sina, concretam ente de cuál de las dos tiene movi interacción entre la m iosina y la actina recibe el m iento libre. Volviendo a nu estra analogía inicial, si nom bre de p u en tes cruzados. La m iosina se dobla y la cuerda está atad a a la pared, los brazos tiran y nos tira de la actina a través de su cola. Este paso se em pujan a lo largo de la habitación. Sin em bargo, si denom ina g olp e activo. El ciclo de puentes cruzados la cuerda no está atada, la acción de los brazos sólo incluye la form ación de un puente cruzado, el poder m ueve la cuerda. Dentro de la célula el movimiento de g olp e activo, y la vuelta a un a posición de des actino-m iosínico depende de cuál de los elementos, canso sin la unión. actina o m iosina, está inmóvil. Si es el m icrofila Los cam bios m ecánicos en el ciclo de los puentes m ento de actina, entonces la m iosina se m ueve a lo cruzados están dirigidos por cam bios químicos y largo el m icrofilam ento. Esto es análogo a la m iosina estructurales que tien en lugar en la cabeza de la mio transportando una vesícula a través de la célula. Por sina (Figura 6.15). Como ya hem os visto, la m iosina el contrario, si es la m iosina la que está inmóvil, se es una ATPasa; la ru p tu ra el ATP proporciona la m ueven los filam entos de actina. En algunos casos, la energía p ara los cam bios m ecánicos. Al principio del m iosina está unida a la m em brana plasm ática; en ciclo, la m iosina está estrecham ente unida a la actina esta situación, el ciclo de los puentes cruzados tira de y el sitio de unión al ATP está vacío. Si no hay ATP los microfilam entos de actina sobre la superficie de disponible, la m iosina se m antiene firm em ente la m em brana plasm ática. Esta colocación perm ite a unida. Sin em bargo, u n a vez que se une el ATP, la la célula cam biar de forma. Considerarem os un te r m iosina pierde su afinidad po r la actina, y se rom pe el puente cru ( í ) Unión de ATP, zado. La liberación de la actina que produce la separación induce la activación de la ATPasa de la miosina. de la m iosina que rom pe el ATP en ADP y fosfato. La hidrólisis del ATP hace que la m iosina se alargue hacia adelante p ara a b razar el m icrofilam ento de actina m ás lejos. (Aunque la m olécula de ATP de la cabeza de la m iosina se ha transform ado en ADP y fosfato, la energía que estaba alm acenada en el ATP está alm acenada ah ora en la cabeza de la m iosina como confor m ación de alta energía). Cuando la m iosina se vuelve a imir, prim ero libera el fosfato y después el ADP. F ig u ra 6 .15. M o d e lo d e l fila m e n to d e s liz a n te . Tras la liberación del ADP, la m io En esta figura, seguim os la progresión de una cabeza de m iosina a través de un ciclo sina u sa la energía alm acenada de puentes cruzados. En ausencia de ATP, la cabeza de la m iosina se m antiene unida a p ara tira r del m icrofilam ento de los m icrofilam entos. Una vez que se une el ATP (paso 1) la m iosina se suelta del m icroactina en el golpe activo. La cabeza filam ento. La hidrólisis del ATP Induce a la m iosina a extenderse hacia el extrem o más de m iosina se m antiene unida a la del m icrofilam ento (paso 2), aunque la energía se encuentre atrapada en la cabeza de m iosina. Después de la liberación del fosfato, la energía almacenada es usada en cur actina h asta que otra m olécula de var la m iosina, tirando del fila m en to hacia atrás en un gope activo (paso 3). Cuando se ATP encuentra su sitio de unión del com pleta el m ovim iento, el ADP se libera (paso 4) y el s itio de unión al ATP se m antie nucleótido vacío y el ciclo se repite. ne vacío hasta que otro ATP se une para iniciar otro ciclo de puentes cruzados.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
cer escenario m ás adelante en este capítulo describam os cómo se aplica el modelo de m iento del filamento en los m úsculos, donde actina como la m iosina están organizadas su p erestructu ra tridim ensional.
cuando desliza tanto la en una
nm
'ífi nm
La actividad de la miosina está influida por el desplazamiento unitario y el ciclo obligatorio El modelo de deslizam iento del filamento nos da el contexto p a ra la com prensión de dos propiedades del m ovim iento basado en la actina-m iosina: el ciclo obligatorio y el desplazam iento unitario. E stas pro p iedades son m as fáciles de com prender usando como ejemplo la m iosina im plicada en el tráfico intracelular. El d esp lazam ien to u n itario corresponde a la distancia del paso de la m iosina durante cada ciclo de puentes cruzados. Volviendo a n u estra analogía de escalar la cuerda, el desplazam iento unitario es la distancia que som os capaces de reco rrer con cada ciclo de liberar, extender los brazos, a g arrar y tirar. En esta analogía el desplazam iento unitario depende de la longitud de los brazos. Con la m iosina, la longi tud del paso depende de la longitud del cuello. E stu dios ópticos m u estran que la distancia real de cada paso no es fija; p o r ejemplo, el desplazam iento unita rio del m onóm ero de m iosina V está en un rango entre 5 nm y u n a distancia m áxim a de 20 nm . El dím ero de m iosina V u sa los m onóm eros en tándem , y se m ueve a lo largo de la actina con un desplaza m iento unitario m edio de 36 nm . Esta distancia está relacionada con u n a im portante característica estructural del m icrofilam ento de actina. P ara com prender la relación entre el desplaza m iento unitario y la estru ctu ra de la actina, conside rem os la siguiente analogía. Im aginem os el filamento de actina como u n a escalera en espiral, donde cada escalón rep re sen ta u n m onóm ero de actina. Nos otros, como la m iosina, tenem os el reto de ascender los escalones por fuera de la espiral. ¿Cómo podría m os cam biar de estrategia si necesitam os estar en el mism o lado de la escalera que ascendem os? Pode m os reco rrer u n a distancia hacia arrib a ta n alta como la ascensión de la propia escalera. Esta distan cia refleja el periodo de la espiral. Igual que la esca lera de caracol, los m icrofilam entos son espirales, u n a doble hélice con un periodo de 36 nm (Figu r a 6.16). Como la m iosina se m ueve con un prom edio de desplazam iento unitario de 36 nm , se m antiene en el m ism o lado de la espiral m ientras se m ueve a lo
F ig u ra 6.16.
D e s p la z a m ie n to u n ita rio .
La m iosina V se m ueve a lo largo del fila m e n to de actina en pasos de cerca de 36 nm , lo cual se corresponde con el perio do del fila m e n to de actina.
largo del m icrofilam ento. Si tuviera un desplaza m iento unitario m ás corto o m ás largo, giraría en espiral alrededor del m icrofilam ento, creando un problem a p a ra la m iosina que transporte vesículas u orgánulos grandes, ya que su trayectoria espiral podría com plicar su transporte a través de la densa red citoesquelética. Como verem os m ás adelante en este capítulo, la m iosina m uscular no tiene estos 36 nm de desplazam iento unitario; sin em bargo elude este problem a por otras vías. El segundo p arám etro que describe la actividad de la m iosina es el ciclo obligatorio, la cantidad de tiem po en cada ciclo de puentes cruzados en que la m iosina está unida a la actina. La m ayor p arte de la m iosina no m uscular tiene ciclos obligatorios de cerca de 0,5. Esto significa que la m iosina está estre cham ente unida a la actina sólo durante la m itad del ciclo de puentes cruzados. ¿Por qué es im portante el ciclo obligatorio? Im aginem os que subim os la esca lera espiral sólo con un brazo. Si soltam os n uestra ag arrad era p a ra coger el siguiente escalón, caemos. De igual modo, si las vesículas son tran sp o rtad as usando sólo u n a cabeza de m iosina, pueden flotar alejándose desde la actina cuando la m iosina busca el punto en el ciclo de puentes cruzados donde se libera la actina. Las vesículas y orgánulos evitan soltarse de los m icrofilam entos de dos m aneras. Prim ero, las vesícu las usan dím eros de m iosina. Cuando una de las cabe zas de m iosina está unida, la otra puede soltarse y extenderse hacia delante, fimcionando de form a simi lar a cuando subim os las escaleras con dos brazos. El
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Tabla 6 .2
Fu n c io n es de la a c tin a y la m io s in a en la fis io lo g ía a n im a l.
Procesos celulares
Función fisiológica
Transporte de vesículas
Hormonas y señalización celular: los microfilamentos transportan hormonas desde el lugar de síntesis al de liberación.
Microvellosidades
Digestión: la actina sustenta extensiones de la célula del epitelio intestinal.
Movimiento ameboide
Fisiología cardiovascular: las células sanguíneas utilizan el movimiento ameboide para invadir tejido dañado.
Contracción del músculoesquelético
Locomoción: los músculos proporcionan la fuerza contráctil para el movimiento. Fisiología respiratoria: los músculos torácicos ayudan a mover el aire de la superficie respiratoria.
Contracción del músculo cardiaco
Fisiología circulatoria: el músculo cardiaco bombea la sangre.
Contracción del músculo liso
Fisiología circulatoria: el músculo liso vascular controla el diámetro de los vasos sanguíneos. Digestión: el músculo liso visceral fuerza al alimento a descender por el lumen intestinal.
ciclo obligatorio de 0,5 puede significar que cada brazo sólo puede sujetar cada escalón la m itad del tiempo. Evidentem ente esta vía de subir las escaleras o m overse a lo largo del filamento requiere un a exqui sita coordinación, con las dos m iosinas trabajando en sincronía perfecta. Si en algún m om ento ninguna de las cabezas está unida, las vesículas pueden soltarse de los m icrofilam entos. En realidad, las dos cabezas no están perfectam ente coordinadas y se requiere un segundo m ecanism o p ara asegurar que las vesículas están perfectam ente sujetas. Las vesículas reducen el riesgo de soltarse de los m icrofilam entos enlazando múltiples dím eros de m iosina. Im aginem os cuánto m ás fácil sería subir la escalera de espiral si podemos u sa r dos brazos y dos piernas. El modelo de deslizamiento del filamento es un im portante avance en el conocimiento de cómo la mio sina se m ueve a lo largo de la actina. Sus característi cas generales se aplican a la m ayoría de los tipos de actividad actina-m iosina en todos los eucariotas. Sin
M o vim ien to celular y músculos 225
em bargo, el valor exacto del ciclo obligatorio, del des plazam iento unitario, y otras propiedades cinéticas de la actina-m iosina cam bian en diferentes situaciones. Por ejemplo, las diferencias cinéticas dependen de si la m iosina y la actina están inmovilizadas o libres p ara moverse. Las propiedades m ecánicas de la actinom iosina influyen en las propiedades cinéticas, y vice versa. La actina y la m iosina desarrollan diferentes e im portantes funciones en las células anim ales (Ta bla 6.2). Muchos de estos com etidos en las células anim ales difieren muy poco de sus papeles en otros eucariotas. D urante miles de millones de años, los anim ales h an desarrollado isom orfos nuevos de m io sina, y organizado la actina y la m iosina de diferentes m aneras, proporcionando el fundam ento de un tejido contráctil especializado: el músculo.
I E s tru c tu ra d e l m ú s c u lo y re g u la c ió n de la c o n tra c c ió n Al principio del capítulo veíam os cómo el citoesque leto y las proteínas m otoras m ediaban diferentes tipos de m ovim ientos intracelulares y celulares. Estos elem entos básicos son com partidos po r todos los eucariotas. Los anim ales tienen adem ás la ven taja de la diversificación de estos m ism os elem entos, p a ra la construcción de células realm ente únicas capaces de cam biar su form a celular, que pueden ser u sad as p a ra m uchos fines. E stas células m usculares, o mioc.itos, proporcionan la fuerza contráctil n ece sa ria en m uchos tejidos m ulticelulares y sistem as fisiológicos. E stam os fam iliarizados con su papel en la locomoción anim al, donde los m úsculos esqueléti cos m ueven el tronco y los apéndices del cuerpo. Los m úsculos tienen m uchas funciones distintas en la fisiología anim al adem ás de la locomoción. En el sis tem a circulatorio, por ejem plo, los m úsculos p ropor cionan la capacidad de bom beo del corazón y d an a los vasos sanguíneos el control de su diám etro. En los capítulos siguientes expondrem os cómo se usan los m úsculos en el sistem a respiratorio p a ra el bom beo de gases; en el sistem a digestivo m ueven el ali m ento a lo largo del intestino; y en el sistem a reproductor expulsan los gam etos y el em brión. El resto de este capítulo está centrado en el aspecto celular de la fu n ció n m uscular: cómo se conform an las células m usculares, cómo están controladas y cómo los elem entos se h a n puesto a punto a nivel celular p a ra conseguir diversidad en la función.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Como son nu m ero sas las vías po r las que se for m an los m úsculos, es difícil hacer m uchas generali zaciones sobre ellos sin incluir u n a larga lista de excepciones. P ara sim plificar n u estra presentación del músculo, prim ero com pararem os la term inología u sad a p o r los fisiólogos p ara clasificar los diferentes tipos de músculos. La form a m ás com ún de d istinguir en tre los tipos de m úsculos es p o r su aspecto m icroscópico. M úsculos como el cardiaco y el esquelético tienen u n a ap arien cia ray ad a, m ie n tra s que los m úsculos que d elim itan los v asos y las visceras no son ra y a dos. E sta diferen cia p erm ite la clasificación de los tipos de m úsculos en m ú scu lo s e s tr ia d o s o m ú s cu lo s liso s (Figura 6.17). En la e ra de la biología m olecular p u ed e p a re c e r poco sofisticado clasificar los m úsculos según su ap arien cia. Sin em bargo,
esta clasificación a ú n perm an ece ya que la estriación se debe a características estru ctu rales del m úsculo que le confieren p ro p ied ad es contráctiles específicas. O tras form as en las que los fisiólogos anim ales clasifican los m úsculos en diferentes su b tipos están resu m id as en la T abla 6.3. No obstante, no puede em plearse u n criterio único p a ra clasifi ca r todos los tipos de m úsculos. La d iversa n o m en clatu ra u sa d a p a ra d escrib ir los m úsculos p uede a veces c a u s a r confusión, pero el conjunto de té rm i nos es necesario p a ra co m p arar y c o n tra sta r p ro p ied ad es funcionales y estru ctu rales. La com plejidad de los térm in o s es u n a consecuencia inevi table de la flexibilidad en la form a y la función m uscular. En la siguiente exposición nos centrarem os en las bases celulares de la contracción en el músculo estriado de vertebrados, que incluye el músculoesquelético y el cardiaco. El m úsculo estriado puede utilizarse p a ra describir las propiedades generales de la estructura y la regulación m uscular, pero es tam bién un ejemplo de la diversidad funcional.
Estructura del aparato contráctil del músculo estriado de vertebrados Al principio del capítulo describim os cómo las células usan la m iosina como m otor tran sp o rtad o r de car gas, como las vesículas secretoras, a través de la célula por las ru tas de m icrofilam entos de actina. La m iosina y la actina tam bién se utilizan en los m úscu los, donde se organizan en superestructuras mutiproteicas llam adas filam entos (Figura 6.18). Los filam en tos g ru esos, de m iosina, y los filam en tos finos, fundam entalm ente actina, son la base de las células m usculares anim ales. Los tipos m usculares se diferencian en la com posición m olecular de los filam entos gruesos y finos, así como po r la form a en que se organizan dentro de la célula.
Los músculos están formados por filamentos finos y gruesos
Fig u ra 6.17.
M ú s c u lo lis o y e s tria d o .
ía) Los m úsculos esquelético y cardiaco se llam an tam bién m úsculos estriados debido a su apariencia m icroscópica ra yada. (b) Los vasos sanguíneos, el tracto respiratorio y la delim itació n de las visceras poseen un m úsculo llam ado m úsculo liso ya que carecen de las estrlaciones.
En la m ayoría de las áre a s de la biología celular, “m iosina” define u n a proteína m otora en sí m ism a. Sin em bargo, cuando los fisiólogos tra ta n del m ú s culo, “m iosina” hace referencia a un hexám ero for m ado de dos p roteínas m otoras de m iosina II, o ca d en a s p esa d a s de la m iosin a, y cuatro cadenas ligeras de la m iosina. Cerca de 150 m iosinas se ag ru p an p o r la cola p a ra form ar u n conjunto que
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T a b la 6 .3
M o vim ien to celular y músculos 227
T e rm in o lo g ía usada pa ra c la s ific a r los tip o s de c élu la s m u s cu la res .
Categoría de base
Tipo de músculo
Diferencia entre los tipos de músculos
Apariencia
Estriado y liso
Determinado por la organización de filamentos finos y gruesos; los filamentos finos y gruesos del músculo estriado están organizados en sarcómeros.
Inervación
Fásica y tónica
Los músculos tiene una única inervación fásica (nerviosa), mientras que tienen múltiples inervaciones tónicas. “Tónico” a menudo se usa (erróneamente) para la respuesta nerviosa retardada.
Velocidad de contracción Rápido y lento
Los músculos esqueléticos de vertebrados se contraen a diferentes velocidades, norm alm ente debido a los patrones de isomorfos de la miosina.
Isomorfos de miosina
I, Ha, Ilb y Ilx/d
Las cadenas pesadas de la miosina de m uchos vertebrados están form adas por estos cuatro genes. Algunos vertebrados inferiores tienen m ás isomorfos. Los invertebrados tienen menos isomorfos.
Metabolismo
Oxidativo y glicolítico
Los músculos esqueléticos de movimiento rápido tienen normal mente pocas mitocondrias y derivan la energía de la glicólisis.
Mioglobina
Rojo, blanco y rosa
Las fibras oxidativas de movimiento lento poseen altos niveles de mioglobina, que les da una apariencia roja.
Morfología
Fusiforme y penado
Normalmente las miofibrillas discurren perpendiculares al plano de contracción, pero en los músculos penados las miofibrillas discurren en ángulo oblicuo.
Acoplamiento excitación-contracción
Sincrónico y asincrónico
La m ayoría de los músculos estriados responden a estímulos neuronales con una única contracción. Los músculos asin crónicos encontrados en algunos invertebrados se contraen y se relajan repetitivam ente después de un único estímulo.
Excitación
Biogénica y neurogénica
Los músculos biogénicos se contraen espontáneamente m ientras los neurogénicos responden a un estímulo nervioso.
recu erd a a un ram o de flores; los fila m e n to s grue so s están com puestos por dos de estos ram o s a g ru pados extrem o con extrem o. Los dos extrem os de los filam entos gruesos ap arecen com pactos con las cabezas de las m iosinas hacia fuera, m ien tras que las colas de los dos ram o s están localizadas en el centro del filam ento grueso, en u n a región desp ro vista de cabezas de m iosina. El filam ento grueso está com puesto po r unos 300 hexám eros de m io sina, proporcionando 300 cabezas de m iosina en cada extrem o.
(a) Filamento grueso Figura 6.18.
Actina (b) Filamento fino
Tropomiosina
F ila m e n to s gru e so s y fin o s .
Los m úsculos están com puestos de fila m en tos gruesos y f i nos. Los fila m en tos gruesos (a) consisten fundam entalm ente en m oléculas de m iosina conectadas por la cola con sus cabe zas extendidas radialm ente. Los fila m e n to s finos (b) son esencialm ente de actina. Los fila m en tos finos m ostrados aquí están recreados con las proteínas de unión a actina, la trop onina y la trop om iosin a. Estas proteínas, que aparecen regu larm ente cada siete m onóm eros de actina, regulan la interacción entre la actina y la m iosina.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Los filamentos finos son similares en estructura a los microfilamentos del citoesqueleto pero están for m ados por diferentes isomorfos de actina. Los microfi lam entos son polímeros de p-actina; los filamentos finos están form ados por a-actina. Como hem os visto antes en este capítulo, los microfilamentos están conti nuam ente ensam blándose y desensam blándose. En cambio, los filamentos finos son estables, de m anera que evitan el crecimiento o la degradación espontánea. Cada filamento fino está cubierto en el extremo m enos por tropom odulina y en el extremo m ás por CapZ, lo que evita los cam bios de tam año. Los filamentos finos tam bién están “decorados” a intervalos regulares con las proteínas troponina y tropom iosina. Estas pro teínas m edian en la interacción entre actina y miosina, regulando de ese modo la contracción. El modelo del filamento deslizante se aplica igual m ente bien a las interacciones actina-miosina, inclui das la actina y la miosina del músculo. Sin embargo, el modelo es m ás complicado en el músculo debido a las propiedades únicas de la m iosina II, a su organización en filamentos gruesos, y la integración de filamentos gruesos y finos en u n entram ado tridim ensional.
m entos finos opuestos. La región del sarcóm ero donde los filamentos gruesos se solapan con los fila m entos finos form a u n a región oscura llam ada banda-A. La muy próxim a banda-I ab arca un discoZ e incluye la porción de los filamentos finos que no solapan con los filam entos gruesos. La llnea-M es la región central del sarcóm ero entre los dos extrem os m enos de los filamentos finos. En esta región los fila m entos gruesos no solapan con los filam entos finos. P roteínas específicas m antienen estas relaciones estructurales dentro del sarcóm ero. Por ejemplo, la nebulina discurre todo a lo largo de los filam entos finos; la longitud de la nebulina determ ina la longitud de los filamentos finos. El filamento grueso está sujeto a su posicion por la proteína titina, la cual conecta el final de los filam entos gruesos al disco-Z. Como la distancia entre el extrem o de los filam entos gruesos y el disco-Z cam bia con la contracción, la titina puede ser com presible. Aunque presentam os las propiedades del sarcóm ero basándonos en la apariencia m icroscópica bidim ensional, debem os reco rd ar la organización tridim ensional de los fila m entos gruesos y los filamentos finos (Figura 6.20).
Los filamentos finos y gruesos se organizan en sarcómeros El músculo estriado organiza sus fila m entos finos y gruesos en un a estruc tu ra superior. El final de cada filamento grueso está rodeado por im a m atriz de filam entos finos, n o r m alm ente seis. Esta unidad, llam ada sarcóm ero, se repite en paralelo y en series a través de la célula muscular. Aunque la estru ctu ra del sarcolem a es relevante p a ra los m úsculos estria dos, los principios de la contracción se aplican en térm inos generales a todos los músculos. La apariencia m icroscópica del m úsculo tiene su raíz en la estructura del sarcolem a (Figura 6.19). Una lám ina de p roteínas llam ada disco-Z form a el final de cada sarcóm ero. Los filam entos finos se extienden desde el disco-Z, con el extrem o m enos de la cadena de actina dirigido hacia el centro del sarcóm ero. Las cabezas dobles de los filam entos gruesos están ag ru p ad as entre los discos-Z, cruzando dos agrupam ientos de fila-
Banda-A
Banda-I ___ I___
Disco-Z Titina
Línea-M
Tropomodulina
Filamento fino
Banda-A
Banda-I ___ I___
Nebulina Disco-Z
Filamento grueso
------------------------------ Sarcómero------------------------------Figura6.19.
El s arcóm ero .
Los fila m en tos gruesos y finos, asociados con proteínas estructurales, conform an el sarcóm ero. Cada fila m e n to fin o está anclado en el dlsco-Z por la proteína CapZ, y taponad o en el extrem o m enos por la tro p o m o d u lin a . Las nebulinas paralelas al fila m e n to fin o estabilizan a cada fila m en to en la lo ngitud adecuada. El fila m en to fin o está unido en algunas posiciones por la titin a , la cual ancla el fila m e n to grue so al dlsco-Z.
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Disco-Z DiSC0-Z f l Filamento fino Filamento grueso M
Filamento fino Disco-Z
Cabeza de miosina Filamento grueso
Fig u ra 6.20.
O r g a n iz a c ió n de los fila m e n to s fin o s y
g ru e so s .
Dentro del sarcóm ero, los fila m en tos fin o s están rodeados por fila m en tos gruesos. Esta organización asegura que las ca bezas de m iosina sean capaces de encontrar los fila m en tos en todo m om ento.
Los filam entos finos están organizados en un cilindro alrededor del filamento grueso, m ientras que el fila m ento fino está sujeto a una localización fija cerca del centro de la m atriz del filamento fino.
La miosina II tiene un ciclo obligatorio y un desplazamiento unitario La estructura sarcom érica, m antenida por conjuntos de proteínas, asegura que los ram os de las cabezas de m iosina se m antengan fijos en u n a localización donde son capaces de un irse con la actina. La in ter acción entre la actina y la m iosina en el m úsculo es m uy sim ilar al m odelo del filam ento deslizante que ya presentam os en este capítulo. Sin em bargo, la organización estructural, la im ión con propiedades únicas de la m iosina m uscular complica el sencillo m odelo explicado im plicando un a cabeza de m iosina. Las distintas propiedades de la actividad actinam iosina en el músculo están relacionadas con la acti vidad sarcom érica. Prim ero, a diferencia de la situación del tráfico de vesículas, cuando la m iosina se sep ara de la actina no puede ir a ningún lado. Las cabezas de m iosina en los filamentos gruesos están sujetas en un a posición opuesta a la actina. Segundo, cientos de m oléculas de m iosina están ju n tas en el
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filam ento grueso. Considerem os esta relación estruc tu ral en el contexto del ciclo obligatorio. Si la m iosina m uscular tienen el m ism o ciclo obligatorio que la m iosina vesicular, aproxim adam ente 0,5, entonces en un m om ento dado la m itad de la m iosina puede estar im ida a la actina. ¿Cómo puede u n a cabeza de m iosina tira r del filamento fino, si docenas de otras m iosinas están fuertem ente unidas a la actina en ese m ism o m om ento? En contraste con otras m iosinas, la m iosina II del m úsculo tiene un ciclo obligatorio m uy corto, aproxim adam ente 0,05. Esto significa que d urante cada ciclo de puentes cruzados, una cabeza de m iosina específica está físicam ente unida a los filam entos de actina sólo durante el 5% de su tiempo. D urante el resto del ciclo la m iosina está libre, y esto no dificulta que otras m iosinas em pujen el filamento fino. La actividad de la m iosina II m uscular es tam bién inusual en su desplazam iento unitario. Al principio del capítulo explicábam os cómo un desplazam iento unitario de 36 nm es crítico p a ra que la m iosina vesi cular se m oviera en un único plano del filamento de actina, como un acróbata en u n a cuerda floja. En realidad, la m iosina m uscular se parece m ucho m enos a un acróbata cam inando que a un pulpo tirando de sí m ism o a través de un tubo. Donde quiera que el pulpo llegue encuentra u n a p ared que escalar. Como los filam entos finos rodean al fila m ento grueso, existe un pequeño riesgo de que una cabeza de m iosina no pueda encontrar el sitio de unión en la actina. Como resultado de la relación estructural entre los filam entos finos y gruesos, la m iosina II es capaz de funcionar con un desplaza m iento unitario m ucho m ás corto, norm alm ente entre 5 y 15 nm . Pensem os en las interacciones m oleculares en la actividad de la actina-m iosina m uscular como u n a serie de giros de la cabeza de m iosina tirando a lo largo del filamento fino con pequeños y rápidos tirones.
La organización del sarcómero determina las propiedades contráctiles de las células musculares El movimiento de los filamentos gruesos es la sum a de m uchos procesos individuales de puentes cruza dos. Los puentes cruzados sólo pueden form arse cuando las cabezas de m iosina están en u n a posición que pueden contactar con el filamento fino. En con secuencia, el grado de solapam iento entre filamentos finos y gruesos puede influir en las propiedades con tráctiles. P ara algunos m úsculos, el grado de solapa-
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m iento se refleja en la lon gitu d d el sarcóm ero, m edida como la distancia entre dos discos-Z. Los m úsculos estriados de m uchos vertebrados m u etran una longitud total en reposo de cerca de 2.0 \im. La cantidad de fuerza g enerada por un sa r cóm ero es m áxim a en este rango ya que es el solapam iento óptimo entre los filam entos finos y gruesos (Figura 6.21). Las células m usculares pueden sin em bargo estirarse y cam biar la longitud lo suficiente p a ra influir en el grado de solapam iento. Si una célula m uscular es estirad a m ás allá de la longitud del sarcóm ero de cerca de 2,5 [im, algunas de las cabezas de m iosina cercanas a la zona interm edia del filamento grueso puede que no conecten con el filamento fino. Si el estiram iento va m ás allá de los 3,5 urn, hay u n solapam iento dem asiado pequeño entre los filam entos gruesos y finos; no pueden for m arse los puentes cruzados y no se produce la con tracción. La contracción tam bién se ve debilitada si la longitud del sarcóm ero es m ucho m enor de 2.0 |im. En este punto, los filam entos finos adyacen tes al disco-Z com ienzan a solaparse, im pidiendo la form ación de puentes cruzados eficientes. Por debajo de una longitud de 1,65 inn los filam entos chocan en la zona del disco-Z y no hay contracción posible. Las p roteínas sarcom éricas como la titina y la nebulina ayudan a m an ten er la longitud del sarcóm ero dentro de su rango de uso. Cuando las células m usculares están integradas en tejidos complejos, la longitud del sarcóm ero puede ser m odulada p a ra alterar las propiedades
contráctiles. Por ejemplo, los miocitos cardiacos se estiran cuando el corazón se llena de sangre, pero la longitud típica del sarcolem a es m ás corta que la lon gitud óptim a. Cuando el volum en de sangre que vuelve al corazón está increm entado, como durante el ejercicio, el estiram iento adicional increm enta la longitud del sarcolem a, y perm ite a los cardiomiocitos g en erar u n a contracción m ás intensa. Este fenó m eno, conocido como la ley de Starling, se exam ina en el Capítulo 9. M uchos de los procesos que hem os presentado h asta este punto pueden com prenderse a p artir de los acontecim ientos que suceden en un sarcolem a individual. Sin em bargo, las células m usculares incorporan cientos de miles de sarcolem as repetidos en u n a larga estructura. Un único y continuado esti ram iento de sarcolem as interconectados, llamado m ioflbrilla, tiene norm alm ente un diám etro entre 1 y 2 nm y estira la longitud de la célula m uscular. A un que la mioflbrilla es el elem ento contráctil dentro de las células m usculares1, cada tipo de célula m uscular organiza sus miofibrillas en un particular p atrón tri dim ensional (Figura 6.22). Las células del músculo cardiaco, o card iom iocitos, poseen m iofibrillas que suelen ten er cerca de 100 sarcóm eros de longitud. Así, un cardom iocito ventricular típico de m am íferos tiene cerca de 0,2 |un de longitud. Las células del m úsculo esquelético, o m ioflbras, poseen m ás longi tud que las miofibrillas, aunque tienen m ás variedad en tam año y organización. Como las miofibrillas n o r m alm ente discurren a lo largo del m úsculo, son cor tas en m úsculos pequeños y largas en m úsculos largos. El m úsculo m ás pequeño en hum anos, el estapedio de 1,3 |im de longitud, controla los m ovim ien tos de pequeños huesos en el oído interno. El músculo m ás largo en hum anos es el sartorio, el cual se extiende cerca de 60 cm desde el exterior de la cadera hasta el interior de la rodilla, enrollado alre dedor del muslo. La organización tridim ensional del sarcóm ero y las m iofibrillas influye en las propiedades contrácti-
Hay una importante diferencia entre los conceptos “célula muscular” y “músculo”. Una célula muscular, o miocito, es una célula contráctil, mientras que un músculo es un tejido multi celular. Los “músculos” están realmente compuestos por mu chos tipos diferentes de células, cada una de las cuales contribuye a la función muscular. Además de los miocitos —miofibras o cardiomiocitos—, los músculos tienen músculo liso vascular, células endoteliales y células inmunes, así como los fibroblastos que producen la matriz extraceluiar y el tejido conjuntivo que aglutina junto almúsculo. 1
Longitud del sarcómero (prn) F ig u ra 6.21.
R e la c ió n e n tre fu e rz a y lo n g itu d del
s a rc ó m e ro .
La capacidad de un sarcóm ero para contraerse depende del grado de solapam iento entre los filam entos finos y los gruesos. La fuerza m áxim a puede generarse en un estrecho rango de lo ngitud del sarcolema, característico de lo s tip o s musculares. (M odificado de Bers, 1991).
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 231
(a) Miofibrilla
Núcleo
Miofibrilla (b)
Miofibra de músculo esquelético
Figura 6.22.
(c) Cardiomiocito en músculo cardiaco
M io fib r illa s .
(a) Los sarcóm eros conectan extrem o con extrem o form and o las m iofibrilla s. Las células m usculares organizan las m iofib rilla s en diferentes conform aciones. Las m iofibras (b), que están form ada s por la fusión de m uchas células m usculares diferentes, pue den usar m io fib rilla s m uy largas y organizar m uchas m io fib rilla s en paralelo. Los cardio m iocitos (c), que son células sencillas, po seen m io fib rilla s cortas com puestas de unos 100 sarcóm eros. Las m iofibras y los cardio m iocitos se usan para co n s tru ir los tejidos que conocem os com o m úsculo esquelético y m úsculo cardiaco.
les del m úsculo estriado, como la generación de la fuerza y la velocidad de la contracción. Cada sarcó m ero es capaz de g en erar cerca de 5 pN de fuerza y puede acortarse cerca de 0,5 ¡un; estas propiedades son bastan te constantes entre las especies y tipos m usculares. Diferentes tipos de m úsculos cuentan con organizaciones específicas de los sarcóm eros p ara llevar a cabo funciones específicas. Una miofi brilla com puesta de 1.000 sarcóm eros en serie puede ten er cerca de 2,5 nm de longitud. Puede acortarse h asta 0,5 mm, pero sólo generará u n a fuerza de 5 pN. ¿Qué puede p a s a r si colocamos 100 sarcóm eros en paralelo? La fibra p o d rá ten er sólo 2,5 nm de longi tud y puede acortarse sólo 0,5 m m . Sin em bargo puede g en erar 100 veces m ás fuerza que el mismo núm ero de sarcóm eros organizados en serie. Este sencillo ejemplo ilustra cómo las variaciones anató m icas pueden p erm itir al m úsculo optim izarse p a ra diferentes tipos de contracción: m áxim o acorta m iento frente a m áxim a fuerza. Las p ropiedades contráctiles de las células m us culares están d eterm inadas po r las propiedades m oleculares de los filam entos finos y gruesos com
prendiendo los elem entos contráctiles, la organiza ción del sarcóm ero y la estructuración de la m iofibri lla. Las variaciones en las propiedades contráctiles ayudan a definir los distintos tipos de m úsculos. Vol vam os de nuevo a los procesos que controlan la in ter acción entre las proteínas sarcom éricas y las células m usculares.
Regulación de la contracción del músculo estriado de vertebrados Los procesos que controlan la contracción se llam an de form a conjunta acop lam iento excitación -con tracción . Las propiedades generales del ciclo de la contracción y la relajación son sim ilares entre la m ayoría de los músculos estriados. La prim era fase de la contracción del músculo es la excitación. Aun que el m ecanism o específico difiere am pliam ente entre los m úsculos, la excitación com ienza norm al m ente con la despolarización de la m em brana plas m ática del músculo, o sarcolem a. Tras la excitación, un a com binación de cam bios químicos y físicos den
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
tro de los miocitos d isp ara el aum ento intracelular de [Ca2+]2. En m uchos m úsculos, este increm ento en la [Ca2+] activa la m aquinaria actina-m iosina que induce la contracción. La relajación es posible cuando el sarcolem a se repolariza y la [Ca2+] dism i nuye a los niveles de reposo. Las propiedades específicas del acoplamiento exci tación-contracción difieren am pliamente entre m úscu los. La variación entre los tipos de músculos y las especies se debe en gran m edida a la diversidad en los genes que codifican las proteínas musculares. Cada anim al puede diseñar un conjunto de proteínas isomorfas p ara cam biar las propiedades contráctiles del músculo. Este repertorio genético proporciona a un anim al la capacidad de form ar diferentes tipos m uscu lares, como los músculos esqueléticos de contración rápida y los de contracción lenta. Los cambios en los isomorfos perm iten a los anim ales individuales remodelar los músculos en respuesta a los cambios fisiológi cos, como el ejercicio, y condiciones ambientales, como la tem peratura. Las evidencias de divergencia evolu tiva en los genes de los músculos tam bién son patentes cuando se com paran las propiedades contráctiles de los músculos de diferentes especies. La capacidad atlé tica de algunos anim ales se debe en parte a especializaciones moleculares de proteínas contráctiles. Empecem os n u estra exposición sobre la regula ción m uscular exam inando los procesos que contro lan la contracción m uscular en m úsculos estriados, haciendo hincapié en cómo ap arecen las especializaciones fisiológicas y evolutivas del desarrollo.
Las proteínas del filamento fino dan la sensibilidad al Ca2+ El músculo estriado se contrae cuando los niveles de Ca2+ dentro de la m iofibra se increm entan. La señal del Ca2+ es transm itida al aparato contráctil por las proteínas del filamento fino troponina y tropom iosina (Figura 6.23). Cuando la [Ca2+] es baja, el complejo de la troponina-tropom iosina se sitúa en el filamento fino en un a posición que bloquea la unión de la actina por la m iosina. Cuando [Ca2+] aum enta, se extiende, y p erm ite a la m iosina unirse a la actina e iniciar el ciclo de puentes cruzados. P ara com prender cómo se regu lan estos procesos, debem os considerar con m ás detalles la estructura de la troponina y la tropom io sina, centrándonos en cómo responden a la [Ca2+].
Como hemos visto en capítulos previos, los corchetes, [], in dican concentración.
2
Troponina
Actina Sitio de unión a la miosina F ig u ra 6.23.
T ro p o n in a y tro p o m io s in a .
La trop onin a, un trím e ro deTnC ,Tnl y TnT, se une cada siete actinas al fila m e n to fino. La trop o m io sin a se extiende desde la tro p o n in a sobre las siete actinas. Su posición en el fila m e n to fin o en relación con cualquiera de los sitios de unión de la m iosina perm ite o Inhibe la actividad actino-m iosina.
La troponina está form ada po r tres subunidades: TnC, Tnl y TnT. Cada subunidad contribuye a la regulación de la contracción dependiete de Ca2+. La prim era subunidad, TnC, es el sensor de Ca2+ (la C de TnC es por Calcium). Es un m iem bro de u n a am plia fam ilia de proteínas de unión a Ca2+. La TnC es una proteína de configuración con cuatro sitios de unión al Ca2+, dos en el dominio N -term inal y dos en el dominio C-terminal. Los dos sitios del extrem o C-term inal tienen u n a afinidad por el Ca2+ m uy alta y está probablem ente siem pre ocupada. Se suelen denom i n a r sitios estructurales ya que ayudan a anclar física m ente la TnC en el complejo de la troponina. Los sitios de unión al Ca2+ del extrem o N -term inal dispa ra n la contracción, y po r tanto se denom inan sitios reguladores. Tnl es la subunidad que une la troponina a la actina; de ese m odo inhiben la ATPasa actino-m iosina (la I es por Inhibición). La tercera subunidad de la troponina es la TnT, u n a proteína alargada que une la tropom iosina (la T es por Tropo miosina). La tropom iosina es u n a proteína de doble b anda que se extiende sobre aproxim adam ente siete m onóm eros de actinas y bloquea el sitio de unión de la m iosina a la actina. El complejo troponina-tropo m iosina en conjunto actúa como una unidad, modifi cando su posición en el filamento fino en respuesta al Ca2+ (Figura 6.24). En un m úsculo típico en reposo, el Ca2+ se m an tiene en concentraciones m uy bajas, norm alm ente p or debajo de 20 nM. A eta concentración, los sitios reguladores de TnC son incapaes de u n ir Ca2+. Con los sitios reguladores vacíos, la TnC adopta una estructura p articular que restringe su interacción con Tnl. Como resultado, la Tnl une actina, y el com-
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M o vim ien to celular y músculos 233
plejo troponina-tropom iosina vuelve a su posición inhibidora. Los proce sos m oleculares im plicados en la con tracción están resum idos en la Figura 6.25. Este m odelo general de contrac ción inducida po r Ca2+ se aplica a todos los m úsculos estriados. Sin em bargo, hay un a gran diversidad en la cinética de la contracción. Atribui (a) Corte transversal m os g ran p arte de esta diversidad al control del [Ca2+] citoplasm ático. La fuerza de la contracción depende del [Ca2+] ya que influye en cuánto com plejo troponina-tropom iosina se ve afectado, y su duración está determ i n a d a po r cuánto tiem po la [Ca2+] se m antiene elevada. Los músculos rápidos pueden contraerse cientos de veces po r segundo (véase la Ca (b) Vista longitudinal ja 6.2). Antes de tra ta r la excitación F ig u ra 6.24. R e g u la c ió n de la c o n tra c c ió n a c tin o -m io s in a por la s p ro te ín a s m uscular y el control del Ca2+ tra n si d e l fila m e n to fin o . torio, considerarem os cómo la ciné El calcio se une a los sitios de baja afinidad de TnC y dispara una reorganización tica de la contracción m uscular de la trop onin a-tropom ioslna, deslizándose fuera de los sitios de unión de la m io influye en sus propiedades en el ap a sina a la actina, hacia el surco m ayor del fila m e n to fino. rato contráctil en sí mism o. Los ani m ales pueden form ar m úsculos con diferentes propiedades funcionales alterando la com piejo troponina-tropom iosina se m antiene en una posición de los filamentos finos y gruesos, y usando posición inhibitoria. Cuando el m úsculo es activado, proteínas reguladoras que m odifiquen sus propieda los niveles de Ca2+ citoplasm ático pueden ser 100 des cinéticas. veces superiores. Esto perm ite a los sitios regulado res u nir Ca2+, lo que produce un cambio estructural dentro de TnC que expone las regiones hidrofóbicas El complejo troponina-tropomiosina de la proteína. Una vez descubiertas, la zona hidrofóinfluye en la cinética de la contracción bica en la TnC puede unirse a un a región hidrofóbica análoga en Tnl. La fuerza de la interacción TNc-Tnl El complejo troponina-tropom iosina juega un papel causa u n debilitam iento en la interacción Tnl-actina. esencial en el control de la contracción. Los anim ales La fuerte interacción TnT-tropom iosina asegura que poseen m últiples isomorfos de estas proteínas, cada la tro ponina y la tropom iosina se m ueven como un un a de ellas con propiedades sutilm ente distintas que complejo. En esta posición, la m iosina está ahora influyen en la cinética de la contracción. Regulando libre p a ra u n ir la actina e inducir la actividad ATPa la expresión de estos isom orfos, un anim al puede sas actino-m iosina. El ciclo de puentes cruzados ten er un control fino de las propiedades reguladoras puede continuar a lo largo m ientras el complejo trodel m úsculo. Estudios recientes h an m ostrado como ponina-tropom iosina se m antega bloqueado en su la variación en las proteínas del complejo troponinaposición perm isiva, y haya suficiente ATP p a ra ali tropom iosina transm ite unas propiedades cinéticas m en tar la ATPasa actino-m iosina. únicas que son las apropiadas p ara tipos m usculares La actividad actino-m iosina cesa cuando [Ca2+] o circunstancias fisiológicas específicos. Las miofibrillas m usculares difieren am plia dism inuye a los niveles de reposo y los cam bios estructurales son reversibles. Los sitios reguladores m ente en su sensibilidad al Ca2+. Por ejemplo, en los en la troponina pierden su Ca2+. El TnC se dobla p ara m am íferos, las miofibrillas del m úsculo cardiaco son m enos sensibles al Ca2+ que los músculos de contrac ocultar sus zonas hidrofóbicas de unión a la Tnl. La Tnl restablece sus conexiones con la actina, y el com ción rápida. E stas diferencias en la sensibilidad del
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Incremento en [Ca2+]
Fig u ra 6 .25. R e su m e n de los p ro c e s o s ió n ic o s en la c o n tra c c ió n .
La contracción com ienza cuando los niveles de Ca2+ dentro de la célula m uscular aum entan en respuesta a la excitación. La relajación com ienza cuando los niveles de Ca2+ citosólicos d ism inuyen, gracias a las bom bas de iones.
Ca2+ se deben en g ran m edida a las propiedades de TnC. Los vertebrados poseen dos genes separados p a ra TnC; u n isomorfo se expresa tanto en los m ús culos de contracción lenta como en los m úsculos ca r diacos (s/cTnC) y el otro en los m úsculos esqueléticos de contracción ráp id a (fTnC). La principal diferencia entre los isom orfos se d a en el dominio N-terminal. En el s/cTnC, la inserción de un am inoácido inactiva el prim ero de los dos sitios reguladores de unión de Ca2+. Los dos isom orfos m u estran im portantes dife rencias en la unión Ca2+ que influyen en las propie
dades del músculo. La ftnC tiene u n a m ayor afinidad p or el Ca2+ que la s/cTnC, y en consecuencia los m ús culos de contracción ráp id a son m ás sensibles al Ca2+. Estas diferencias en TnC tam bién influyen en cómo el corazón y los músculos de vertebrados se ven afectados po r la tem peratura. A baja tem peratura, las miofibrillas cardiacas se hacen m enos sensibles al Ca2+, m ientras la sensibilidad del músculoesquelético al Ca2+no se ve afectada. M uchas de las diferencias en la respuesta a la tem peratura pueden rastrearse en el pasado po r las propiedades m oleculares de los iso m orfos de TnC. Las tem peraturas frías alteran la capacidad de s/cTnC de unirse al Ca2+, m ientras la afinidad al Ca2+ de fTnC está m enos alterada. Los ratones transgénicos que expresan fTnC en el cora zón exhiben propiedades térm icas del m úsculoesque lético de contracción rápida. La sensibilidad al Ca2+ de las miofibrillas de estos corazones se ve m ucho m enos afectada por las bajas tem peraturas. Los isom orfos de troponina tam bién son resp o n sables de la sensibilidad al pH del corazón. Los m ús culos cardiacos de los m am íferos adultos son m uy sensibles al pH bajo, m ientras que el m úsculo car diaco fetal se ve m enos afectado. El descenso del pH reduce la afinidad del aparato contráctil por el Ca2+, con lo que es necesario m ás Ca2+ p a ra alcanzar la concentración m áxim a. El beneficio p ara el feto está claro. Como su aparato contráctil es m enos sensible al pH, es capaz de to lerar m ejor los frecuentes golpes de hipoxia en el útero. Vamos a establecer las dife rencias en la sensibilidad del pH rastreando los iso m orfos de Tnl. Los m am íferos expresan tres tipos diferentes de isom orfos Tnl: m úsculo cardiaco, m úsculo esquelético de contracción ráp id a y músculo esquelético de contracción lenta. Los corazones feta les expresan m enos isom orfos esqueléticos de Tnl sensibles al pH, cam biando el isomorfo cardiaco rápidam ente después del nacim iento. Cuando los investigadores consiguieron ratones transgénicos que expresaban el Tnl del m úsculo de contracción ráp id a en corazones adultos, com probaron que estos corazones se veían m enos afectados po r el pH. Los cam bios en la expresión del isomorfo de Tnl tam bién ocurren d urante el ejercicio. Cuando hay un incre m ento m antenido de la actividad m uscular, las célu las m usculares lentam ente reem plazan el Tnl de los m úsculos rápidos po r un Tnl de m úsculos lentos. Es difícil m o strar los beneficios del cam bio de este tipo de isomorfo de Tnl ya que m uchas otras propiedes del acoplam iento excitación-contracción tam bién cam bian durante el ejercicio.
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 235
Caja 6.2 Evolución y diversidad M úsculos sónicos
M uchos padres noveles enseñan a sus
aceleran la relajación por dos vías. El RS tiene una actividad
hijos un am pio espectro de sonidos anima
m ucho más alta de su maquinaria de captura de Ca2+. Estos
les para entretener a los am igos e im presionar a la fam i-
m úsculos tam bién tienen niveles m uy altos de la parvalbú-
lia.Todos estos sonidos, desde el "m ia u " de los gatos
mina, tam pón del Ca2+. En conjunto, estos procesos perm i
hasta el "q u i qui ri quí" de los gallos, son en realidad resul
ten un tránsito del Ca2+ m uy rápido.
tado de m úsculos específicos en com binación con otros
La segunda propiedad necesaria para una velocidad de
sistem as fisiológicos. Pájaros y m am íferos usan los m úscu
contracción rápida es un rápido ciclo de puentes cruzados.
los respiratorios para to m a r aire, los m úsculos faríngeos
La cabeza de miosina puede form ar un puente cruzado,
para m odificar las propiedades acústicas de la faringe y los
sufre un golpe activo, después se libera. El paso lento en
m úsculos linguales para m over la lengua. Los lenguajes
este ciclo es la liberación de la miosina de la actina. En los
animales norm alm ente se producen usando los m úsculos y
m úsculos sónicos la miosina tiene una velocidad de libera
las estructuras del sistem a respiratorio. Sin embargo,
ción seis veces más rápida que las fibras de contracción
m uchos animales usan órganos productores de sonido en
rápida del pez sapo. La base m olecular de esta diferencia en
com binación con m úsculos que están m uy especializados
la cinética de los puentes cruzados no está aún establecida.
para una contracción m uy frecuente. Los m úsculos del
Sabem os que las propiedades mecánicas de las estruc
órgano de agitación de la cola de la serpiente de cascabel
turas que producen sonido tam bién afectan a las propieda
se contraen unas 100 veces por segundo (100 Hz). La ciga
des contráctiles del m úsculo. El diseño de los músculos
rra es un insecto que zumba al doblar una región sim ilar a
que perm iten esta contracción de alta frecuencia tam bién
un tam bor de su exoesqueleto, llamada tim bal, cerca de
lim ita su capacidad para producir fuerza. Los órganos pro
200 veces por segundo. El pez sapo produce un sonido
ductores de sonido usan elem entos que están form ados
com o un agudo pitido usando su m úsculo sónico que hace
de manera que pueden vibrar o curvarse con relativam ente
vibrar su vejiga natatoria a más de 200 Hz. Lo que es llama
poca fuerza. Son estructuras delicadas que pueden cam
tivo de cada uno de estos m úsculos es la form a en la cual el
biar radicalm ente sin afectar a otros procesos fisiológicos.
animal m odifica la maquinaria m uscular para operar a estas
En contraste, los animales que usan el sistem a respiratorio
frecuencias a m enudo diez veces más rápidas que el m ús
para vocalizar tienen lim itaciones en el m odo en que la
culo lo com o tor más rápido en el m ism o animal. Sorpren
maquinaria productora de sonidos puede m odificarse en la
dentem ente, la maquinaria contráctil de los músculos
evolución. Cualquier adaptación en estos animales debe
sónicos no es m uy diferente de la de los m úsculos de loco
servir adecuadam ente para el doble propósito de las
m oción. N orm alm ente, los m úsculos sónicos están form a
estructuras, respirar y producir sonidos. Es posible que las
dos por isom orfos de proteínas de los fila m en tos finos y
propiedades de los m úsculos especializados que se ven en
gruesos de m úsculo esquelético de contracción rápida,
los peces sapo, serpientes de cascabel, grillos y cigarras
resultando velocidades del ciclo de puentes cruzados y de
hayan sido posibles ya que han evolucionado conjunta
la ATPasa que son m uy sim ilares a las de las fibras de los
m ente con órganos dedicados a producir sonidos.
m úsculos de contracción rápida. Pero ¿qué hace un m ús culo sónico, com o el del pez sapo, para ser capaz de con traerse y relajarse tan rápidamente? En prim er lugar, el m úsculo puede tener un tránsito de Ca2+ m uy rápido. Los m úsculos sónicos tienen una gran cantidad de RS. En la excitación, el flujo de Ca2+ desde el RS satura m uy rápidam ente los sitios reguladores de la TnC para activar la contracción. Inundar el citoplasm a con Ca2+ es una buena vía para acelerar la contracción, pero repre senta un problema para la relajación. Los m úsculos sónicos
Se sabe m ucho m enos sobre las propiedades fun cionales de los diferentes isomorfos de TnT y tropom iosina. Hay num erosos isom orfos de TnT a p artir de tres genes (cardiaco, m úsculo de contracción
Referencias • Rome, L. C., D. A. Syme, S. Hollingworth, S. L. Lindstedt, and S. M. Baylor. 1996. The whistle and the rattle: The design of soundproducing muscles. Proceedings of the National Academy of Sci ences USA 93: 8095-8100. • Young, I. S. and L. C. Rome. 2001. Mutually exclusive muscle designs: The power output of the locomotory and sonic muscles of the oyster toadfish (Opsanus tau). Proceedings of the Royal Society of London B Biological Sciences 268:1965-1970.
ráp id a y m úsculo de contracción lenta) con múltiples form as producidas por las alternativas del procesa m iento del mRNA. Cuatro genes de la tropom iosina g eneran u n a m ultitud de isom orfos a través de p ro
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
cesos alternativos. Los estudios transgénicos m ues tra n que los isom orfos de la tropom iosina pueden influir en la velocidad de relajación y contracción. Los anim ales con estos elem entos diseñan un filamento fino p a ra crear distintos tipos de fibras m usculares o alterar sutilm ente la actividad del Ca2+, pH, o tem p eratu ra. A p esar de que m uchos estudios h an explorado cómo en u n a especie estos isomorfos pueden alterar las características fisiológicas del m úsculo, conocem os m ucho m enos acerca de cómo las variaciones en los isom orfos de troponina-tropom iosina contribuyen a la diversidad de las propieda des m usculares que se p resen tan entre las especies. De form a similar, se conoce tam bién poco acerca del m odo en que estas p roteínas se integran en las e stra tegias fisiológicas anim ales que afrontan los cam bios en las condiciones am bientales, como la tem p era tu ra, que se sabe que influyen en la sensibilidad al Ca2+ del músculo.
Tabla 6 .4 .
P ro p ie d a d e s de los is o m o rfo s de m io s in a en m a m ífe ro s .
Isomorfo
Propiedades
Oi
El isomorfo cardiaco rápido se expresa en el músculo cardiaco, en especies con velocidades del corazón rápidas, o en respuesta a la actividad.
0(=I)
Este isomorfo cardiaco lento/oxidativo lento se expresa en el músculo cardiaco, en especial en los corazones con velocidades lentas.
Ha
Encontrado en las fibras glicolíticasoxidativas rápidas. Velocidades de ATPasa interm edias entre I y Ilx/d.
Ilx/d
Encontrado en las fibras glicolíticas rápidas. Velocidades de ATPasa inter medias entre Ha y Ilb.
Ilb
Encontrado en las fibras glicolíticas rápidas, produce las ATPasas más rápidas.
Los filamentos gruesos también influyen en las propiedades contráctiles
Embrionario
Expresado en el músculo esquelético en el desarrollo embrionario tardío, así como en algunos músculos de adultos.
La com posición y propiedades de los filamentos gruesos tam bién influyen en la contracción de los m úsculos. Los anim ales tien en el potencial de form ar diferentes tipos de filam entos gruesos utilizando la g ran fam ilia de los genes de la m iosina II. Los verte b rad o s tien en ocho genes diferentes de la m iosina II, cada uno de los cuales produce u n a cadena pesada de m iosina con diferentes propiedades estructurales o funcionales. Como las m iosinas de los músculos com binan como hom odím eros o heterodím eros, los v ertebrados pueden potencialm ente construir 36 dím eros de m iosina II diferentes a p artir de los ocho genes. Aunque son posibles 36 com binaciones, cada célula m uscular expresa norm alm ente sólo una poción de los genes de la m iosina II (Tabla 6.4). Los m úsculos del corazón de los vertebrados u san dos genes de m iosina II (a y (5) p a ra construir tres dím eros diferentes (an, ap, pp). Cada un a de esas com binaciones tiene u n a velocidad ATPasa actino-m iosina diferente: la com binación a a tiene la ATPasa m ás rápida, m ien tras que la (3|3 es la m ás lenta y la a p la interm edia. Los anim ales alteran el perfil de la cadena p esad a de m iosina en resp u esta a cam bios en el nivel de actividad. El ejercicio puede hacer que el m úsculo cardiaco cam bie del isomorfo de m iosina (3(3 al aa. La relación con el nivel de activi dad se refleja tam bién en las com paraciones entre especies. Algunas especies como los conejos expre san típicam ente sus genes de m iosina II p, m ientras
Perinatal
Expresado en el músculo esquelético en el desarrollo embrionario tardío, así como en algunos músculos de adultos.
Extraocular
Expresado en los músculos del ojo.
que otras especies con ritm os cardiacos m ás altos como las ra ta s expresan sus genes de m iosina II a. Los cam bios en los isomorfos de m iosina tam bién suceden en los m úsculos esqueléticos, los cuales pueden expresar siete m iosinas diferentes (I, la, Ilb, Ilx/d, perinatal, em briónica y extraocular). Muchos de estos isom orfos esqueléticos varían en sus veloci dades de ATPasa, m ientras que otros difieren en los aspectos no catalíticos de la función de la m iosina, como la capacidad p a ra interaccionar con proteínas reguladoras o estructurales. Como sus nom bres sugieren, algunos isom orfos se expresan en m om en tos concretos del desarrollo. Según se desarrolla el em brión, sus m úsculos esqueléticos p rogresan desde em briónicos, pasando por perinatales, hasta final m ente isom orfos de m úsculos específicos de adultos. Aún no se conoce cómo influye cada isom orfo de m iosina II en las funciones m usculares d urante el desarrollo. De hecho, algunos m úsculos de la m andí bula y del cuello continúan utilizando isomorfos de m iosina II em briónicos o perinatales en la edad adulta. Los músculos del esqueleto de los adultos se
C A P ÍTU LO 6
clasifican a p artir del isomorfo de m iosina II como de tipo I (o p), lia, Ilb o Ilx/d. Las propiedades catalíticas de las m iosinas están ligadas a las dem andas con tráctiles del músculo. Los m úsculos esqueléticos de contracción lenta u san predom inantem ente m iosina II tipo p, el isom orfo “cardiaco” de baja velocidad y alta eficiencia. En contraste, los músculos esqueléti cos de contracción ráp id a usan m iosina II tipo Ilb, que tiene m ayor velocidad pero m enos eficiencia. M ientras que cada m iofibra expresa un solo isomorfo de la m iosina, u n m úsculo puede estar form ado por m iofibras que expresan diferentes isom orfos de m io sina II. La principal función de la m ayoría de los m úscu los es g en erar fuerza. La diversidad en la generación de fuerza aparece como resultado de las diferencias en las propiedades m oleculares de las unidades con tráctiles y su disposición en los m úsculos. Es im por tan te reconocer las relaciones entre los procesos m oleculares y cómo estos sucesos se convierten en fuerza. Las relaciones cuantitativas entre estos p a rá m etros se describen con m ás detalles en la Caja 6.3.
M o vim ien to celular y músculos 237
ráp id a reducción en el potencial de m em brana. Una vez que los canales de N a+ se cierran, la salida preci pitada de K+ a través de los canales dependientes de voltaje sensibles al K+, induce la repolarización. Los gradientes iónicos son restablecidos po r la ATPasa de Na+/K+. Este p atrón general de potencial de acción, despolarización y repolarización es sim ilar entre los músculos estriados de los vertebrados. Sin em bargo, los m úsculos m uestran diferencias muy im portantes en el tiem po que ta rd a n los cam bios en el potencial de m em brana. El m úsculo cardiaco y el esquelético tienen dife rencias im portantes en la form a y la duración del potencial de acción (Figura 6.26). Las células del
Excitación Hasta ahora, hem os tratado la m aquinaria implicada en la contracción de los músculos, pero aún no hemos abordado cómo se desencadena la contracción muscu lar. La excitación en la m ayoría de los músculos estria dos sucede cuando la despolarización del sarcolema provoca un increm ento en el [Ca2+] citosólico. Más allá de un simple resum en es difícil hacer generalizaciones sobre la excitación de los músculos estriados. Como veremos en las próxim as secciones los m úsculos se diferencian según la causa de la despolarización, la pauta de cambio en el potencial de m em brana con el tiempo, la propagación de la polarización a lo largo del sarcolem a, y los orígenes celulares del [Ca2+], Conside rem os cada uno de estos factores, centrándonos en las implicaciones p ara la función m uscular y las bases de las diferencias entre tipos de músculos y especies.
(a) Músculo esquelético
Los músculos son excitados por un potencial de acción El potencial de acción, que ya describim os en el Capí tulo 3, es tam bién la señal p a ra la contracción de la m ayoría de las células m usculares. El potencial de m em b ran a en reposo del sarcolem a es de aproxim a dam ente - 7 0 mV. Como en otros tipos de células, la depolarización se induce cuando los canales de Na+ se abren. U na corriente in tern a de N a+ causa una
(b) Músculo cardiaco Figura 6.26.
P o te n c ia l de a c c ió n en el m ú s cu lo e s tria d o .
La figura m uestra el tie m p o tran scurrid o entre los cam bios del potencial de acción y la fuerza para el m úsculo esqueléti co (a) y el m úsculo cardiaco (b). M ientras que los perfiles de contracción son sim ilares, el potencial de acción es más largo en el m úsculo cardiaco debido a su lenta repolarización.
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
C aja 6 . 1 .
Refuerzo matem ático:
Cam bios del sarcóm ero en la generación de fuerza y el acortamiento
Las propiedades contráctiles de los m úscu
tiem po (su ciclo obligatorio) y sólo puede generar fuerza
los, com o la generación de fuerza, el acorta
durante la parte del ciclo en que está unida al filam ento fino.
m iento y la velocidad de contracción, dependen en gran parte de cóm o el m úsculo se integra en el cuerpo. Si un m úsculo está fijado a una determinada distancia, la estim u lación del m úsculo provoca una c o n tra c c ió n is o m é tric a
600 x 5% = 30 cabezas de miosina que generan fuerza al m ism o tiem po 30 X 5 pN = 150 pN de fuerzas
(iso = igual, m étrica = longitud), donde se genera fuerza
¿Cómo puede un sarcóm ero generar diferentes cantida
pero el m úsculo no se acorta. Por el contrario, si el extrem o
des de fuerza? Cada cabeza de miosina activa genera la
del m úsculo se m ueve librem ente, la estim ulación provoca
misma cantidad de fuerza (alrededor de 5 pN), lo que nos
una c o n tra c c ió n is o tó n ic a (iso = igual, tónica = tensión),
lleva a pensar que la fuerza debe depender del núm ero de
donde el m úsculo se acorta, pero no se genera fuerza. En la
puentes cruzados que puede formar. M uchos tipos de célu
realidad ninguna contracción en puram ente isotónica o iso
las m usculares pueden usar cam bios en la m agnitud de la
m étrica. Sin em bargo estos térm inos son útiles para distin
señal de Ca2+ para alterar el núm ero de puentes cruzados. Si
guir m úsculos especializados en generación de fuerza o en
el RS libera pocos iones Ca2+, pocos com plejos troponina-
acortam iento. Los m úsculos de nuestra espalda que nos
tropom iosina se verán inducidos a m overse y se formarán
ayudan a m antener la posición se acercan a una contracción
pocos puentes cruzados. Los elem entos contráctiles del
isom étrica. Los m úsculos sónicos se acercan a una contrac
m úsculo m uestran una relación sigm oidal entre la [Ca2+] y la fuerza del músculo.
ción isotónica. En cada uno de los casos está implicada la misma unidad básica contráctil, el sarcómero. La distinción entre contracciones isotónicas e isom étricas se relaciona con el sarcóm ero y la cinética de los puen tes cruzados. C onsiderem os los siguientes escenarios para ilustrar cóm o aparecen las diferencias en las propiedades contráctiles. Com o ya sabem os que la longitud del sarcó m ero influye en la contracción, en los siguientes escena rios asum irem os una longitud óptim a del sarcóm ero, con las 600 cabezas de m iosina capaces de interaccionar con los filam entos finos en cada sarcóm ero. Las propiedades contráctiles de una célula m uscular dependen del núm ero de cabezas de m iosina implicadas en la contracción. Cada cabeza individual de miosina genera alrededor de 5 pN de fuerza durante un ciclo de puentes cruzados. Por tanto, podem os asum ir que un filam ento grueso con 600 cabezas de miosina, donde cada una pro duce 5 pN de fuerza, producirá 3.000 pN de fuerza. Sin embargo, cuando m edim os la fuerza de un filam ento grueso individual observam os que sólo genera alrededor de 150 pN de fuerza. Un fila m en to grueso individual podría generar 3.000 pN de fuerza si cada cabeza individual de m io sina empujara al m ism o tiem po. En un ciclo de puente cru zado, cada cabeza de miosina está unida sólo un 5% del
m úsculo estriado no p u ed en d espolarizarse de nuevo h a s ta que la fase de rep olarización esta cerca de com pletarse. E sta ven tan a de insensibilidad se denom ina p eriod o refra cta rio efectiv o ya que la célula m u scu lar no pu ed e se inducida a contraerse
Recordemos, del Capítulo 2, que el prefijo p, com o en pCa o pH, significa que la concentración se expresa com o un logaritm o negativo (pCa 6 = 10-6 M Ca2+ o 1 pM Ca2+). Esta estrategia de alterar los niveles de Ca2+ para regular la fuerza es im portante en los m úsculos cardiacos, pero la
de nuevo por los reguladores fisiológicos norm ales. Las m iofibras esqueléticas despolarizan y repolarizan muy ráp id am en te, por lo g eneral dentro del aproxim adam ente 5% del tiem po necesario p a ra com pletar un ciclo de contracción-relajación. Una
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 239
mayoría de los m úsculos esqueléticos liberan suficiente
En 1957, A n dre w Huxley explicó la relación fuerza-velo-
Ca2+ durante cada contracción com o para inducir fuerzas
cidad en térm in os de cinética de puentes cruzados. La dife
cercanas al m áxim o.
rencia entre generación de fuerza y acortam iento reside en
¿Cuál es la relación entre la fuerza y la velocidad de acor
los cam bios estructurales en la cabeza de la miosina.
tam iento? O dicho de otra manera, ¿por qué podem os
Cuando pensamos en los ciclos de puentes cruzados en
levantar una pluma más rápido que un ladrillo? Hace unos
térm in os de una m olécula sencilla de m iosina vem os cóm o
V.
Hill trató de expresar cóm o influye la
se extiende hacia adelante y em puja al fila m en to fino.
fuerza en la velocidad de contracción del m úsculo. Deter
Cuando introducim os en este m odelo los otros centenares
m inó experim entalm ente cóm o la velocidad de contracción
de cabezas de m iosina las cosas se vuelven un poco más
setenta años, A.
se ve afectada por la fuerza, la cual él alteró cam biando la
complicadas. Cada m iosina individual sólo puede unirse al
cantidad de peso que el m úsculo levantaba.
fila m en to fin o cuando em puja hacia adelante buscando un sitio de unión en la actina. Una vez que se ha unido, deben ocurrir varias reacciones químicas antes de que la cabeza pueda generar fuerza para su golpe activo. Si el acorta m iento es rápido, otras cabezas de miosina pueden em pu jar al fila m en to fino hacia atrás antes de que la cabeza de miosina tenga la oportunidad de som eterse al golpe activo. El fila m en to deslizante curva la m iosina en la posición que debería haber asum ido si hubiera tenido tiem po de som e terse a su golpe activo. M ientras aún tienen lugar las reac ciones químicas del golpe activo (liberación de ADP y Pi), los cam bios estructurales en la cabeza de m iosina ya se han producido. Com o consecuencia, este ciclo de puente activo no genera fuerza. Dicho de form a sencilla, la alta velocidad de contracción evita que m uchos puentes cruza dos puedan generar fuerza. C onsiderem os ahora qué sucede cuando un m úsculo genera su m áxim a fuerza,
Desarrolló la siguiente ecuación relacionando la fuerza contráctil (P) con la velocidad de acortam iento (V)\
com o cuando levanta el m áxim o peso posible. Durante un ciclo de puente activo la tensión del m úsculo im pide que el fila m en to fin o se m ueva de form a sensible, y cada cabeza de miosina en el puente cruzado perm anece en una form a
P+ c
que le perm ite generar fuerza.
donde P0 es la tensión máxima isom étrica del m úsculo, b
Estos cambios sarcom éricos en la fuerza, longitud y velo
es una constante de velocidad y c es una constante de
cidad de contracción tienen im portantes consecuencias en
fuerza. Cuando se levanta la pluma (P próxim a a cero) el
las funciones muculares. Cuando volvam os a ver los múscu
num erador está en su m áxim o (b PJ, el denom inador está
los en sucesivos capítulos, recordaremos cóm o estos suce
próxim o a cero y la velocidad es m áxim a. Pero ¿cuál es la
sos sarcom éricos contribuyen a las funciones musculares.
base mecánica de esta relación en térm in os de sucesos m oleculares en el sarcóm ero? El m ism o núm ero de puen
Referencias
tes cruzados estará im plicado si la situación genera la
• Huxley, A. F. 2000. Cross-bridge action: Present views, prospects, and unknowns. Journal of Biomechanics 33:1189-1195.
m áxim a fuerza o la m áxim a velocidad de acortam iento.
vez que la m em b ran a del m úsculo esquelético se ha repolarizado, u n segundo potencial de acción puede in d u cir o tra contracción, au n cuando el m úsculo no esté todavía relajado de la contracción anterior. Los cardiom iocitos tam b ién despolarizan rápidam ente
pero necesitan m ás tiem po p a ra repolarizar. La duración del potencial de acción en los cardiom ioci tos es aproxim adam ente la m itad de la duración del ciclo de la contracción. El prolongado periodo refractario efectivo de los cardiom iocitos es funda
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
m en tal p a ra la función del corazón. Los cardiom io citos están conectados en u n a red eléctrica que tran sm ite el potencial de acción entre las células y g en era u n a onda de contracción. El largo periodo refractario efectivo evita que el potencial de acción que estim ula u n a contracción en los cardiom iocitos ten g a lu g ar en m edio de u n ciclo contráctil. Sin p eriodo refractario efectivo, la contracción de ca r diom iocitos individuales de ciertas regiones de ca r diom iocitos puede o cu rrir caóticam ente, fenóm eno conocido p o r el n o m b re de arritm ia. En un corazón típico de v erteb rad o , hay tipos diferentes de cardio m iocitos, cad a uno de los cuales experim enta un potencial de acción con u n a am plitud, duración y configuración características. En el Capítulo 9 v ere m os los d iferentes tipos de cardiom iocitos, así como su organización en el m úsculo cardiaco, cen tral en la función cardiaca. La velocidad de contracción m áxim a del músculo estriado depende de la velocidad a la cual la célula m uscular com pleta el potencial de acción. Los m ús culos estriados de contracción rápida com pletan el potencial de acción en pocos m ilisegundos. Esto p re p a ra al m úsculo p a ra otra excitación y contracción poco después. Muchos tipos de m úsculos esqueléti cos se diferencian por la frecuencia m áxim a de con tracción, debido en g ran m edida a las diferencia en la velocidad de la repolarización. M uchas de las diferencias en la velocidad de repo larización pueden atribuirse a las propiedades de los canales de K+. No es sorprendente, por tanto, que los canales de K+ sean el blanco de horm onas y drogas que regulan la velocidad de contracción. Los factores reguladores, como la acetilcolina y la adenosina, actúan m odulando las propiedades de los canales de K+. Cada tipo de célula m uscular tiene perfiles carac terísticos de canales de K+ que le confieren diferentes p atro n es de repolarización. En los cardiomiocitos, la larga duración del potencial de acción es debida tanto a los canales de K+ como a los de Ca2+. Como en el m úsculo esquelético, m uchas de las ru tas horm onales que influyen en la contractibilidad cardiaca ejercen sus efectos por medio de los canales que determ inan la velocidad de repolarización: canales sarcom éricos de Ca2+ y de K+. La despolarización es el p rim er paso de la excita ción del m úsculo esquelético en vertebrados, pero puede ser inducida por diferentes caminos. En la sec ción siguiente distinguirem os dos tipos generales de m úsculos basados en cómo desencadenan la despo larización del sarcolem a: m úsculos m iogénicos y m úsculos neurogénicos.
Las células del músculo miogénico se despolarizan espontáneamente Los cardiom iocitos del corazón de los vertebrados están considerados como m úscu los m iogén icos ya que espontáneam ente sufren la despolarización del sarcolem a. Si separam os todas las células diferentes del corazón, podem os ver que cada miocito despola riza a u n a frecuencia regular. Cada tipo de cardiomiocito despolariza a u n a velocidad característica. Las células que despolarizan m ás rápido se denom i n an célu las marc.apaso. En un corazón intacto, los cardiom iocitos están interconectados a través de uniones gap que pueden transm itir el potencial de acción entre las células. Una vez que la célula depolariza, u n a onda de despolarización se m ueve a gran velocidad a través de la red de cardiom iocitos. Como las células m arcapaso despolarizan a gran velocidad, determ inan la velocidad de contracción de todo el corazón. Sin em bargo, si las células m arcapaso sufren un daño, otros cardiom iocitos pueden com en zar a m arcar el ritm o que determ ina la velocidad de contracción. Las células m arcapaso m uestran un potencial de m em brana en reposo inestable. D espolarizan muy lentam ente hasta un um bral de potencial que dispara un a rápida despolarización espontánea. La inestabi lidad del potencial de m em brana es debida a com ple jas propiedades de m uchos canales iónicos. Las células m arcapaso poseen m uchos tipos de canales de K+ dependientes de voltaje y dependientes de ligando, así como num erosos tipos de canales de Na+ y Ca2+. Las células m iogénicas pueden controlar la exci tación regulando los canales iónicos p a ra m odificar su propensión a la despolarización espontánea. Por ejemplo, las catecolam inas, adenosina y acetilcolina ejercen efectos en las células m arcapaso, y conse cuentem ente en el ritm o del corazón, alterando las propiedades de los canales iónicos. Exam inarem os en detalle estos procesos de regulación cuando consi derem os el papel de la regulación de la función car diaca en el Capítulo 9.
Los músculos neurogénicos se excitan por neurotransmisores A diferencia de los músculos miogénicos, la excita ción de los m ú scu los n eu rogén icos es iniciada por u n im pulso neural. El m úsculo esquelético es im ejemplo de músculo neurogénico. Cuando u n a n eu ro n a m otora es estim ulada, el n eurotrasm isor acetil-
C A P ÍTU LO 6
motora
Sarcolema
terminal de la neurona motora
M o vim ien to celular y músculos 241
en resp u esta a la despolarización en diferentes sitios a lo largo de la fibra, reduciendo la dependencia de la conductancia del potencial de acción. Los m úsculos tónicos se contraen lentam ente, pero m antienen la tensión d urante largos periodos. Este tipo de m úscu los es im portante en el m antenim iento de la posición. Muchos m úsculos esqueléticos, especialm ente los usados en la locomoción, son m úscu los de con trac ción. Este tipo de m úsculo estriado, inervado por una o sólo unas pocas neuronas m otoras, contacta la m iofibra a u n a región del sarcolem a llam ada placa fin al m otora (Figura 6.27). La despolarización en la placa final m otora conduce a un potencial de acción que es rápidam ente transm itido a lo largo del sarcolem a, disparando la contracción.
Lostúbulos-T refuerzan la acción potencial al penetrar en el miocito motora final de célula muscular esquelética
Fig u ra 6.27.
M ú s c u lo s c o n tr á c tile s .
Las neuronas m otoras inervan m iofibras individuales, ha ciendo contacto en una región de la fibra llam ada placa m o tora term in al. Los m úsculos contráctiles poseen m iofibras que están ¡nervadas por una única neurona m otora.
colina es liberado de la vesícula sináptica a la sinap sis, la región entre el nervio y el m úsculo. Cuando la acetilcolina cruza la sinapsis, interacciona con el sa r colema. Los canales iónicos unen el neurotrasm isor y se abren, perm itiendo a los iones N a+ fluir hacia el in terio r de la célula p a ra d isp arar el potencial de acción. P ara el uso eficiente de los m úsculos es esencial u n a contracción uniform e. P ara que esto ocurra en u n m úsculo neurogénico, la señal de excitación debe estim ular varias fibras dentro del músculo. Aunque los potenciales de acción se m ueven muy rá p id a m ente, sólo la conductancia pasiva es a m enudo inadecuada p a ra aseg u rar que la señal alcance sim ultáneam ente a todo el músculo. Una solución alternativa al desafío de la uniform idad en la excita ción del m úsculo es la inervación m últiple. Los m ú s cu los tó n ico s están inervados en múltiples puntos a lo largo de la fibra. Cuando las neuronas m otoras son estim uladas, la liberación de los neurotransm isores tiene lugar en num erosos puntos a lo largo de la fibra m uscular. La fibra es entonces inducida a contraerse
M uchas fibras contráctiles dependen de la simple acción de la conductancia del potencial a lo largo de la superficie del sarcolem a. Las m iofibras pueden facili ta r la conductancia del potencial de acción a través del músculo con la ayuda de invaginaciones del sarcolem a am pliam ente extendidas llam adas túbulos transversos, o túbulos-T (Figura 6.28). Cuando el sarcolem a depolariza, el potencial de acción se conti n ú a por los túbulos-T hacia el interior de la fibra m us cular. La im portancia relativa del sistem a de túbulos-T depende de la naturaleza del músculo y del trabajo que desarrolla. Muchos músculos no necesi tan contraerse rápidam ente. Por ejemplo, los m úscu los posturales, encontrados en el tronco del cuerpo de
F ig u ra 6 .28.
T ú b u lo s -T .
M uchos tip o s de m úsculos tienen túbulos-T, invaginaciones del sarcolema que penetran profundam ente en la m iofibra para acelerar la difusión del potencial de acción.
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vertebrados, se m antienen contraídos durante largo periodos sin relajarse ni fatigarse. Sin em bargo, el sistem a de túbulos-T es m uy extenso en los m ús culos de contracción rápida de los vertebrados. Los túbulos-T tam bién existen en el músculo cardiaco de los m am íferos y de algunas aves, aunque está generalm ente m enos d esarro llado que en el músculo esquelético de la m ism a especie.
El Ca2+ para la contracción proviene de reservas intracelulares o extracelulares
Ca2+ Ca2+ ATPase
Sarcolema
Fig u ra 6.29. T r a n s p o rta d o re s y c a n a le s im p lic a d o s en e l a c o p la m ie n to e x c ita c ió n -c o n tr a c c ió n .
El m o vim ien to de los iones durante un ciclo de contracción está m ediado por los
La regulación del tránsito del Ca2+ canales y bom bas iónicos en el sarcolem a y en el retículo sarcoplásm ico (RS). Los d u ran te la contracción im plica m u canales de Ca2+ en el sarcolema (receptores de d ih id ro p irid in a o DHPR) y en el RS chos tran sp o rtad o res y com partim en se abren y perm iten al Ca2+ flu ir hacia el citoplasm a. La bom ba de Ca2+ en el RS, conocida com o SERCA, así com o el sarcolema utilizan la energía del ATP para re tos celulares. En efecto, m uchos v e rtir el m o vim ien to de Ca2+ perm itid o por los canales. El intercam bia dor de Na+ y aspectos de las propiedades contrác Ca2+ (NaCaX) facilita el intercam bio reversible de Na+ y de Ca2+. M uchos de estos tiles del músculo pueden ser a través procesos de tran sporte están in flu id o s por el potencia de m em brana (Ai|i). La im a de cómo estas proteínas se sintetizan gen de esta fig u ra m uestra los acontecim ientos en las células m usculares cardia cas cuando DHPR y RyR están físicam ente separados. y se utilizan como m ediadoras en el tránsito de Ca2+. La m em b rana tiene colema puede m odificarse usando las vías de la canales de Ca2+ (DHPR), Ca2+ ATPasa, e intercam bia endocitosis y la exocitosis. Cuando los anim ales dores de N a+/C a2+ (NaCAX). El retículo endoplásm ico experim entan periodos prolongados de elevada acti del músculo, conocido como retícu lo sa r co p lá s vidad, las vías de señalización pueden inducir la sín m ico, o RS, tiene su propio canal de Ca2+ (RyR) y su tesis de m ás DHPR. La señalización intracelular propia Ca2+ ATPasa (SERCA). La localización de estos tam bién puede influir en cuánto tiem po se m antiene tran sp o rtad o res se resum e en la Figura 6.29. el canal abierto. El tiem po abierto de los DHPR La m ayoría de los m úsculos responden a la des depende sobre todo de la estructura del propio polarización del sarcolem a abriendo los canales de DHPR. Está com puesto de un a subunidad canal Ca2+ dependientes de voltaje. Como la concentración iónico (a l) y de las proteínas accesorias p y a2-S. de Ca2+ es m ucho m ayor fuera de la célula, se intro duce desde el espacio extracelular. Hay num erosos tipos de canales de Ca2+ en el sarcolem a del músculo estriado, pero los canales predom inantes son los canales de Ca2+ tipo L (Figura 6.30). Los estudios far macológicos h an m ostrado que un tipo de drogas lla m ado dihidropiridinas puede inhibir estos canales. En consecuencia, estos canales son conocidos como rece p to res dihidropiridínicos (DHPR) p ara distin guirlos de otros tipos de canales de Ca2+. La velocidad de m ovim iento del Ca2+ hacia el interior de la célula después de la despolarización depende de m uchos factores relacionados con la F ig u ra 6.30. C a n a l de C a 2+ tip o L d e l s a rc o le m a . estructura y la actividad de los DHPR. Como los can a Este canal, conocido com o receptor dih id ro p irid in a o DHPR, les individuales pueden resp o nder a diferentes volta es una proteína m ultim érica que se abre en respuesta al des jes, el grado de despolarización puede influir en el censo del voltaje. La unidad a1 com prende el canal iónico en núm ero de canales de Ca2+ abiertos. Como otras p ro sí m ism o. Otras subunidades ayudan a regular las propieda des de los canales. teín as de m em brana, el núm ero de canales en el sa r
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Existen m últiples isom orfos de cada u n a de estas subunidades, perm itiendo a los anim ales form ar canales de Ca2+ m usculares por diferentes caminos. Alterando la com posición de las subunidades se puede influir en las propiedades eléctricas, como la sensibilidad al voltaje y el tiem po de apertura, o alte r a r la sensibilidad del canal a las proteínas regulado ras y los ligandos. En algunas situaciones, el Ca2+ que en tra a través de los DHPR es suficiente p a ra inducir la contracción. Por ejemplo, el corazón de la m ayoría de los peces es capaz de introducir bastante Ca2+ a través de los DHPR p a ra iniciar la contracción. Sin em bargo, en la m ayoría de los m úsculos esqueléticos, el Ca2+ que en tra a través de los DHPR es muy poco y m uy lento p a ra conseguir el u m b ral de contracción. Como resultado, la m ayoría de los m úsculos estriados nece sitan m ás m edios efectivos p ara obtener m ás canti dad de Ca2+ y m ás rápidam ente.
La activación de los receptores de dihidropiridina (DHPR) induce la liberación de Ca2+desde el retículo sarcoplásmico (RS) La m ayoría de los m úsculos esqueléticos, así como el m úsculo cardiaco de m am íferos y aves, usan los canales de Ca2+ del sarcolem a p a ra señalizar la libe ración de g randes cantidades de Ca2+ del gran alm a cén intracelular en el RS. Los músculos cardiacos y esqueléticos acum ulan Ca2+ dentro de su RS, asegu rán d o se de que la célula m antiene niveles bajos de Ca2+ intracelular. En el m úsculo estriado, el SR fre cuentem ente tiene extensiones, llam adas cistern as term in a les (Figura 6.31), que increm entan la capa cidad p ara alm acen ar Ca2+ y localizarlo en regiones específicas dentro de la célula muscular. Como las cisternas term inales aseg u ran u n a ráp id a liberación de Ca2+, están m uy d esarrolladas en los m úsculos de contracción ráp id a. Los m úsculos son capaces de acum ular concentraciones muy altas de Ca2+ dentro del RS. M ientras sólo u n a pequeña cantidad de Ca2+ está libre en solución, la m ayor p arte está unida a la ca lsecu estrin a , otro m iem bro de la am plia familia de proteínas de unión al Ca2+ que incluye la TnC. D urante la excitación, el RS libera sus alm acenes de Ca2+ a través de canales de Ca2+, llam ados con fre cuencia rece p to res rian od in a (o RyR) ya que pue den u n ir la droga rianodina, un alcaloide vegetal. Una vez que los RyR son activados, el Ca2+ libre escapa del RS y fluye hacia el citoplasm a. La pérdida de Ca2+ libre favorece la liberación del Ca2+ unido a la calsecuestrina.
Túbulos-T
Retículo sarcoplásmico
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Cisterna terminal
Sarcolema
(a) Miofibra esquelética
Túbulos-T
Retículo sarcoplásmico
Cisterna terminal
Sarcolema
(b) Cardiomiocito Fig u ra 6 .31.
C is te rn a s t e r m in a le s .
M uchos m úsculos estriados poseen extensiones del retículo sarcoplásm ico (RS) cerca de la región de los túbulos-T. En los m am íferos, las cisternas term in ales son m uy extensas en los m úsculos de contracción rápida (a) y m enos desarrolladas en el m úsculo cardiaco (b).
Los rasgos generales de este m ecanism o se aplica de form a sim ilar a la m ayoría de los músculos que dependen del Ca2+ del RS p a ra d isp a rar la con tracción. La activación de los DHPR sarcodérm icos induce la liberación del Ca2+ a través de los RyR. Esta relación se increm enta po r la reorganización física de los diferentes canales de Ca2+. Dentro del sarcolem a, los DHPR están agrupados en las regiones directam ente adyacentes a la cisterna term inal. Sin em bargo, lo que distingue a los diferentes tipos m us culares es la form a en que la activación de los DHPR está acoplada a la activación de los RyR. El m úsculo cardiaco utiliza un proceso llam ado lib eración de Ca2 inducida por Ca2+ p ara relacio n a r la activación de DHPR y de RyR. Una vez que los DHPR están abiertos, el Ca2+ extraceluiar p en etra en la célula. Como los DHPR están localizados cerca de las cisternas term inales, la [Ca2+] local puede incre m entarse en el pequeño espacio entre el sarcolem a y la cisterna term inal (Figura 6.32). El aum ento local de la [Ca2+] dispara la ap ertu ra de los RyR del mús-
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
©
La depolarización de la membrana plasmática (sarcolema) abre los DHPR, permitiendo al Ca2+ entrar en la célula.
( 2) Elevadas [Ca2+] disparan la apertura de los RyR, permitiendo al Ca2+ escapar del RS. La elevada [Ca2+] citoplasmática dispara la actividad ATPasa actina-miosina
( 3) Después de la repolariT zación, las bombas de iones devuelven al Ca2+ a su posición de reposo, fuera de la célula y en el RS.
con Ca2+ libre, la depolarización y la activación de los DHPR no induce una contracción. El m úsculoesquelético difiere del cardiaco la cantidad de DHPR activo que está acoplado a RyR activo (Figura 6.33). Como en el músculo cardiaco, la despolarización del sa r colema abre los DHPR y perm ite al Ca2+ p en etrar en la célula desde el espacio extracelular. Sin em bargo, en el m úsculo esquelético hay cam bios dependientes de voltaje en la estruc tu ra de los DHPR que disparan la ap ertu ra de los RyR. Estos dos can a les interactúan físicam ente uno con otro p a ra acoplar la depolarización del sarcolem a con la liberación del Ca2+ del RS. En este caso, la activa ción de los RyR no está influida por la acum ulación local de [Ca2+]. Tras la activación de los DHPR, los RyR se abren incluso si no hay iones Ca2+ que m ovilizar a través de los DHPR. Este patrón de acoplam iento exci tación-contracción se denom ina li b eración de Ca2+ inducida por d esp olarización .
La relajación sigue a la eliminación de Ca2+del citoplasma
Hasta este m om ento, hem os descrito los m ecanism os que conducen a la depolarización y el increm ento de Ca2+ subsiguiente que induce la con tracción. Este movim iento de iones a través de la m em brana puede ser invertido p ara perm itir que tenga lugar la relajación. Como hem os m encionado previam ente, la d u ra Fig u ra 6 .32. L ib e ra c ió n de C a2+ in d u c id a por C a2+. ción del potencial de acción d eter En reposo, el alto potencial de m em brana (Ai|>) m antiene cerrados los canales de Ca2+ del sarcolema cardiaco (DHPR) y los niveles de Ca2+ in tracelular son bajos. m ina lo rápido que un músculo puede Las gráficas de la izquierda m uestran los patrones del potencial de acción (línea relajarse. Una vez que la m em brana m orada) y la contracción (línea azul), com o se presenta en la Figura 6.26. prepolariza, los músculos pueden com enzar a restablecer los gradientes culo cardiaco, y el Ca2+ alm acenado en el RS se libera de Ca2+. En el músculo esquelético de vertebrados, la al citoplasm a del músculo. Los investigadores han relajación requiere un conjunto de transportadores dem ostrado la liberación de Ca2+ inducida po r Ca2+ que bom bean Ca2+ fuera de la célula, retrocediendo m anipulando la com posición del fluido extracelular. hacia el sarcolem a, o al interior del RS. Tanto el sa r Si el m úsculo cardiaco está em bebido en un medio colema como el RS poseen ATPasas de Ca2+ activas
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Ca2+ llam ado in tercam b iad or de Na/Ca o Na/CaX. D urante la excita ción, este intercam bio reversible p e r m ite al Ca2+ extraceluiar e n trar en la célula intercam biando con N a+ in tra celular. Sin em bargo, es m ás im por tante durante la relajación, cuando el flujo de salida del Ca2+ se acopla al flujo de en trad a del N a+. Como en otros procesos de transporte dirigi dos por Na+, al final el m úsculo u sa la ATPasa de N a+/K + p a ra restablecer el » > » > ■....« < « J— Miofibrillas gradiente de N a+. El papel específico de cada tra n s p ortador de Ca2+ depende de la vía Q ) Excitación. La depolarización de la que el Ca2+ use p ara inducir la con membrana plasmática tracción. Aquellos m úsculos que abre los DHPR. Mientras el Ca2+ entra en la célula, dependen fundam entalm ente de la el cambio en la estructura salida de Ca2+ del sarcolem a, como de los DHPR es el que en el corazón de los vertebrados infe dispara la apertura de los RyR. riores, u san el Na/CaX y la ATPasa de Ca2+ sarcolém ica p a ra bom bear el Ca2+ fuera de la célula. Sin em bargo, los m úsculos que aum entan el Ca2+ ( 2) Liberación de calcio. La apertura de los RyR citoplasm ático usando los acúm ulos permite al Ca2+ escapar intracelulares, como es el caso de la del RS. El aumento de la [Ca2+] dispara la ATPsas m ayoría de los m úsculos estriados de actina-miosina. m am íferos, u san la ATPasa de Ca2+ del retículo sarcoplásm ico (endoplásmico), o SERCA, p ara resecu estrar el Ca2+ en el RS. A dem ás de las proteínas im plica das en el tran sp o rte de Ca2+ a través ( 3) Relajación. Después de la repolarización, las de m em brana, en m uchos músculos bombas de iones la relajación tam bién libera un comienzan a devolver el tam pón de Ca2+ citosólico, llam ado Ca2+ a sus localizaciones de reposo, fuera de la parvalbúm ina. Uniendo el Ca2+ cito célula o en el RS. plasm ático, la parvalbúm ina acelera la relajación muscular. No nos so r prende que la parvalbúm ina se encuentre en los músculos que se contraen y se relajan muy rá p id a Fig u ra 6.33. L ib e ra c ió n de Ca2+ in d u c id a por d e p o la r iz a c ió n . m ente. Su papel en la relajación ha En reposo, el alto potencial de m em brana (Ai|>) m antiene cerrados los canales de sido dem ostrado usando ratones Ca2+ del sarcolema esquelético (DHPR). Las gráficas de la izquierda reflejan los pa trones de acción del potencial de acción y contracción, com o se presenta en la Fi transgénicos. Se trata a un grupo de gura 6.26. Nótese que en el m úsculoesquelético los DHPR y los RyR interaccionan ratones con ingeniería genética p ara físicam ente, situación diferente a la que sucedía en el m úsculo cardiaco, m ostrado evitar la expresión de la parvalbú en la Figura 6.32. m ina; los m úsculos de estos m utantes sin parvalbúm ina se relajan mucho m ás lentam ente que el rató n no modificado. Los que bom bean el Ca2+ fuera de la célula usando la investigadores tam bién h an modificado genética energía de la hidrólisis de ATP. El sarcolem a posee m ente ratones transgénicos que expresan la parvaltam bién u n tran sp o rtad o r que intercam bia N a+ y
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búm ina en m úsculos que norm alm ente carecen de ella. Estos rato n es tienen m úsculos que se relajan m ás deprisa que los de los ratones no modificados. En la naturaleza, los niveles de parvalbúm ina son diferentes entre los diversos tipos m usculares y las distintas especies. Los m úsculos rápidos poseen nive les m uy altos de parvalbúm ina p ara acoplar las altas frecuencias de contracción. En los músculos blancos de peces se encuentran altos niveles de parvalbúm ina. Los peces usan los músculos blancos p ara a rra n car rápidam ente huyendo de un peligro o a ta cando u n a presa, estrategias que requieren velocida des de contracción m uscular muy rápidas. Aunque m uchos vertebrados poseen algo de parvalbúm ina en sus m úsculos esqueléticos, los hum anos no parecen expresar parvalbúm ina. Las razones genéticas de esta pérdida de parvalbúm ina, y las consecuencias fisiológicas, son aún desconocidas.
Diversidad muscular en vertebrados e invertebrados H asta el m om ento, g ran p arte de la exposición de este capítulo se h a referido al m úsculo estriado de vertebrados, describiendo las características genera les de los m úsculos cardiaco y esquelético (Tabla 6.5). Aunque esto ilustra los procesos que regulan la con tracción en este im portante tipo muscular, no refleja el alcance de la diversidad entre los tipos de m úscu los. En esta sección tratarem o s el origen de la v aria ción en el diseño m uscular. Prim ero, considerarem os cómo se o rquestan los cam bios individuales en las fibras del m úsculo estriado cam biando elem entos de la contracción y del acoplam iento excitación-contrac
Tabla 6 .5 .
ción. Después, com entarem os algunos de los diferen tes tipos de músculos vistos en anim ales. En con junto, esta sección nos m ostrará cómo adqm eren los anim ales su diversidad en la estructura y función muscular.
Los diferentes tipos de fibras musculares son consecuencia de la combinación específica de proteínas Los músculos llevan a cabo m uchas funciones dife rentes en anim ales. Esta flexibilidad surge de la capacidad de form ar diferentes tipos de músculos, así como la capacidad de rem odelar las propiedades m usculares como se necesite. G ran p arte de la diver sidad en la estructura m uscular y en las propiedades contráctiles com ienza con la em briogénesis. A p artir del exam en de la regulación de la contracción sabe m os, que los elem entos individuales del acopla m iento excitación-contracción existen en m uchos isom orfos, incluidos canales iónicos, bom bas, proteí n as de unión a Ca2+, y m aquinaria contráctil. En principio, estos genes pueden expresarse en inconta bles com binaciones dando m úsculos con m ultitud de fenotipos contráctiles. Actualm ente, m uchos anim a les sólo pueden conform ar unos pocos tipos de m ús culos. La diversidad en los tipos de músculos requiere tanto variación genética como capacidad p ara expresar genes individuales en com binaciones específicas. Los controles genéticos que determ inan la expre sión de isom orfos se utilizan p a ra form ar músculos con diferentes propiedades contráctiles, llam ados tipos de fib ra s m usculares. Algunos m úsculos estria dos de vertebrados están especializados p a ra u n a
C o m p a ra c ió n de los m ú s cu lo s e s tria d o s c a rd ia c o y e s q u e lé tic o de v e rte b ra d o s .
Cardiaco
Esquelético
Morfología celular
Células sencillas (cardiomiocitos) de entre 10 y 20 pm de diámetro y 100 jim de longitud.
Múltiples células fusionadas en una larga miofibra que tiene entre 10 y 100 pm de diámetro y entre 1 y 100 m m de longitud.
Excitación
Miogénico e involuntario.
Neurogénico y norm alm ente voluntario.
Potencial de acción
Repolarización lenta, con largo periodo refractario.
Repolarización larga, con corto periodo refractario.
Acoplamiento excitación-contracción
Liberación de Ca2+inducida p or Ca2+.
Liberación de Ca2+ inducida por depolarización.
Retículo sarcoplásmico
Cisternas term inales bien desarrolladas en aves y mamíferos. Pobre desarrollo del RS en vertebrados inferiores.
La cantidad de cisternas term inales depende del tipo de fibra.
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actividad de arra n q u e (corta duración y m ucha intensidad), m ien tras que otros son apropiados p a ra u n a actividad d u rad era (larga duración, baja intensi dad). Se h a n usado diferentes térm inos descriptivos p a ra distinguir entre estos tipos de fibras. Pueden lla m arse m úsculos blancos y m úsculos rojos (basados en el contenido de mioglobina), de contracción ráp id a o de contracción lenta (basados en la veloci dad de contracción), glicolíticos u oxidativos (según la especialización m etabólica) o de tipo II y tipo I (basados en los isom orfos de las cadenas pesadas de la miosina). Considerem os qué es necesario p a ra producir un m úsculo especializado que se utiliza p a ra contraccio nes de b aja frecuencia. Lo contraem os lentam ente pero puede continuar largos periodos de tiem po con ciclos de contracción-relajación. Las células m uscu lares lentas expresan tipos específicos de proteínas: isom orfos “lentos” de proteínas de los filamentos gruesos (miosina, cadenas ligeras de la miosina), de los filam entos finos (troponina, tropom iosina) y m aq u in aria tran sp o rtad o ra de iones. Las células m usculares lentas pueden tam bién regular la canti d ad de proteínas im plicadas en el acoplam iento exci tación-contracción, como la parvalbúm ina, los canales iónicos y las bom bas iónicas. La especializa ción de los tipos de fibras tam bién dem anda niveles adecuados de p roteínas m etabólicas. Las fibras m etabólicas lentas producen niveles m uy altos de m ioglobina y de enzim as m itocondriales p a ra asegu r a r que las dem an d as de ATP pueden ser cubiertas p o r la fosforilación oxidativa. A dem ás, las células de los m úsculos lentos pueden integrarse en un com plejo, el m úsculo multicelular. Las neuronas m otoras apropiadas hacen conexión con las placas m otoras finales. Los vasos sanguíneos crecen a través del tejido p a ra aseg u rar u n aporte sanguíneo adecuado. La m aquinaria contráctil es un com ponente im por tan te del fenotipo m uscular, pero, como podem os ver, p a ra construir u n m úsculo funcional son necesarios m uchos otros procesos celulares, tanto en las propias células m usculares como en las células que los rodean.
Alteraciones individuales de las fibras en respuesta a los cambios en las condiciones fisiológicas Las p ropiedades contráctiles del m úsculo pueden alterarse en resp u esta a las cam biantes condiciones fisiológicas. La prim era rem odelación tiene lugar en los prim eros estadios de desarrollo, donde el músculo
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esquelético em brionario posee isomorfos m usculares lentos de m uchas proteínas. En el desarrollo fetal, las proteínas m usculares ráp id as van gradualm ente reem plazando los isom orfos de m úsculo lento en algunos m úsculos. Los m úsculos adultos pueden tam bién rem odelarse en respuesta los cam bios en los niveles de actividad y tem p eratu ra am bientales. Por ejemplo, el ejercicio m antenido puede producir cam bios profundos tanto en el m úsculo cardiaco como en el m úsculo esquelético. M ecanism os de control tanto horm onales como no horm onales controlan la rem odelación del m ú s culo. Las h orm onas tiroideas son conocidas hace m ucho tiem po por influir en los p atro n es de expre sión de los isom orfos. Las h orm onas tiroideas ejer cen sus efectos en la expresión de genes usando una proteína receptora nuclear específica. El receptor de la h orm ona tiroidea se une a u n a región prom otora que posee un elem ento sensible a la horm ona tiro i dea, o TRE. Una vez unido a la horm ona, el receptor activado recluta a otras proteínas p a ra form ar un complejo m ultiproteico que puede au m en tar o dis m inuir la velocidad de transcripción. La actuación de las horm onas tiroideas tiene efectos recíprocos en la expresión de los genes de m iosina en los miocitos cardiacos; reprim e la expresión del gen II de la p-m iosina, m ientras induce el gen II de la a-m iosina. Si los niveles m edios de las h orm onas tiroideas se m antienen altos d urante varias sem anas, la m aqui n a ria contráctil va gradualm ente rem odelándose con a-m iosina sustituyendo a p-m iosina. Como indi cam os previam ente, el dím ero aa-m io sin a exhibe la velocidad de ATPasa de actina-m iosina m ás rápida. Las horm onas tiroideas regulan gran p arte de los genes im plicados en la síntesis m uscular, así como m uchos otros genes en otros tejidos. Usando una horm ona endocrina circulante sim ilar a las horm o n as tiroideas en resp u esta a los cam bios fisiológicos, los anim ales son capaces de coordinar la rem odela ción de m uchos tejidos y funciones fisiológicas. En contraste con el control endocrino, m uchos aspectos de la rem odelación del m úsculo ocurren en re s p uesta a señales locales inducidas por el propio m úsculo (Figura 6.34). Los m ecanorreceptores en las células m usculares pueden d etectar cam bios fisiológicos en la form a m uscular y d isp a rar cam bios en las vías de señalización. Cuando u n a célula m u s cular es estirada, sintetiza proteínas reguladoras que influyen en la rem odelación del m úsculo. Una de estas proteínas es la proteína fa c to r de crecimiento 11 sim ilar a la insulina, que se sintetiza y después se secreta al espacio extracelular. El IGFII se une a
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
Receptor de factor de creci miento
^
El estiramiento de una célula cambia la forma del citoesqueleto, estimulando un mecanorreceptor unido a la membrana, el cual activa la proteína quinasa.
Mecanorreceptor ( 2 ) Las proteínas diana citoplasmáticas, incluyendo los factores de transcripción, son fosforiladas. Esto aumenta la veloci dad de expresión de los genes que co difican proteína reguladoras, como IGF-n.
Citoesqueleto
Kinase
Vesícula-
Quinasa, ( 3 ) Después de ser exportado desde el núcleo, el mRNA de una proteína es trasladado al RE rugoso, y empaquetado en vesículas de transporte.
Aparato _ de Golgi
RE rugoso
Factor de transcripción
Las vesículas se fusionan con la mem' 4 ' brana plasmática, causando la exocitosis I de IGF-n. __________________
Proteína muscular
Fig u ra 6.34.
Una vez que IGF-II se une a sus receptores, activa otras proteínas quinasas.____________________
Proteína reguladora Núcleo
La fosforilación de otros factores de transcripción permite un cambio en la expresión de los genes de proteínas musculares específicas.____________
C o n tro l de la e x p re s ió n de g e n e s por re c e p to r e s de e s tira m ie n to .
Algunas células m usculares perciben el grado de estiram iento y responden por una cascada iniciada por el receptor de estira m iento y culm inada en los cam bios en la expresión de los genes musculares.
receptores en la m em b ran a p lasm ática del m úsculo disp aran d o u n a señ al que altera la expresión de genes que codifican p ro teín as m usculares. Este tipo de estim ulación autocrina, en com binación con las vías endocrinas, perm ite al m úsculo ser rem odelado en resp u esta a los cam bios fisiológicos.
Los músculos de los invertebrados se contraen en respuesta a un gradiente excitatorio de potenciales postsinápticos El músculo estriado de vertebrados que hem os tr a tado h asta este punto se contrae en su totalidad cuando el potencial del sarcolem a de la m em brana se despolariza ligeram ente. En el caso de un músculo esquelético neurogénico, la activación de las n eu ro n as m otoras asegura que las m iofibras induzcan la despolarización de to d a la célula y la consecuente contracción. La contracción de cada fibra es de tipo “todo o n a d a ” en resp u esta a la señal neuronal; un estím ulo que su p era el um bral dispara la despolari zación m asiva y la contracción. Los m úsculos con tráctiles de vertebrados, que están com puestos de m últiples miofibrillas, pueden producir contraccio
nes graduadas por la incorporación de un núm ero diferente de neuronas m otoras. Las contracciones fuertes tienen lugar cuando m uchas neuronas m oto ras son estim uladas p a ra activar m uchas m iofibras dentro del músculo. Algunos m úsculos de invertebrados siguen un cam ino diferente p a ra traslad ar la inform ación exci tato ria desde el sistem a nervioso a un a contracción m uscular graduada. A diferencia del m úsculo con tráctil de los vertebrados, las m iofibras invertebra das no contraen de la form a “todo o n a d a ”. En los sistem as sencillos, u n a única fibra es inervada por un a única neurona m otora que controla la m iofibra a través de m últiples placas term inales, muy parecido al músculo tónico de vertebrados. Cuando las neuro n as lanzan un único im pulso, el m úsculo experi m enta un a despolarización menor. El músculo responde con pequeños aum entos de Ca2+ y una onda de contracción. Como esta despolarización induce un a excitación del m úsculo, se la llam a p oten cial excitatorio postsin áp tico, o EPSP (Fi g ura 6.35). Este sistem a es capaz de conseguir una contracción gradual ya que los EPSP son sum atorios. Cuando el nervio m an d a dos im pulsos rápidos, el
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neurotransm isor afecta a u n a zona am plia del sarcolem a e induce u n a gran depolarización, la cual a su vez produce u n a gran liberación de Ca2+. Las fuertes contracciones resultan cuando m últiples im pulsos d isparan un a despolarización m uy grande y maximizan la liberación de Ca2+. En m uchos casos, estos músculos están inervados p o r neuronas múltiples, cada un a con diferentes efec tos en el potencial de m em brana del músculo. Una neurona excitatoria puede producir una fuerte despo larización con un único impulso, actuando en varias vías como u n a neurona m otora en u n a fibra contrác til. Otras neuronas excitatorias pueden inervar la m ism a célula m uscular pero ejercen pequeños efectos en el potencial de m em brana, actuando principal m ente a través de la sum a de los EPSP. El músculo tam bién puede ser inervado po r neuronas inhibito rias. Cuando estas neuronas se activan, la hiperpola rización de la m em brana hace m ás difícil inducir la contracción. En general, los invertebrados usan in er vaciones complejas p ara controlar músculos senci llos, m ientras que los vertebrados u san una m ultiplicidad de fibras con inervaciones m ás directas.
Los músculos asincrónicos del vuelo de insectos no usan tránsitos tie Ca2+
Tiempo Fig u ra 6.35.
P o te n c ia le s p o s ts in á p tic o s e x c ita to r io s
g ra d u a d o s en m ú s c u lo s de in v e rte b ra d o s .
Los m úsculos de invertebrados reciben im pulsos de neuro nas m otoras. El grado de despolarización depende del núm e ro de estím ulos desde las neuronas. Un único estím ulo causa una pequeña despolarización, o potencial postsináptico excita to rio (EPSP), el cual es capaz de disparar una pequeña con tracción. M últiples estím ulos disparan una m ayor depolarización y contracción.
Como hem os visto, m uchos m úsculos dependen del tránsito de Ca2+ p ara d isp arar los ciclos de contrac ción y relajación. En los m úsculos esqueléticos m ás rápidos de los vertebrados, el músculo sónico del pez sapo, el tránsito del Ca2+ ocurre tan rápido como una centésim a de segundo (100 Hz). Sin em bargo, los m úsculos vertebrados no pueden ser inducidos a contraerse m ás rápido que esto debido al límite de la m aquinaria de acoplam iento excitación-contracción de los vertebrados. El m úsculo sónico de la cigarra es inusual en que su form a de acoplam iento excitacióncontracción es fundam entalm ente sim ilar a la del músculo esquelético de los vertebrados; po r ello es capaz de contraerse y relajarse con m ucha rapidez. Los m úsculos de vuelo de m uchos insectos son incluso m ás rápidos. El zum bido de alta frecuencia de los insectos voladores se produce cuando las alas se b aten a u n a velocidad de 250 a 1.000 Hz. Son capaces de contraer a esta increíble frecuencia usando u n a form a diferente acoplam iento excita ción-contracción. Recordem os que los m úsculos de los vertebrados se contraen en resp u esta a pequeños picos de Ca2+ a p a rtir de un único potencial de acción. P ara relajar, estos m úsculos p ueden reducir el Ca2+ a bajos nive-
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
les inactivando la ATPasa actina-m iosina. Los m ús culos de vuelo de los insectos difieren de este m odelo en la unión en tre la estim ulación neuronal y la con tracción (Figura 6.36). Como con otros músculos neurogénicos, el insecto activa prim ero el m úsculo de vuelo con u n único estím ulo neuronal. Sin em bargo, a diferencia de otros m úsculos, un único potencial de acción es seguido por u n a serie de ciclos
de contracción-relajación. D urante el vuelo, tienen lugar m últiples potenciales de acción pero la fre cuencia es m ucho m enor que la frecuencia del b atir de las alas. Este tipo de m úsculo se denom ina m ú s culo de vu elo asin crón ico ya que la estim ulación nerviosa no está sincronizada con la contracción. Muchos insectos voladores u sa n m úsculos de vuelo asincrónicos p a ra volar, aunque algunos tam bién incorporan m úsculos del vuelo sincrónicos, especial m ente p a ra controlar el m ovim iento fino necesario p a ra la navegación. El m úsculo de vuelo asincrónico es capaz de con traerse y relajarse a alta frecuencia ya que el tránsito entre la contracción y la relajación no requiere un tránsito de Ca2+. Aunque esto no ha sido medido, parece que los niveles de Ca2+ se m antienen p ro b a blem ente altos en los músculos asincrónicos durante todo el ciclo de la contracción-relajación y durante la duración del vuelo. Una vez que el m úsculo se con trae, se hace insensible al Ca2+, el cual es entonces liberado de TnC, perm itiendo al m úsculo relajarse. Una vez relajado, el m úsculo es estirado po r elem en tos elásticos del aparato volador. Una vez estirado, la miofibrilla recupera su afinidad por el Ca2+. Aunque el fenóm eno de contracción inactivación-estira m iento activación se conoce hace décadas, las bases m oleculares siguen siendo algo oscuras. Estudios recientes sugieren que el estiram iento activación está relacionado con variaciones estructurales peculiares en las proteínas reguladoras del filamento fino. Los insectos con m úsculos de vuelo asincrónicos expre san un tipo de TnC con sólo un sitio de unión al Ca2+. El m úsculo de vuelo en estos insectos posee miofibrillas con com binaciones tanto del TnC norm al con dos sitios de unión, como del TnC inusual con sólo un sitio de unión. El TnC con dos sitios de unión puede ser responsable de la iniciación a la contracción en respuesta a la liberación de Ca2+ inducida por el potencial de acción. La segunda form a del TnC puede ser responsable del p atrón de activación por estira m iento.
Los órganos de calory los órganos eléctricos son modificaciones musculares F ig u ra 6.36.
M ú s c u lo s a s in c r ó n ic o s
a c tiv a c ió n -e s tir a m ie n to .
Los m úsculos asincrónicos generan m últiples ciclos de con tracción y relajación en respuesta a una estim ulación neuronal única. Durante el periodo siguiente a la excitación, los niveles de Ca2+ parecen m antenerse altos. La relajación tiene lugar en respuesta a la Inacción que sigue a la contracción. La contrac ción es una respuesta a la activación por estiram iento.
La diversidad genética en las proteínas contráctiles proporciona a los anim ales la oportunidad de p rodu cir m úsculos con propiedades contráctiles únicas. E stas capacidades surgen a través de cam bios relati vam ente m oderados en el perfil de organización de las proteínas m usculares. Aunque los diferentes tipos de fibras m usculares pueden ten er diferencias en las
C A P ÍTU LO 6
propiedades contráctiles, cada m úsculo se m antiene reorganizado como un m úsculo (véase la Caja 6.4). En algunos casos, un m úsculo puede sufrir una transdiferenciación, en la cual es desviado del pro gram a de desarrollo norm al p ara crear un tejido dotado de propiedades nuevas. Exam inem os dos situaciones que ocurren en peces, cuando el músculo em briónico sufre u n a transdiferenciación y genera u n tejido con u n a función no contráctil. El p rim er ejemplo de u n a transdiferenciación m uscular lo encontram os en los peces picudos, un grupo que incluye los m arlines y los peces espada. Estos peces poseen u n m úsculo ocular transdiferenciado que funciona como u n órgano calorífico. Calen tando el sistem a sensorial óptico, los peces picudos tienen la posibilidad de m an ten er la función visual incluso cuando persiguen presas en el agua profunda y fría. Conozcamos m ás acerca del m ecanism o de generación de calor exam inando cómo sus estructu ras celulares difieren de los m úsculos convenciona les. Los órganos caloríficos tienen pocas miofibrillas, pero abun d an te RS y m itocondrias. P ara com prender cómo fim cionan los órganos de calor, considerem os cómo producen norm alm ente calor los músculos. Todos los m úsculos producen algo de calor como un subproducto del m etabolism o, y todos los tejidos pro ducen calor en la reacción que sintetiza ATP, así como en la reacción de hidrólisis de ATP. Como en la m ayoría de los tejidos, se produce considerable calor p o r la m itocondria d u ran te la fosforilación oxidativa. En los m úsculos, el ATP es hidrolizado por la ATPasa en las miofibrillas durante el ciclo de puentes cruza dos y por las bom bas de iones ATPasas necesarias en el acoplam iento excitación-contracción. Los órganos de calor son capaces de g en erar calor po r ciclos de en trad a y salida del Ca2+ del RS (Figura 6.37). La activación perm ite al Ca2+ escapar del RS a través de los RyR al citoplasm a. El Ca2+ es bom beado de nuevo al RS usando una ATPasa de Ca2+, aprovisionada por el ATP m itocondrial. El proceso completo del ciclo del Ca2+ y del m etabolism o energético m itocondrial genera suficiente calor p a ra calentar el ojo y los n e r vios ópticos. Un segundo tipo de m úsculos transdiferenciados son los órg a n o s eléctricos, un tejido con células m odificadas llam adas electrocitos. Estas células producen una descarga eléctrica en respuesta a un estím ulo neuronal. Peces grandes parecidos a la anguila eléctrica pueden producir suficiente energía p ara bloquear a u n p red ador o aturdir a su presa. Especies pequeñas que viven en la oscuridad o en aguas tu rb ias pueden u sar débiles señales eléctricas
M o vim ien to celular y músculos 251
(c) Ciclo del Ca2+ F ig u ra 6.37.
Ó rg an o de c a lo r de los p e c e s p ic u d o s .
Los peces picudos, com o los m arlines y los peces espada ía), poseen órganos de calor. Tiene m úsculos m odificados situa dos cerca de los ojos (b}, cuyo aporte de calor mantiene la funció n óptica en aguas frías, (c) El c alor se genera por ciclos in útiles de entrada y salida del Ca2+desde el RS, con la ener gía aportada por la fosforilación oxidativa m itocondrial.
p a ra com unicarse. Los órganos eléctricos tiene un origen polifilético, lo que significa que h a n surgido independientem ente en grupos de peces distantes. Los investigadores h an sido capaces de seguir el pro ceso de desarrollo que origina la producción de órga nos eléctricos. Las células p recursoras llam adas m iob lastos se agrupan juntas form ando un b la s tem a. Esta bola de células com ienza a diferenciarse
252 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
C a ja 6 . 4 Genética y genómica Desarrollo y diferenciación m uscular
Es difícil abordar el origen de la diversidad
m iento de la diferenciación y desarrollo m uscular se ha
m uscular sin considerar tam bién cóm o se
visto beneficiado por la investigación en m odelos anima
form an los m úsculos. La síntesis m uscular es en realidad
les, incluidos
dos procesos relacionados: la diferenciación muscular, o
cebra y el ratón, así com o del cultivo de m ioblastos. Cada
Drosophila, C. elegans, Xenopus, el pez
m iogénesis, y el desarrollo del m úsculo. N uestro conoci-
tip o de m úsculo sigue su propia vía hacia un feno tip o final. El control de la form ación del m úsculo esta más estudiado en el m úsculoesquelético. Una razón por la que conocem os tan bien la diferencia ción m uscular es que m uchos de los procesos pueden ser estudiados en cultivos celulares. Los m ioblastos de pollo y
Células satélite (mioblastos)
Factores de crecimiento fetal
Recogida y purificación
de roedores son m uy utilizados ya que pueden crecer durante cientos y m iles de "gen era cione s" sin s ufrir dete rioro de sus propiedades. El m úsculo de neonatos, y en m enor medida el de adultos, tiene una población de células precursoras llamadas células satélite. Es posible recoger
Crecimiento , en cultivo
estas células y hacerlas crecer en cultivo. Proliferan rápida m ente pero no se diferencian cuando crecen bajo ciertas condiciones. Lo más com ún es un m edio nutritivo rico en
& 'P $ l
factores de crecim ien to fetal, com o el TGF-p (factor de cre cim iento fetal beta) y el bFGF (factor de crecim iento básico de fibroblastos). Si se les priva de los factores de creci m iento, las células com ienzan a expresar sus propios facto res de señalización, com o el IGF-II. Estas horm onas inducen al m ioblasto a entrar en el programa m iogénico. D entro del prim er día, el m ioblasto com ienza a expresar un conjunto de proteínas que actúan com o activadores transcripcionales. Estos factores de transcripción, incluidas las proteínas de las fam ilias m yoD y MEF, inducen a su vez la expresión de genes que codifican proteínas específicas, com o miosina II, a-actina y troponinas. Sim ultáneam ente, la vía de inducción horm onal dispara m ioblastos individua
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les que se ponen en fila en paralelo y se fusionan hasta for m ar un m iotubo m ultinucleado. El m iotubo tiene muchas de las propiedades funcionales y estructurales de las m iofi bras, incluida la capacidad de contracción. M ientras que los
en u n músculo, expresando proteínas m usculares específicas y organizando sarcolem as. Cuando las células de la periferia del blastem a continúan dife renciándose hacia u n m úsculo m aduro, las células centrales crecen de tam año y pierden su sarcolem a. Esta probable transición ocurre cuando el músculo com ienza a ser inervado por neuronas electrom oto ra s especializadas. E stas células se convierten final m ente en electrocitos. Volveremos sobre los órganos eléctricos en el Capítulo 7, cuando analicem os su papel en las vías sensoriales.
El músculo liso no tiene organización sarcomérica Los m úsculos lisos contribuyen a m uchos sistem as fisiológicos, y sus papeles se rán tratados en detalle en capítulos posteriores. M uchos tejidos u san capas de m úsculo liso p a ra inducir u n a contracción lenta y regular, o m an ten er el grado de contracción durante largos periodos. Por ejemplo, el m úsculo liso de las p aredes de los vasos sanguíneos controla el flujo de sangre regulando el diám etro de los vasos sanguí-
C A P ÍTU LO 6
M o vim ien to celular y músculos 253
m odelos m iogénicos in vitro son útiles para m uchos propó
Cuando un m úsculo sufre algún daño, las células saté
sitos, el proceso de m iogénesis es m ucho más com plicado
lite perciben las señales quím icas liberadas por el m úsculo
en los animales reales.
dañado, m igran hacia la lesión y entran en m iogénesis.
Durante un corto periodo después de la fecundación,
Durante horas, activan los factores de transcripción m iogé
cada célula dentro del em brión tiene el potencial de ser cual
nicos, disparando la expresión de genes m usculares espe
quier tipo de célula. Un subgrupo de estas células em brio
cíficos. El m ioblasto diferenciado puede fusionarse con
narias da los prim eros pasos para la form ación del m úsculo
otros m ioblastos para form ar nuevas m iofibras, o com enzar
y se transform a en m ioblasto, el cual prolifera aunque toda
a incorporarse al m úsculo adulto. Los m úsculos pueden
vía no expresa los genes necesarios para hacer de él un
activar m ioblastos para rem odelar los m úsculos. Los m ús
músculo. Durante este estado de em briogénesis, los mio-
culos pueden crecer bien induciendo a cada célula m uscu
blastos usan lamelopodios para reptar hacia otras células,
lar a creer más (hipertrofia) o bien incorporando
siguiendo rastros horm onales través del em brión. En su
m ioblastos en el m úsculo m aduro (h ip e rp la s ia ). La im por
destino final, la com unidad de células produce un núm ero
tancia relativa de cada uno de estos dos m ecanism os de
de factores de regulación. Los factores de regulación indu
crecim iento del m úsculo depende de la situación. El m ús
cen la migración de los m ioblastos hasta parar y pasar a la
culo cardiaco crece bajo ciertas condiciones, cuando los
más
m iogénesis. (Las m ism as proteínas reguladoras coordinan
estím ulos cardiacos aum entan durante un largo periodo de
la diferenciación y el desarrollo de otros tipos de células).
tiem po. Por ejem plo, la masa cardiaca puede crecer hasta
Com o ocurre en los m odelos de cultivo, los m ioblastos ini
un 30% en respuesta al ejercicio o a la hipertensión. En
cian las m ism as cascadas de activación de factores de
m uchas situaciones, la masa cardiaca se increm enta por
transcripción y la expresión de los genes musculares. Una
hipertrofia, con cardiom iocitos de gran tam año. Gran parte
vez que las células se com prom eten en la m iogénesis, con
del crecim ien to tem prano en peces es hiperplásico, con
tinúan sintiendo las hormonas y los neurotransm isores de
fibras m usculares adicionales en el tronco.
su entorno en la diversidad m ulticelular que las rodea. La
A unque gran parte de nuestro conocim iento de la fo r
compleja com binación de señales estim ulantes e inhibido
mación de los m úsculos proviene de trabajos sobre orga
ras perm ite a cada célula m uscular desarrollar el fenotipo
nism os modelo, estudiando estas vías com prenderem os
contráctil apropiado. Estas vías de diferenciación y desarro
m ejor la relación entre evolución y desarrollo, dando expli
llo controlan cóm o se form an m uchos músculos, sus tipos
cación a la diversidad de fenotipos m usculares.
de fibras y su localización en el cuerpo. Estas vías de diferenciación y desarrollo m uscular comienzan pronto en la em briogénesis pero continúan
Referencias
jugando un papel im portante en los adultos. En un m úsculo
• Parker, M. H., P. Seale, and M. A. Rudnicki. 2003. Looking back to the embryo: Defining transcriptional networks in adult myogenesis. Nature Reviews in Genetics 4: 497-507.
de adulto, cerca del 5% de los núcleos m usculares se encuentran en las células satélite que están asociadas a las m iofibras de la superficie. Estas células actúan com o célu las de reserva, ayudando a reparar y rem odelar el m úsculo.
neos. Los m úsculos lisos trab ajan de form a sim ilar en el sistem a respiratorio de los vertebrados te rre s tres controlando el diám etro de las vías aéreas. Las capas longitudinales y circulares de músculo liso en el tracto digestivo em pujan el alim ento avanzando en el intestino y controlan el tam año del tracto gastroin testinal. Aunque las células del m úsculo liso están com puestas p o r los m ism os elem entos contráctiles que tienen los m úsculos estriados, los anim ales pueden organizar y reg u lar los m úsculos lisos de form a dife
• Snider, L. and S. J. Tapscott. 2003. Emerging parallels in the genera tion and regeneration of skeletal muscle. Cell 113: 811-812.
rente. El m úsculo estriado organiza sus filam entos gruesos y finos en el sarcóm ero, produciendo su característico rayado. El m úsculo liso tam bién tiene filam entos finos y gruesos, pero no están organiza dos en sarcóm eros. A nivel celular, el m úsculo liso es u n a colección de células individuales que se organi zan en un a red funcional. Las uniones tipo gap entre las células de m úsculo liso les perm iten com unicarse y ejercer una respuesta com ún a la regulación local, creando un grupo funcional que trab aja como una unidad. Esta organización celular recuerda a la orga
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
nización del m úsculo cardiaco. Uno o m ás grupos funcionales pueden estar físicam ente unidos por tejido conjuntivo, pero regulados independiente m ente dentro de este tejido. En el sistem a circulato rio, p o r ejemplo, la capa de m úsculo liso rodea los vasos sanguíneos. Las células del m úsculo liso pue den inducir la contracción sim ultánea en u n a región, m ien tras que regiones vecinas perm anecen relaja das. Muchos órganos tienen capas de m úsculo liso organizadas de form a que perm ite la contracción en diferentes planos. Por ejemplo, el tracto gastrointes tinal tiene u n a capa in tern a de m úsculo circular que regula la circunferencia, y una capa de músculo lon gitudinal que regula la longitud. La principal diferencia entre el m úsculo liso y el estriado se encuentra en la organización de los fila m entos finos y gruesos. En lugar de m atrices parale las de sarcóm eros, el m úsculo liso tiene grupos dispersos de filam entos gruesos y finos a través del citoplasm a (Figura 6.38). El agregado de filamentos interconecta unos con otros form ando un a re d den tro del citoplasm a. Tam bién se unen a la m em brana plasm ática en regiones específicas llam adas placas
Núcleo
\
-— Membrana \ \ plasmática Fig u ra 6.38.
/ (
Célula muscular vascular lisa
Filamento grueso
F ila m e n to s fin o s y g ru e s o s en m ú s c u lo liso .
Las células del m úsculo liso carecen de sarcóm eros organiza dos. Los fila m en tos fin o s y gruesos están organizados en com plejas redes a través de la célula: los fila m en tos fin o s se fija n a la m em brana por placas de adhesión, m ientras que los fila m e n to s gruesos solapan entre los fila m en tos fin o s separa dos. Los fila m en tos fin o s están integrados en el citoesqueleto a través de cuerpos densos, que son puntos de unión con los m icrofilam entos.
de ad h esión . Esta organización tridim ensional de filam entos finos y gruesos perm ite a las células del m úsculo liso contraerse en todas direcciones. Los m úsculos lisos tam bién se diferencian del músculo estriado en la estructura de la organización de la m em brana. Les faltan las com plicadas invaginacio nes del sarcoplasm a llam adas túbulos-T, y por tanto no tienen un retículo sarcoplásm ico extenso. Como esta estructura ayuda en la excitación y libera Ca2+, no puede sorprendem os que el músculo liso tam bién se diferencie del estriado en el acoplam iento excita ción-contracción.
La contracción del músculo liso está regulada por filamentos proteicos tanto finos como gruesos La regulación de la contracción es m ucho m ás com pleja en el músculo liso que en el estriado. Los m ús culos lisos están regulados por m uchos tipos de nervios, y sujetos al control de num erosas horm onas. Algunas, aunque no todas, actúan m odificando los niveles de Ca2+ dentro de la célula. Aunque describi rem os m uchos de estos m ecanism os de control en capítulos posteriores, considerem os algunos ejem plos de cascadas de regulación que afectan a la con tracción del músculo Uso. Como en otros tejidos, el Ca2+ juega un papel im portante en la contracción del m úsculo liso. Sin em bargo, el músculo liso carece de TnC y el efecto del Ca2+ está m ediado por otra proteína reguladora. El cald esm on es u n a proteína de unión a actina que se une al filamento fino y evita la unión de la m iosina a la actina. En este sentido, el caldesm on reem plaza funcionalm ente a la TnC en el m úsculo liso. El caldes m on sale de su posición inhibitoria en respuesta al Ca2+, pero no se une directam ente al Ca2+. Cuando la [Ca2+] aum enta, la proteína calm odulina soluble se une al Ca2+, y después se une al caldesm on. El com plejo caldesm on-calm odulina se disocia de la actina y perm ite la form ación del puente cruzado entre m io sina y actina. Cuando los niveles de Ca2+ descienden, el complejo Ca 2+-calm odulina-caldesm on se disocia y el caldesm on vuelve a su sitio de inhibición en la actina. M uchas horm onas que actúan en el músculo liso m edian sus efectos regulando el Ca2+ depen diente de los efectos del caldesm on. E stas horm onas alteran las cascadas de señalización que estim ulan las protein quinasas y las protein fosfatasas. Por ejemplo, cuando el caldesm on es fosforilado por una M AP quinasa, es incapaz de unirse a la actina, incluso cuando los niveles de Ca2+ descienden
C A P ÍTU LO 6
m ucho. Así, la fosforilación del caldesm on m antiene la contracción de u n a form a independiente del Ca2+. G ran p arte de la regulación del m úsculo liso de vertebrados está m ediada a través de los filamentos finos. Recordem os que la m iosina m uscular es un hexám ero de dos cadenas pesadas de m iosina con cuatro cadenas ligeras de m iosina. En el músculo liso, las cadenas ligeras de m iosina regulan la capaci dad de las cabezas de las cadenas pesadas de m io sina de form ar puentes cruzados. Muchos agentes que alteran la contractibilidad del m úsculo liso, actúan cam biando el estado de fosforilación de las cadenas ligeras de la m iosina. Cuando son fosforiladas p o r la cadena ligera de la m iosina quinasa (MLCK), las cadenas ligeras de la m iosina aum entan la capacidad de u n ir la m iosina a la actina. Cuando son defosforiladas por la cadena ligera de la m iosina fosfatasa (MLCP), las cadenas ligeras de la m iosina evitan que las cadenas pesadas de la m iosina form en puentes cruzados; de ese m odo consiguen la relaja ción del m úsculo liso. Muchos de los efectores que regulan la contracti bilidad del músculo liso inducen sus efectos a través de la regulación de la actividad de MLCK y MLCP. El Ca2+, por ejemplo, puede estim ular MLCK y de ese m odo favorecer la contracción. El efecto del Ca2+ en la MLCK esta m ediado indirectam ente por la calm odu lina. Así, la Ca2+ ejerce efectos tanto en los filamentos finos (Ca2+-calm odulina-caldesmon) como en los fila m entos gruesos {MLCK-cadena ligera de la miosina). Las dos vías principales de la regulación de pendiente de Ca2+ del músculo liso están resum idas en la Figura 6.39. Muchos de estos factores alteran los niveles de Ca2+ de u n a m an era m uy compleja. Una horm ona puede causar un pequeño pero rápido increm ento del Ca2+ en toda la célula, m ientras que otra horm ona puede causar u n g ran increm ento del Ca2+ que se localice cerca de la m em b rana plasm ática. Estos com plejos patro n es espacio-tem porales del Ca2+, conoci dos como firm a del Ca2+, afectan a diferentes cascadas de señalización. Una vez que u n a horm ona se une a su receptor en la m em brana del músculo liso, puede ejercer efectos directos en uno o m ás compo nentes de la vía de señalización del m úsculo liso. La contractibilidad del m úsculo liso está regulada p o r num erosas h o rm onas así como por condiciones físicas como el estiram iento. M uchas de las horm o n as actúan de u n a form a independiente del Ca2+ por activación o inhibición de MLCK y MLCP. Por ejem plo, el óxido nítrico estim ula la relajación del m úsculo liso estim ulando la guanina ciclasa. El increm ento en los niveles de GMPc activa la protein
M o vim ien to celular y músculos 255
Ca2+-calmodulina| [ Hormonas ]
Fig u ra 6.39.
C o n tro l de la c o n tr a c c ió n d e l m ú s c u lo lis o .
La contracción del m úsculo liso está regulada por diferentes vías que actúan en las proteínas tanto de los fila m en tos finos com o de los gruesos.
quinasa dependiente de GMPc (PKG), la cual fosforila y activa el MLCP. En capítulos posteriores, estudiare m os las vías por la cuales factores neurohorm onales regulan la fimción del m úsculo liso en sistem as fisio lógicos específicos.
Los entrecruzamientos mantienen la contracción del músculo liso durante largos periodos Las propiedades contráctiles del músculo liso difieren am pliam ente en térm inos de generación de fuerza, así como en velocidad de contracción y de relajación. Los m úsculos lisos suelen dividirse en térm inos gene
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Las bases celulares de la Fisiología Animal
rales en m úsculos lisos tónicos y músculos lisos fási cos. Los músculos tónicos son aquellos que se m antie n en contraídos durante largos periodos, m ientras que los m úsculos fásicos se contraen y se relajan frecuen tem ente. Dentro del sistem a digestivo, por ejemplo, los m úsculos fásicos se contraen rítm icam ente em pu jando el bolo alimenticio hacia adelante en el intes tino, m ientras que los músculos tónicos de los esfínteres están norm alm ente contraídos p ara evitar m ovim ientos entre los com partim entos. Como estos m ism os térm inos se utilizan a veces p a ra distinguir tipos de m úsculos esqueléticos, es im portante recor d ar que son sólo térm inos descriptivos. Los m úsculos esqueléticos tónicos tiene propiedades muy diferentes de los m úsculos lisos tónicos, aunque am bos m ues tren una contracción de larga duración. Muchos músculos lisos pueden p resen tar un com portam iento tanto tónico como fásico, dependiendo de las condiciones de regulación. Sin em bargo, algu nos m úsculos lisos tiene especializaciones celulares que favorecen a un tipo de contracción. Los m úsculos tónicos son capaces de m antener contracciones durante largos periodos de tiem po form ando diferen tes tipos de puentes cruzados cerrados. Estos puentes cruzados alteran la velocidad m áxim a de acorta m iento y gastan m enos energía durante la contrac ción isom étrica. Sin em bargo, el m ecanism o de esta diferencia no está todavía claro. Como señalam os anteriorm ente, m uchos músculos lisos pueden con traerse en respuesta a la fosforilación de las cadenas ligeras de la m iosina. La MLCK activa las cadenas ligeras de la m iosina, disparando el increm ento en la ATPasa actina-m iosina y la fuerza. Sin em bargo, en este estado cerrado, la fuerza se m antiene aunque las cadenas ligeras de la m iosina sean defosforiladas y la actividad ATPasa actina-m iosina sea baja. Esto sugiere que los músculos tónicos en este estado usan la m aquinaria contráctil existente de diferentes for m as. Algunos investigadores creen que todo el pro ceso del ciclo de puentes cruzados se hace m ás lento. Otros creen que el propio citoesqueleto interactúa con la actina y la m iosina p ara reforzar las interacciones físicas en este estado tónico.
Resumen El citoesqueleto es u n a red intracelular basad a en pro teínas con m uchas responsabilidades funcionales y estructurales. Las células usan el citoesqueleto, no r m alm ente en com binación con proteínas motoras, p a ra dirigir m uchos tipos de movimientos celulares e
intracelulares. Los dos elem entos fundam entales de la red citoesquelética implicados en el movimiento son m icrotúbulos y microfilamentos. Ambos tipos de pro teínas son polím eros que crecen asim étricam ente ya que los m onóm eros se unen preferentem ente a un extrem o del polímero, considerado como el extremo positivo. Conjuntos de proteínas accesorias controlan el ensam blaje y el desensam blaje del citoesqueleto. Las proteínas m otoras, enzim as que usan la energía del ATP p a ra moverse en una dirección específica a lo largo del citoesqueleto, están codificadas por am plias familias de genes, dotando a la célula de flexibilidad funcional. Algunas veces las proteínas m otoras tran s p ortan una carga, como vesículas y orgánulos. Muchas proteínas reguladoras controlan los movi m ientos a lo largo de los cam inos citoesqueléticos alte rando las interacciones entre las proteínas m otoras y los filamentos citoesqueléticos, o por la modificación de las propiedades de las proteínas m otoras. Los m icrotúbulos son polím eros de la proteína tubulina, a su vez un dím ero de a-tubulina y p-tubulina. El ensam blaje y el desensam blaje de los m icro túbulos puede ocurrir espontáneam ente, sujeto a la concentración de tubulina, tem peratura, y al efecto de proteínas reguladoras llam adas proteínas asocia das a m icrotúbulos o MAP. Dos tipos de proteínas m otoras u san m icrotúbulos. La kinesina se m ueve a lo largo de los m icrotúbulos en dirección positiva, m ientras que la dineína se m ueve en dirección nega tiva. M uchas células u san cilios o flagelos, estructu ras com puestas por m icrotúbulos y dineína. Los m icrofilam entos son polím eros de actina. Aunque algunas células u san la polim erización p a ra g enerar movimiento, la m ayoría del m ovimiento celular requiere m iosina como proteína m otora. Incluso aunque hay m uchos tipos de m iosina en las células eucariotas, toda m iosina tiene u n a estructura general de cabeza, cuello y cola. El modelo de fila m entos deslizantes describe la interacción entre actina y m iosina: form an puentes cruzados y están som etidas a cam bios conform acionales que conclu yen con el movimiento de la m iosina a lo largo del m icrofilam ento de actina. La distancia que alcanza la m iosina con cada ciclo de puente cruzado se deno m ina desplazam iento unitario. El ciclo obligatorio es la proporción de tiem po de cada ciclo de puentes cru zados que cada m iosina está unida a una actina. En conjunto, los m ovim ientos basados en m icrofilam en tos y en m icrotúbulos son necesarios p a ra casi todos los procesos fisiológicos. El m úsculo es un tipo de célula contráctil que es única de anim ales. Las células m usculares tienen
C A P ÍTU LO 6
papeles vitales en m uchos sistem as fisiológicos. Su base estructural depende de la organización de fila m entos gruesos, generalm ente m iosina, y filam entos finos, generalm ente actina. En el músculo estriado, estos filam entos se organizan en unidades contrácti les llam adas sarcóm eros. Esta organización perm ite a los filam entos finos y gruesos solaparse y form ar puentes cruzados. La longitud del sarcóm ero refleja el grado de solapam iento, y consecuentem ente la capacidad p a ra form ar puentes cruzados. Los sarcó m eros pueden o rganizarse en serie o en paralelo p a ra alcanzar un equilibrio favorable entre el acorta m iento y la tensión. La contracción del músculo estriado tiene lugar en respuesta a la activación de pendiente de Ca2+ de las proteínas reguladoras de los filamentos finos. En reposo, el complejo troponina-tropom iosina está loca lizado en el filamento de actina en una posición que evita que la miosina se una. El incremento en la [Ca2+] bajo excitación produce un cambio estructural en TnC que inicia una cadena de reacciones de cambios estructurales en otras subunidades de troponina y tropomiosina. Estas proteínas reguladoras de los filamen tos finos existen en num erosos isomorfos, cada uno con sutiles diferencias en la sensibilidad p ara regula dores fisiológicos como el Ca2+, el pH y la tem peratura. Los filamentos gruesos regulan la actividad ATPasa actino-miosina. En com paración con otras miosinas, la m iosina II tiene un desplazam iento unitario y un ciclo obligatorio inusuales. Los animales tienen diferentes isomorfos de m iosina II que les perm iten una regula ción fina de la ATPasa actino-miosina. El acoplam iento de la excitación-contracción describe cómo los procesos extracelulares disparan el aum ento del Ca2+ en el músculo. El músculo estriado se contrae en resp u esta a la despolarización de la m em brana. Los m úsculos m iogénicos pueden despolarizar espontáneam ente m ientras los m úscu los neurogénicos despolarizan en respuesta a un estí mulo nervioso. Los m úsculos tónicos están inervados en m uchas localizaciones a lo largo de la fibra m us cular, m ien tras que los m úsculos contráctiles están norm alm ente inervados p o r u n a única placa final m otora. La despolarización de las m em branas del músculo, especialm ente en fibras largas, se ve facili ta d a po r los túbulos-T. E stas extensiones internas del sarcolem a ayudan a p ro p agar el potencial de acción a las zonas profim das de la fibra. La despolarización abre los canales de Ca2+ dependientes de voltaje, llamados DHPR. La activación de estos canales induce la liberación de Ca2+ desde los alm acenes internos en el RS. Cada tipo de músculo tie
M o vim ien to celular y músculos 257
nen una vía diferente de relacionar la activación de los DHPR y la liberación de Ca2+ del RS: el músculo car diaco usa la liberación Ca2+ inducida por Ca2+, m ien tras el músculo esquelético utiliza la liberación de Ca2+ inducida por la despolarización. La relajación necesita eliminar el Ca2+ del citoplasma usando bom bas e inter cam biadores en el sarcolem a y en el RS. Los anim ales m uestran un a gran variedad de tipos de fibras musculares. Grandes familias de genes p a ra las proteínas de los filamentos finos y los fila m entos gruesos dotan a los anim ales con el potencial de hacer innum erables tipos de fibras m usculares diferentes. Los individuos pueden alterar las propie dades de los músculos durante el desarrollo, así como en respuesta a cambios fisiológicos y am bientales. La m ayoría de los músculos estriados de vertebrados, incluidos el músculo cardiaco y el esquelético, m ues tra n las propiedades generales del acoplam iento exci tación-contracción y de la estructura del músculo. Sin em bargo, hay algún ejemplo de tipos m usculares que tiene propiedades reguladoras y estructura m uy dife rentes. Algunos músculos de insectos se contraen tan rápidam ente que el tránsito del Ca2+ no es posible. Estos músculos de vuelo asincrónicos dependen de la activación por el estiram iento de m úsculos opuestos que suben y bajan las alas opuestas. Los órganos de calor y los órganos eléctricos son ejemplos de modifi caciones extrem as en el diseño de las fibras m uscula res estriadas. Han sufrido una transdiferenciación durante el desarrollo p ara perder las propiedades m usculares y ganar propiedades únicas. Los m úsculos lisos se diferencian en muchos aspectos respecto de los m úsculos estriados. No tiene la organización sarcom érica, dispersan las m atrices de filamentos finos y gruesos a lo largo de la célula con geom etrías complejas. La contracción de los músculos lisos puede estar controlada po r proteínas de los fila m entos finos como el caldesmon. Sin em bargo, el regulador m ás im portante es el estado de fosforilación de las cadenas ligeras de la m iosina. Los niveles de calcio influyen tanto en la regulación del caldesm on como en la fosforilación de las cadenas ligeras de la miosina, actuando a través de la proteína calmodulina soluble de unión al Ca2+. Algunas horm onas afectan a la fosforilación de la cadena ligera de m iosina po r la activación de MLCK o MLCP. Los músculos lisos tóni cos pueden alterar las propiedades fundam entales de los puentes cruzados. Pueden reducir la velocidad de acortam iento y el índice de actividad ATPasa actinom iosina sin sacrificar la fuerza. El m ecanism o por el cual este largo puente cruzado “cerrado” se form a es aún desconocido.
258 PR IM E R A PARTE
Las bases celulares de la Fisiología Animal
P reguntas de revisión
P reguntas de síntesis
1. Com pare y contraste la estructura de los m icrotú bulos y los m icrofilam entos.
1. ¿Cuál es el papel de la energía en la construcción del citoesqueleto?
2. ¿Cómo se dirige el ensam blaje y el desensam blaje del citoesqueleto?
2. ¿Qué procesos genómicos y genéticos pueden h ab er contribuido a la expansión de la familia de la m iosina II en vertebrados? 3. ¿Qué p asaría si las células pudieran sólo añ ad ir o elim inar tubulina (o actina) en uno de los extre m os del m icrotúbulo {o microfilamento)?
3. ¿Qué es la polaridad y po r qué es im portante? 4. Describa el ciclo obligatorio y el desplazam iento unitario en relación con la actividad no m uscular y la m uscular de la m iosina. 5. ¿Cómo influye la organización del sarcóm ero en la fuerza contráctil? 6 . Com pare las lim itaciones de la función de la m io sina en el tráfico de vesículas y en el aparato con tráctil. 7. ¿Se describe la actividad m uscular con m ás p re cisión como m ovim iento celular o como cambio en la form a de la célula? ¿Qué tipos de células necesitan m overse dentro del cuerpo de los ver tebrados?
8 . ¿Por qué los alcaloides vegetales alteran la fun
4. Describa el papel de las proteínas de unión a Ca2+ en la contracción muscular. 5. Una cabeza de m iosina genera 5pN de fuerza, y u n filamento fino tiene cerca de 600 cabezas. La m ayoría de los m úsculos esqueléticos generan cerca de 20 N de fuerza por cm 2 en un áre a tra n s versal. ¿Puede esta inform ación perm itir calcular el núm ero de sarcóm eros por cm2?
6 . Describa los procesos m oleculares de excitación neurom uscular, desde el sitio de síntesis de los neurotransm isores h asta la liberación del Ca2+ del músculo.
ción del citoesqueleto en anim ales? ¿Qué hacen en plantas? ¿Por qué no afectan al citoesqueleto de las plantas?
7. El corazón del colibrí late a 30 Hz. Prediga qué encontraría si exam inara la estructura del cardiomiocito del colibrí.
9. Explique el papel de las proteínas de unión a la actina en los filam entos y los m icrofilam entos.
8 . En el Capítulo 2 com parábam os las principales
10. Com pare los patro n es de regulación de la excita ción y la contracción en el m úsculo estriado y el músculo Uso. 1 1 . ¿Cómo puede el potencial de acción diferenciar entre el m úsculoesquelético y el cardiaco? ¿Por qué es esto im portante en la función m uscu lar?
vías de producción de energía: glicólisis y m ito condria. Explique cómo se integran estas vías m etabólicas en el p atrón del acoplam iento exci tación-contracción de los diferentes músculos. 9. Las células del músculo estriado son postmitóticas y pueden vivir durante el tiempo de vida del orga nismo. Exponga cómo esta propiedad afecta a la biología muscular, tanto norm al como patológica.
S e g u n d a parte Integrando sistemas fisiológicos
E n ten d ie n d o las bases de la b io lo g ía ce lu la ra n im a l, po
m u e s tra aquí en una vista m icro s c ó p ic a . La te m p e ra
d e m o s e s tu d ia r la m a n e
tu ra a m b ie n te es un des
ra en la que los g rupos
afío que in flu y e m u c h o s
de células están in te
a s p e c to s de la fisiología
grados en los sistem as.
a nim a l (Capítulo 14). Si
En cada uno de los ca
un anim a l supera to d o s
pítulos s ig u ie n te s dis
e s to s retos, pue de te
c u tim o s la fo rm a en la
ner
que e sto s s is te m a s per
para la re producción (Ca
m ite n a los anim a les en fis io ló g ic o s y los re to s que o fre ce el m e d io en el que v i Los
anim a les
opo rtunidad
pítulo 15).
fre n ta rs e a los problem a s
v im o s.
una
d e te c
tan e s tím u lo s con los siste m a s senso riales (Capítulo 7) y coordinan re spuestas c o m p o rta m e n ta le s y fis io ló g i cas co m p le ja s utilizand o el s iste m a ne rvio so (Ca
C o m o v e re m o s en la segu nda parte, cada s is te m a fis io ló g ic o
hasta c ie rto
p u n to recae en las células m u s cu la re s y n ervio sas y en las rutas de señalización que p e rm ite n a las c é lulas co m u n ic a rs e . A u n q u e la s egu nda par te está organizada a lre d e d o r de los s is te m a s
pítu lo 8). El s iste m a c ircu la to rio (Capítulo 9) es responsa ble
fis io ló g ic o s , ve re m o s que e s to es un ta n to arb itra rio — cada
del tra n s p o rte de oxígeno, del d ió x id o de carbono y de las
s is te m a in te ra ccio n a con los o tro s — . Por e je m p lo , el s is te
m o lécu las señalizadoras p o r to d o el c u erpo para res p o n d e r
m a lo c o m o to r es regulado p o r el s is te m a n e rv io s o y ali
a las dem and as de los te jid o s, y el s is te m a re s p ira to rio (Ca
m e n ta d o p o r el s is te m a d ig e s tiv o . El s u m in is tro de los
pítu lo 10) se encarga d el in te rc a m b io de gases con el m e
n u trie n te s vita le s y los gase s a los m ú s c u lo s está c o n tro la
dio. Los anim a les a c o m e te n los cam b io s o s m ó tic o s e
do p o r los s is te m a s c a rdio vascula r y resp ira to rio . La a c tiv i
ió nicos con tro la n d o los niveles de soluto s, agua y de se ch o
dad lo c o m o to ra a fecta a la biología té rm ic a (generando
nitro g e n a d o s (Capítulo 11). Los n u trie n te s se extra en de un
calor) y a la re p ro d u c c ió n (en c o n tra n d o y c o m p itie n d o por
m u n d o c o m p le jo y se procesan en m o lécu las que pueden
las hem bras). Le y e n d o los s ig u ie n te s c apítu los, hay que
se r utilizadas c o m o unidades de c o n s tru c c ió n o energía (Ca
darse cu e n ta de que la divisió n de la fis io lo g ía in teg rad ora
pítu lo 12), y el m o v im ie n to que es fu n d a m e n ta l para la fu n
en e s to s nueve s is te m a s es una he rra m ie n ta organizativa
ción anim a l es llevado a cabo por el s is te m a m u scu la r y
que p e rm ite que e s to s s is te m a s c o m p le jo s sean e s tu d ia
e s q u e lé tic o (Capítulo 13). Un e je m p lo de las com p le ja s
do s c o m o si fu e ra n u nidades aisladas. Para re c o rd a r la
in te ra ccio n e s que se requiere n para el m o v im ie n to puede
in te g ra ció n , cada capítu lo c o n c lu y e con un ensa yo que de s
obse rvarse en la pro p o rció n de un ala de m ariposa, que se
taca c ó m o in te ra ccio n a n e s to s s is te m a s .
C a p ítu lo 7 Sistem as sensoriales
L
o s a n im a le s m o n ito r iz a n c o n s ta n te m e n te ta n to lo s c a m b io s y lo s e fe c to s d e su e n to r n o c o m o lo s p a rá m e tro s f is io ló g ic o s in te rn o s . Para re a liz a r e sta ta re a , lo s o r g a n is m o s tie n e n u n a d iv e rs a g a m a de s is te m a s s e n s o ria le s . C u a n d o p e n s a m o s en e s to s s is te m a s s e n s o ria le s , a Grandes ojos de lechuza.
m e n u d o n o s im a g in a m o s lo s c o m p le jo s ó rg a n o s s e n
s o ria le s de lo s v e rte b ra d o s , o lo s m u ltifa c é tic o s o jo s de
lo s in s e c to s . Los ó rg a n o s s e n s o ria le s c o m p le jo s ta le s
c o m o lo s o jo s y lo s o íd o s c o n tie n e n un g ra n n ú m e ro de c é lu la s s e n s o ria le s y de te jid o s a c c e s o rio s . P e ro e s to s ó rg a n o s s e n s o ria le s c o m p le jo s tie n e n s u o rig e n en s is
a g e n te s q u ím ic o s , p e ro s o n r e p e lid o s p o r o tro s . La e x
te m a s s e n s o ria le s m u c h o m á s s im p le s de lo s o r g a n is
p o s ic ió n a un a g e n te q u ím ic o a tra y e n te h ip e rp o la riz a la
m o s u n ic e lu la re s . H asta una b a c te ria p u e d e n e c e s ita r
m e m b ra n a , m ie n tra s q u e la e x p o s ic ió n a un a g e n te q u í
b u s c a r c o m id a o e v ita r u n a m b ie n te h o s til, p o r lo q u e
m ic o re p e le n te d e s p o la riz a la m e m b ra n a , c a m b ia n d o el
tie n e n u n a v a rie d a d de s is te m a s s e n s o ria le s q u e la
b a tid o de lo s c ilio s . U n p a ra m e c io ta m b ié n p u e d e d e
a y u d a n a d e te c ta r y re s p o n d e r al c a m b io d e l a m b ie n te .
te c ta r un c a m b io d e te m p e ra tu ra a m b ie n ta l. Si un p a ra
V a m o s a c o n s id e r a r u n e u c a rio ta u n ic e lu la r, el pa-
a le ja rá n a d a n d o d e l a g u a q u e e s té o m á s c a lie n te o m á s
de su s c ilio s . C o m o e x p lic a m o s en el C a p ítu lo 5, si t o
fría q u e la te m p e ra tu ra a la q u e está a c lim a ta d o . La
c a m o s s u a v e m e n te un p a ra m e c io , se a le ja rá d e l e s tí
m e m b ra n a c e lu la r d e l p a ra m e c io tie n e c a n a le s de Ca2+
m u lo r e v ir tie n d o la d ire c c ió n d e l b a tid o de lo s c ilio s ,
s e n s ib le s al c a lo r y al frío . C u a n d o e s to s c a n a le s se
g ira rá s u a v e m e n te y d e s p u é s se re tira rá . A l to c a r la s u
a b re n , la c o rrie n te de C a2+ re s u lta n te c a m b ia el b a tid o
p e r fic ie d e l p a ra m e c io se a b re un c a n a l ió n ic o m e c a n o -
d e lo s c ilio s y m o d ific a su c o m p o r ta m ie n to n a ta to rio .
s e n s itiv o en la s u p e rfic ie de la m e m b ra n a , q u e p e rm ite
El p a ra m e c io ta m b ié n p u e d e re s p o n d e rá d iv e rs o s
q u e lo s io n e s se m u e v a n a tra v é s de la m e m b ra n a y
p a rá m e tro s a m b ie n ta le s , u tiliz a n d o m e c a n is m o s s e n
p ro v o c a la d e s p o la riz a c ió n d e la c é lu la . Este c a m b io en
s o ria le s q u e to d a v ía h o y en día n o e n te n d e m o s . P o r
el p o te n c ia l de m e m b ra n a a b re lo s c a n a le s de Ca2+ d e
e je m p lo , lo s p a ra m e c io s tie n d e n a n a d a r h acia la s u
p e n d ie n te s de v o lta je , p r o v o c a n d o un p o te n c ia l d e a c
p e rfic ie d e un c o n te n e d o r, p e ro p ie rd e n su c a p a c id a d
c ió n q u e e n v ía la s e ñ a l a lo s c ilio s p a ra r e v e r tir la
d e o rie n ta rs e h a c ia la s u p e rfic ie en a m b ie n te s c o n po ca
d ire c c ió n d e su b a tid o .
g ra v e d a d , lo q u e s u g ie re q u e p u e d e n d e te c ta r c a m b io s
C o m o la m a y o ría de lo s o rg a n is m o s , lo s p a ra m e -
260
m e c io se a c lim a ta a una te m p e ra tu ra e s p e c ífic a , se
ra m e c io . U n p a ra m e c io n a d a p o r el b a tid o c o o r d in a d o
g r a v ita to r io s . Lo s p a ra m e c io s s o n ta m b ié n s e n s ib le s a
c io s p u e d e n ta m b ié n d e te c ta r c a m b io s q u ím ic o s del
las c o rrie n te s e lé c tric a s ; un p a ra m e c io n a d a rá h acia el
a m b ie n te . Los p a ra m e c io s se m u e v e n h acia a lg u n o s
c á to d o y h u irá d e l á n o d o . Los s h o c k s e lé c tric o s s o n un
La o r g a n iz a c ió n de lo s s is te m a s s e n s o ria le s en o r g a n is m o s u n ic e lu la re s c o m o el p a ra m e c io n o s e n s e ñ a m u c h o s o b re lo s s is te m a s s e n s o ria le s en to d o s lo s a n i m a le s . De h e c h o , y c o m o v e r e m o s en e s te c a p ítu lo , el p a p e l de un s is te m a s e n s o ria l (ya sea en u n p a ra m e c io o en un a n im a l m u ltic e lu la r c o m p le jo ) es d e te c ta r un e s tím u lo a m b ie n ta l y tra n s d u c ir u n a s e ñ a l en la fo rm a q u e p u e d a s e r in te rp re ta d a y u tiliz a d a p o r el o r g a n is m o p a ra r e g u la r lo s s is te m a s f is io ló g ic o s y su c o m p o r ta m ie n to .
•
Ojo de ciervo.
e s tím u lo n o c iv o p a ra un p a ra m e c io ; c u a n d o se le da un s h o c k e lé c tric o , se a le ja r á p id a m e n te . T o d a s e s ta s o b s e rv a c io n e s s u g ie re n q u e lo s p a ra m e c io s s o n s e n s ib le s a lo s c a m p o s y las d e s c a rg a s e lé c tric a s . C u rio s a m e n te , lo s p a ra m e c io s n o c a m b ia n h a b itu a lm e n te su c o m p o r ta m ie n to en re s p u e s ta a las v ib ra c io n e s , p e ro si un in d i v id u o e stá c o n d ic io n a d o al e x p o n e rs e r e p e tid a m e n te a u n a ú n ic a v ib ra c ió n , c o m e n z a rá a re s p o n d e r a la v ib r a c ió n ú n ic a , lo q u e s u g ie re q u e el o r g a n is m o p u e d e p e r c ib ir las v ib ra c io n e s , a u n q u e n o re s p o n d a h a b itu a lm e n te a ella s.
Param ecio (e scá n e r de m icrografía electrónica 500x).
261
262 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I P re s e n ta c ió n Aunque las células tienen la capacidad de in terp retar las señales del medio, los organism os m ulticelulares utilizan receptores sensoriales especializados y órga nos p a ra d etectar estím ulos diferentes en su medio interno y externo. Los receptores sensoriales pueden ser ta n sim ples como u n a única neurona, o pueden im plicar órganos sensoriales complejos como el ojo, que contiene m uchas células sensoriales y estructu ra s accesorias. Hay m uchos tipos de receptores sensoriales que incluyen quimiorreceptores, que detectan estímulos químicos; mecanorreceptores, que detectan estímulos m ecánicos como la presión o el movimiento; fotorreceptores, que detectan radiación electromagnética; electrorreceptores, que detectan cam pos eléctricos; magnetorreceptores, que detectan cam pos m agnéti cos, y termorreceptores, que detectan tem peratura. Sin embargo, e independientem ente de la clase del estímulo que detecten, todos los receptores sensoria les trab ajan con m ecanism os sim ilares (Figura 7.1).
Captan estímulos entrantes de varios tipos y los transducen (convierten) en cambios en el potencial de m em brana. La m em brana de un receptor sensorial contiene proteínas receptoras especializadas. En la m ayoría de los receptores sensoriales, estas proteínas absorben la energía del estímulo entrante y sobrelle van un cambio conformacional. El cambio conform a cional en la proteína receptora activa u n a vía de transducción de la señal que, directa o indirecta m ente, abre o cierra canales iónicos en la m em brana celular, lo que altera el potencial de m em brana. Estos cambios en el potencial de m em brana producen final m ente la liberación del neurotransm isor, enviando un a señal hacia centros de integración como el cere bro. Los centros de integración deben, entonces, inter p retar esta inform ación sensorial entrante y dar lugar a respuestas apropiadas. Por lo tanto, la recepción sensorial es un proceso con m uchos pasos que com p renden (1 ) la recepción de la señal, (2) la transduc ción de la señal, (3) la amplificación de la señal, (4) la transm isión de la señal hacia el centro integrador y (5) la percepción del estímulo en el centro integrador.
Estímulo luminoso
Estímulo químico
O qQ
Señal al centro integrador (a) Quimiorreceptores Fig u ra 7.1.
Señal al centro integrador (b) Mecanorreceptores
Señal al centro integrador (c) Fotorreceptores
Un re p a s o de los re c e p to r e s s e n s o ria le s .
Los receptores sensoriales detectan m uchos tip o s de estím ulos, (a) Los quim iorrece pto res detectan estím ulos quím icos. En la mayoría de los quim iorrece pto res, los agentes quím icos se unen al receptor, produciendo un cam bio conform acional y activando la vía de transducción de la señal que abre o cierra canales iónicos, lo que altera el potencial de m em brana de la célula sensorial, (b) Los m ecanorreceptores detectan estiram iento o tensión en la m em brana celular. Cuando un estím ulo de presión distorsiona la m em brana celular, cam bia la conform a ción de la proteína m ecanorreceptora, abriendo canales iónicos y cam biando el poten cial de m em brana de la célula sensorial, (c) Los fotorreceptores detectan luz absorbiendo la energía transportada por el estím ulo lu m inoso y cam biando su form a, activando la transducción de la señal que abre y cierra canales iónicos, lo que da lugar au n cam bio en el potencial de m em brana de la célula sensorial.
C A P ÍTU LO 7
En este capítulo, prim ero exam inam os las p ro piedades generales que com parten todos los recepto res sensoriales y vem os cómo codifican los rasgos im portantes de u n estímulo. Después, exam inam os cada uno de los tipos de estím ulos m ás im portantes, estudiando cómo cada tipo de receptor transduce el estím ulo en cam bios en el potencial de m em brana, y cómo el sistem a nervioso integra e in terp reta esta inform ación en trante.
! P ro p ie d a d e s g e n e ra le s d e la re c e p c ió n s e n s o ria l
Sistem as sensoriales 263
Cuando el receptor sensorial es tam bién la n e u ro n a aferente p rim aria, el potencial graduado que provoca el estím ulo en tran te se denom ina p o te n cia l g en era d o r (Figura 7.2a). El potencial g en e ra dor se expande hacia la zona de la n eu ro n a donde se inicia el disparo (trigger) que está localizada generalm ente en la p arte m ás distal de estas n eu ro n a s bipolares, en lugar de en el cono axónico como ocurre en las n eu ro n as m ultipolares. Si el potencial gen erad o r es superior al potencial um b ral de la n eurona, se pro d u cirá un potencial de acción en el axón. Los potenciales de acción se conducen des p ués por el axón h asta el term inal axónico donde p rovocará la liberación del neurotransm isor. Este n eu ro tran sm iso r envía la señal a otras n eu ro n as y hacia centros integradores (como el cerebro) donde son in terp retad as.
Algunos receptores sensoriales son neuronas que detectan estím ulos en tran tes diferentes de los neuro transm isores, pero m uchos son célu las derivadas de epitelios que hacen sinapsis con la n eurona. En cual quiera de los dos casos, la célula cuyo Estímulo Estímulo axón lleva inform ación a los centros integradores del sistem a nervioso se denom ina n eu ro n a a feren te p ri m aria. Los receptores sensoriales están habitualm ente agrupados ju n tos en estructuras denom inadas órgan os sen so ria les, que están com puestos de m uchos receptores sensoriales y estru ctu ras accesorias. Todos los receptores sensoriales r e a lizan las m ism as operaciones b ási cas. T ransducen estím ulos entrantes en u n a señal que p ueda ser in terp re tad a p o r el sistem a nervioso, utili zando habitualm ente m ecanism os celulares sim ilares. En la m ayoría de los receptores sensoriales, el estí mulo que en tra produce un cambio en la conform ación de la proteína receptora. Este cam bio conform atio n al activa las ru tas de transducción de las señales que conducen final (a) Neurona sensorial receptora (b) Célula sensorial epitelial m ente a la ap ertu ra o cierre de los canales iónicos y a u n cam bio en el Fig u ra 7.2. T ip o s de re c e p to r e s s e n s o r ia le s . potencial de m em b ran a de la célula. (a) Un estím ulo entrante activa una proteína receptora en la neurona sensorial, lo En u n receptor sensorial, este cam que produce una despolarización denom inada potencial generador. El potencial bio en el potencial de m em brana es generador dispara potenciales de acción en el axón de la neurona, (b) Un estím ulo u n tipo de potencial graduado deno entrante activa la proteína receptora en la superficie del receptor celular, lo que produce un potencial receptor. El receptor potencial abre canales de Ca2+ depen m inado o potencial receptor o p oten dientes de voltaje y produce la liberación del neu rotransm isor en la neurona afe cial generador, dependiendo de la rente prim aria. La neurona aferente estim ulada genera potenciales de acción que son conducidos a los centros de integración. estru ctu ra del sistem a sensorial.
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Integrando sistem as fisiológicos
Cuando el receptor sensorial está separado de la n eu ro n a aferente sensorial (Figura 7.2b), el potencial graduado inicial en el receptor sensorial se deno m ina p o ten cia l receptor. El potencial receptor se expande p o r la n eu ro n a sensorial h asta la zona de sinapsis con la n eu ro n a aferente prim aria, donde se produce la liberación del neurotransm isor. El neuro tran sm iso r después se une a sus receptores en la n eu ro n a aferente p rim aria y provoca un potencial graduado postsináptico. Este potencial viaja hacia la zona de disparo de la n eu rona aferente prim aria donde se iniciarán los potenciales de acción si éste excede el um bral. Los potenciales de acción viajan a lo largo del axón h asta la term inal axónica, provo cando la liberación del neu rotransm isor y com uni cando la señal al sistem a nervioso. En conclusión, el trabajo de u n receptor sensorial es detectar el es tím ulo en tran te y transducirlo en potenciales de acción que llevan la inform ación sobre la señal hasta los centro integradores.
Clasificación de los receptores sensoriales Los receptores sensoriales y los órganos de los senti dos se pueden clasificar de m uchas m aneras dife rentes. En la escuela p rim aria, probablem ente aprendim os los cinco sentidos (tacto, gusto, olfato, oído y vista). Esta clasificación, desarrollada prim era m ente por Aristóteles hace aproxim adam ente 2.000 años, está exclusivamente centrada en el hum ano y se b asa únicam ente en los sentidos que utilizamos de form a consciente sin ten er en cuenta algunos sentidos obvios como n u estra capacidad p ara detectar cam bios de tem peratura; adem ás olvida por completo la inform ación sensorial de la que no som os conscientes, tal como los parám etros internos como la presión san guínea o la oxigenación de la sangre. Este esquem a de clasificación tam bién niega la gran cantidad de siste m as sensoriales que poseen otros anim ales. Muchos anim ales tienen sentidos que los hum anos parecen no tener, tal como la capacidad p a ra detectar cam pos eléctricos o magnéticos. De la m ism a m anera, algunos anim ales carecen de uno o m ás de los cinco sentidos definidos p a ra los hum anos.
Los receptores pueden cla sificarse según la localización y m o d a lid a d del estím u lo Una m an era alternativa de clasificar los receptores sensoriales es por la localización del estímulo. En esta
clasificación, los telerreceptores detectan los estím u los que provienen de localizaciones a cierta distancia del cuerpo. La vista y el oído son buenos ejemplos de sentidos telerreceptivos. Los exterorreceptores detec ta n estím ulos que se producen fuera del cuerpo, tales como la presión o la tem peratura, y los interorreceptores detectan estím ulos que suceden dentro del cuerpo, como la presión sanguínea y el oxígeno de la sangre. La utilidad de esta clasificación está lim itada al uso de los fisiólogos, ya que nos dice poco o casi n ad a sobre cómo funcionan los receptores. La clasificación fisiológica m ás significativa sobre los receptores sensoriales está b asad a en el tipo de estím ulo que el receptor puede detectar, que a veces se denom ina m odalidad del estím ulo. Los quim iorrecep tores detectan señales químicas. Estable cen la base de los sentidos del olfato y el gusto y son im portantes en la detección de algunos parám etros internos como el oxígeno de la sangre y el pH. La p re sión y el movim iento estim ulan los m eca n o rrecep tores, que están implicados en los sentidos del tacto, el oído y el equilibrio, así como en la propiocepción, o el sentido de la posición del cuerpo. Los m ecan o rre ceptores están tam bién im plicados en la detección de m uchos p arám etros internos del cuerpo, como la presión sanguínea. Los fo to rrecep to res detectan luz, y son la base del sentido de la visión. Los term orrecep tores son sensibles a la tem peratura. Los electro rrecep to res y m agn etorrecep tores son sensibles a los cam pos eléctricos y m agnéticos, re s pectivam ente.
Los receptores pueden de tectar más de un tip o de estím u lo Aunque la m ayoría de los receptores tienen una m odalidad de estímulo preferente (o m ás sensible), denom inado estím ulo adecuado, m uchos receptores pueden resp o n d er a otros estím ulos, si los estím ulos entrantes son suficientem ente grandes. Por ejemplo, si presionam os en el párpado cuando el ojo está cerrado, podem os percibir un haz de luz brillante. Aunque la luz es el estímulo adecuado p ara los fotoreceptores de los ojos, un a presión suficiente puede tam bién estim ular estos fotorreceptores, haciendo que éstos envíen u n a señal al cerebro. El cerebro in terp reta la señal como un a luz, ya que h a sido pro gram ado p a ra in terp retar cualquier señal entrante a los fotorreceptores de los ojos como u n a luz. Algunos receptores son po r naturaleza sensibles a m ás de u n a m odalidad de estímulos. Por ejemplo, en las narices de los tiburones, los receptores deno
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m inados am pollas de L orenzini son sensibles a la electricidad, al tacto y a la tem peratura. Los recepto res que pueden d etectar m ás de un a clase de estí mulo se denom inan a veces receptores polimodales. Los n ocicep to res detectan estím ulos extrem ada m ente fuertes de varias clases, entre los que se en cu en tran la tem p eratu ra, la presión y los agentes químicos, y son los responsables de la sensación de dolor en los hum anos y m uchos otros anim ales. Aun que no todos los nociceptores son polim odales, m uchos de ellos son sensibles a un a gran variedad de estím ulos nocivos p a ra los tejidos.
Codificación del estím ulo en el sistema sensorial Independientem ente del tipo de estímulo, los recep tores sensoriales al final convierten la señal en una serie de potenciales de acción en la neurona aferente prim aria. Como todos los potenciales de acción son esencialm ente iguales, ¿cómo puede un organism o diferenciar entre los estím ulos o detectar la fuerza de u n a señal? P ara que u n organism o pueda in terp retar u n estím ulo en tran te de im a m an era coherente, im receptor sensorial debe ser capaz de codificar cuatro piezas esenciales de la inform ación sobre el estímulo en potenciales de acción: la m odalidad del estímulo, la localización del estímulo, la intensidad del estí mulo y la duración del estímulo.
La localización del rece ptor puede co d ifica r la m o d a lid a d y localización del estím u lo Una m an era en la que el receptor puede codificar la m odalidad del estím ulo está descrita como la teoría de las líneas etiquetadas derivada de la “ley de las energías nerviosas específicas” propuesta por Jo h a n nes Müller hace m ás de 150 años. Müller formuló la hipótesis de que los distintos tipos de nervios que p arten de diferentes receptores sensoriales como el oído o el ojo hacia el cerebro, tienen su “propia en er gía nerviosa” que transm ite la inform ación sobre un tipo específico de estímulo. Por lo tanto, el nervio óptico transm ite la señal “luz” siem pre que el ojo sea estim ulado, aunque el estímulo sea realm ente la p re sión en el globo ocular. Aunque Müller no estuviera realm ente en lo cierto con su teoría (ya que todas las neu ro n as utilizan la m ism a señal, el potencial de acción), su hipótesis realzó algunos de los rasgos esenciales de la teoría de las líneas etiquetadas. En el m om ento en que u n receptor sensorial es sensible
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sobre todo a un solo tipo de estímulo, y que el recep tor sensorial es p arte de la sinapsis con una neurona aferente determ inada, las señales en esa neurona aferente pueden rep re sen tar u n a m odalidad especí fica de estímulo. Por lo tanto, la localización de la neurona aferente codifica inform ación sobre la m odalidad del estímulo. El supuesto fundam ental de la teoría de las líneas etiquetadas es que hay un cam ino concreto desde el receptor sensorial al centro de integración. Aunque la teoría de las líneas etiquetadas es u n a generaliza ción útil, no toda la inform ación sobre los tipos de estím ulos puede ser codificada de esta m anera. Por ejemplo, recordando la am polla de Lorenzini, los receptores en los tiburones son sensibles a la electri cidad, la presión y la tem peratura. ¿Cómo puede un receptor de este tipo codificar la inform ación depen diendo del tipo de estím ulo? Un receptor sensible a m ás de u n a m odalidad sensorial probablem ente codifica la inform ación basado en el m odelo tem po ral de sus potenciales de acción. Por ejemplo, las ráfagas de potenciales de acción podrían enviar un tipo de m ensaje diferente a un a serie continua. Ade m ás, los m odelos de disparo relativos a células sen soriales adyacentes pueden llevar inform ación dependiente de tipo de estímulo. Los m ecanism os que sustentan la codificación de la inform ación de “fibra cru zad a” no se entienden en su totalidad, pero pueden ser fundam entales p a ra algunos sentidos como el gusto. Las células sensoriales pueden tam bién codificar la localización del estímulo. La ta re a de codificar la localización del estím ulo depende de que el receptor sea un telerreceptor, un exterorreceptor o un interoreceptor. T ratam os los telerreceptores, tales como la visión y el oído, m ás adelante en este capítulo. P ara los exterorreceptores y los interorreceptores, el fac tor principal p a ra codificar la localización del estí mulo es la localización del receptor estim ulado en el cuerpo. Por consiguiente, la teoría de las líneas eti quetadas, que en p arte contribuye p a ra codificar el tipo de estímulo, puede tam bién explicar el m odo en que estos receptores codifican p a ra la localización del estímulo.
Los receptores sensoriales tien en un cam p o receptivo Cada n eu ro n a aferente detecta señales entrantes que están en contacto con su cam po receptivo, que se define como la región de la superficie sensorial que g enera u n a resp u esta cuando es estim ulada. Las
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Integrando sistem as fisiológicos
neu ro n as con cam pos receptivos grandes detectan estím ulos en u n área m ás grande que las neuronas con cam pos receptivos pequeños, por lo que las n eu ro n as con cam pos receptivos pequeños ap o rtan una localización m ás precisa del estímulo, o m ayor preci sión que las n eu ro n as con cam pos receptivos m ás grandes. La m ayoría de las n eu ro n as aferentes p resentan m áxim a sensibilidad en el centro del cam po recep-
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tivo, donde la densidad del receptor es m ás alta, y se produce u n a respuesta m ás pequeña cuando el estí mulo se aplica hacia los extrem os. Pero ¿cómo hace la neurona aferente p ara distinguir entre un estímulo fuerte en el extrem o del cam po receptivo o un estí mulo débil en el centro del m ism o? Los organism os resuelven este problem a utilizando m ás de una célula receptora p a ra codificar la localización del estímulo. En el ejemplo que se m uestra en la Fi gura 7.3, un estím ulo que se aplica en el centro del cam po receptivo de la neurona B tam bién estim ula débil m ente las neuronas A y C. Al com pa r a r la intensidad del disparo de las tres neuronas se puede inferir que el estím ulo debe estar localizado m ás cerca de la neurona B. Se produce aún m ejor discrim inación de la loca lización en las neuronas que utilizan la inhibición lateral, en la que las señales de las neuronas del áre a cen tral de estim ulación inhiben las n eu ronas de la periferia. La inhibición lateral aum enta el contraste entre las señales de las neuronas en el centro del estímulo y las de los extrem os. Por lo tanto, la codificación de la localización del estímulo puede ser un proceso complejo que implica m uchas neuronas.
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F ig u ra 7.3.
D e te rm in a n d o la lo c a liz a c ió n d e l e s tím u lo con m ú ltip le s
r e c e p to re s .
Un estím ulo en el centro del cam po receptivo de la neurona B estim ula fuertem en te esta neurona, y estim ula débilm ente las neuronas adyacentes A y C. La neurona B1inhibe las neuronas A 1y C1f proceso denom inado Inhibición lateral. La neurona B1estim ula la neurona B2, m ientras las neuronas A 1y C1no estim ulan las neuro nas A2y C2, aum entando el contraste entre las neuronas A 2, B2y C2y m ejorando la capacidad para discrim in a r entre estím ulos.
Los receptores sensoriales tien en un rango d in á m ico Como se describió en el Capítulo 5, los potenciales de acción son sucesos eléctricos todo o n ad a que no codifi can intensidad a través de cam bios en la m agnitud de la señal. Los estí m ulos fuertes d isparan series de alta frecuencia (o trenes) de potenciales de acción, m ientras que los estímulos m ás débiles d isparan tren es de potenciales de acción a m ás baja fre cuencia. La m ayoría de los receptores sensoriales son capaces de codificar estím ulos en un rango de intensida des relativam ente lim itado, denom i nado ran go dinám ico del receptor (Figura 7.4a). El estím ulo m ás débil que produce u n a respuesta en el
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Fig u ra 7.4.
Sistem as sensoriales 267
R e la c ió n e s tím u lo -r e s p u e s ta en los
r e c e p to re s s e n s o ria le s .
(a) Rango dinám ico del receptor
(b) Relación estímulo-respuesta
(c) Rango de fraccionam iento
receptor el 50% de las veces, se denom ina um bral de detección. Muchos receptores sensoriales son extre m adam ente sensibles y pueden detectar señales que están cerca del límite teórico de detección del estí mulo. Por ejemplo, algunos fotorreceptores en el ojo hum ano pueden d etectar un único fotón de luz, y algunos m ecanorreceptores de las puntas de los
(a) los receptores sensoriales tienen un rango dinám ico en el que la respuesta del receptor aum enta con el aum ento de la intensidad del estím ulo, (b) Tres relaciones posibles entre la intensidad del estím ulo y la m agnitud de la respuesta de la neurona sensorial. En la relación A el receptor se satura a in tensidades altas, pero tiene una respuesta relativam ente pe queña en respuesta a cada cam bio de la in tensidad del estím ulo. En C el receptor se satura a intensidades bajas del estím ulo pero tiene una respuesta grande a cada cam bio de la intensidad del estím ulo. En B el receptortiene una respuesta relacionada con la in tensidad logarítm ica del estím ulo, (c) U ti lizando la estrategia del fraccionam iento del rango, m uchos receptores pueden funcio nar a la vez para aportar discrim ina ción fina en un rango am plio de intensidades de estím ulo.
dedos pueden detectar u n a depresión de la piel de m enos de 0,1 m iera. Por debajo de la intensidad um bral del estímulo, el receptor falla en la genera ción de los potenciales de acción. En lo m ás alto del rango dinámico, el receptor sensorial está saturado y no puede aum en tar su respuesta aunque la fuerza de la señal aum ente, ya que todos los receptores h an sido estim ulados. Sin em bargo, un receptor sensorial puede alcanzar el m áximo de su rango dinámico cuando las proteínas receptoras no están saturadas. U na vez que todos los canales iónicos se h a n abierto o cerrado, no pueden suceder m ás cam bios en el potencial de m em brana, o si la m em brana alcanza el potencial de equilibrio p ara un ion específico im pli cado en el potencial receptor, no se producirá movi m iento neto de iones y un a vez alcanzado este punto ningún otro cam bio en el potencial de m em brana se rá posible, aunque se ab ran m ás canales iónicos. P ara los receptores sensoriales que consisten en u n a célula receptora asociada a u n a neurona afe rente prim aria, tanto el receptor como la neurona aferente pueden saturarse. Como la célula receptora, el axón de la neurona aferente prim aria tiene un núm ero límite de frecuencia de disparo de potencia les de acción, dictado por los periodos refractarios de los canales dependientes de voltaje. La frecuencia de disparo m ás baja de los potenciales de acción con significado fisiológico es de uno por segundo, y la fre cuencia m áxim a en los potenciales de acción en la m ayoría de las neuronas es alrededor de 1.000 por segundo (lim itada por el periodo refractario absoluto de la neurona aferente prim aria: véase el Capítulo 5), dando lugar a un rango dinám ico de aproxim ada m ente 1.000 veces. Por el contrario, la intensidad de m uchos estím ulos am bientales varía en im rango
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m ucho m ás amplio. Por ejemplo, un reactor es alre dedor de 1,4 millones de veces m ás fuerte que el sonido m ás débil que el hum ano puede oír. Por lo tanto, ¿cómo es posible que los receptores sensoria les codifiquen p a ra u n rango de intensidades sem e jan te con un rango tan pequeño de frecuencias p ara los potenciales de acción?
El fraccionamiento del rango incrementa la discriminación sensorial En la Figura 7.4b se ilu stran tres hipotéticas relacio n es entre la intensidad del estímulo y la frecuencia de potenciales de acción. Si la relación entre el um bral y la saturación fuera lineal a lo largo de un rango de intensidades de estím ulos (como la relación A en la Figura 7.4b), entonces u n cam bio grande en la inten sidad del estím ulo ocasionaría un cam bio pequeño en la frecuencia del potencial de acción (debido a que el rango de intensidad del estímulo es grande, y el rango de frecuencias de potenciales de acción es pequeño). Esta relación lim itaría la capacidad del receptor p ara discrim inar entre pequeñas diferen cias en la intensidad del estímulo. A lternativam ente, u n receptor puede ser sensible a solam ente una p equeña p arte del rango posible de intensidades del estímulo, pero perm ite la discrim inación fina dentro del rango (ilustrado en la relación C de la figura), po r que un cambio pequeño en la intensidad del estímulo produce u n cam bio grande en la resp u esta del recep tor. Debido a que esta clase de receptores sólo es sen sible a u n rango pequeño de las intensidades del estímulo, u n único receptor no puede detectar todas las posibles intensidades del estímulo. En cambio, grupos de receptores, cada uno sensible a un ra n go diferente en la intensidad del estímulo, pueden funcionar a la vez p a ra g en erar la discrim inación fina en u n rango m ás amplio de intensidades. Con esta estrategia, denom inada fraccion am ien to del rango, los receptores individuales sólo son sensibles a u n a p equeña fracción del posible rango de intensi dades, pero m uchos receptores cubren partes dife ren tes de este rango (Figura 7.4c). En este sistem a diseñado de esta m anera, la intensidad del estímulo es realm ente codificada p o r el com portam iento de u n a población de receptores sensoriales.
Muchos receptores codifican las señales logarítmicamente Es posible codificar un rango grande de intensidades del estím ulo utilizando una única célula receptora,
sin recu rrir al fraccionam iento de rango. Exam ine m os la relación logarítm ica B ilustrada en la Figura 7.4b. En esta relación, cuando la intensidad del estí mulo es baja, se produce un aum ento rápido en la frecuencia de los potenciales de acción en respuesta a cam bios en la intensidad del estímulo, aportando u n a discrim inación fina, pero cuando la intensidad del estímulo es grande la curva se estabiliza, gene rando solam ente u n a discrim inación grosera. E ste tipo de curva rep resen ta un equilibrio entre un rango dinám ico amplio y la discrim inación fina entre intensidades de estím ulo sim ilares. La codifica ción logarítm ica perm ite que un receptor tenga una resp u esta constante al cambio de un porcentaje determ inado en la intensidad del estímulo. Muchos de nuestros receptores sensoriales utili zan este tipo de estrategia. Por ejemplo, si perm ane cemos de pie en u n a habitación oscura y se enciende una vela, es fácil apreciar el cambio en la intensidad de la luz, pero si hacem os lo m ism o en u n a habitación con m ucha luz, es im probable darse cuenta de la dife rencia. Tenemos la capacidad de discrim inar fino entre intensidades cuando la luz es tenue, pero no podem os discrim inar fino a altas intensidades de luz. De la m ism a m anera, si ayudam os a un amigo a m over los muebles, probablem ente no notarem os el cambio en el peso si alguien pone un libro en el sofá, pero notarem os perfectam ente el peso del libro si es el único objeto que debem os sujetar. Esta relación logarítm ica entre la intensidad real y la percibida se denom ina relación W eber-Fechner. Sensaciones co m o la claridad, los sonidos altos y el peso obedecen a la relación Weber-Fechner.
Los receptores tónicos y fásicos codifican la duración del estímulo Dos clases funcionales de receptores codifican la duración del estím ulo (Figura 7.5) Los recep to res fá sico s producen potenciales de acción sólo durante u n a p arte del estímulo, habitualm ente, bien cuando el estím ulo com ienza o bien cuando term ina, por lo que estos receptores codifican cam bios en el estí m ulo, pero no codifican específicam ente la duración del estímulo. Los rece p to res tónicos disparan potenciales de acción siem pre y cuando el estímulo continúe, y po r consiguiente ap o rtan inform ación sobre cuánto tiem po d u ra el estímulo. Sin em bargo, la m ayoría de los receptores (incluidos los receptores tónicos) no d isparan potenciales de acción a la m ism a frecuencia m ientras persiste el estímulo pro longado. En lugar de ello, la frecuencia del potencial
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Sistem as sensoriales 269
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(a) Receptores fásicos F ig u ra 7.5.
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(b) Receptores tónicos
R e c e p to re s tó n ic o s y fá s ic o s .
(a) Los receptores fásicos se despolarizan solam ente al p rin c ip io y al fin a l del estím ulo, (b) Los receptores tónicos perm anecen despolarizados m ientras dure el estím ulo.
de acción dism inuye si la intensidad del estím ulo se m antiene en u n nivel constante. Este proceso, cono cido por el nom bre de a d ap tación d el receptor, rem arca el cam bio en la frecuencia del potencial de acción en resp u esta a u n estím ulo prolongado tanto en los receptores tónicos como en los fásicos. Los receptores fásicos se ad ap tan rápidam ente, m ientras que los receptores tónicos se ad ap tan lentam ente, si lo hacen. Todos hem os experim entado el fenóm eno de la adaptación de los receptores. Cuando m etem os el pie la prim era vez en un baño caliente, el agua se siente desagradablem ente caliente, pero rápidam ente em pezam os a sentir que el agua ya no está tan caliente. De la m ism a m anera, si entram os en una casa donde se h a estado cocinando con un olor fuerte, al principio notarem os un olor m uy apreciable, pero al poco tiem po dejarem os de sentir el olor. La ad ap ta ción del receptor es u n m ecanism o crítico desde el punto de vista fisiológico, ya que perm ite que los ani m ales desatiendan inform ación irrelevante sobre fac tores en su entorno que están cam biando y se centren fundam entalm ente en las sensaciones nuevas.
I Q u im io rre c e p c ió n La m ayoría de las células son sensibles a las señales químicas entrantes, y los anim ales tienen muchos tipos de quim iorreceptores que utilizan p ara detectar su medio químico externo e interno. Nos centram os en este texto en los sentidos del olfato y el gusto, que m uchos organism os multicelulares utilizan para detectar agentes químicos en su medio externo. Para m uchos anim ales terrestres, la olfacción, o el sentido del olfato, se define generalm ente como la detección de los agentes químicos que se transportan por el aire. Por lo tanto, la olfacción aporta la capacidad p ara detectar agentes químicos cuya fuente se localiza a cierta distancia del cuerpo. Esto contrasta con el sen tido del gusto o la gustación, que perm ite detectar agentes químicos disueltos emitidos por la comida ingerida. Aunque es fácil distinguir entre la gustación y la olfacción p a ra los anim ales terrestres, es m ás difícil hacer esta distinción en el caso de los anim ales acuáti cos. En los vertebrados acuáticos, la gustación siempre implica detectar sensaciones relacionadas con la comida, m ientras que el olfato implica la detección de
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una am plia variedad de agentes químicos am bienta les, entre ellos los asociados con la comida, los depre dadores, las hem bras potenciales y las localizaciones particulares. En los vertebrados (acuáticos o terres tres), la olfacción y la gustación se diferencian por un criterio estructural: son desarrollados por diferentes órganos de los sentidos, utilizan mecanism os de tran s ducción de la señal distintos, y procesan la inform a ción aferente en distintos centros de integración.
El siste m a o lfa tiv o Indudablem ente, los antepasados de todos los anim a les poseían quim iorreceptores; de hecho, los verte b rados y los insectos com parten m uchas similitudes en los m ecanism os de la olfacción. Sin em bargo, la evidencia actual sugiere que los sistem as olfativos de los vertebrados y los insectos se desarrollaron inde pendientem ente. Describirem os prim ero los m ecanis m os que subyacen a la olfacción de los vertebrados. Después, brevem ente, com pararem os y contrastare m os m ecanism os análogos en los insectos.
El sistema olfativo de vertebrados puede distinguir miles de o lo r é a fV ■ Los sistem as olfativos de los vertebrados tienen una capacidad enorm e p a ra diferenciar los olores, que
son los agentes químicos que detecta el sistem a olfa tivo. Estudios realizados en hum anos indican que la m ayoría de la gente puede distinguir entre decenas de miles de diferentes olores, y que incluso un cam bio m uy pequeño en la estructura de un olor puede g enerar un cam bio enorm e en la percepción subje tiva del olor. Por ejemplo, los hum anos perciben el com puesto octanol como un olor parecido a naran jas o rosas, y describen el olor del ácido octanoico como u n olor a rancio o a sudor. La única diferencia entre el ácido octanoico y el octanol es que el ácido octa noico term ina con un grupo carboxilo y el octanol con un grupo hidroxilo. El sistem a olfativo en los vertebrados está locali zado en el techo de la cavidad n asal (Figura 7.6). La olfacción com ienza cuando una m olécula odorífera en tra en contacto con la capa de moco que rodea y suaviza el epitelio olfativo de la nariz. El moco con tiene proteínas de unión a los olores, que se piensa están im plicadas en perm itir que las m oléculas odo ríferas lipofílicas p uedan disolverse en la capa de moco acuosa. Las células receptoras del olor son neuronas bipolares con un extrem o en el epitelio olfativo y el otro form ando sm apsis con las neuronas del bulbo olfatorio en el cerebro. La célula receptora olfativa tiene u n a m em brana m uy m odificada que está recubierta po r cilios, que se proyectan en la capa de moco que rodea el interior de la nariz. Los cilios de las neuronas receptoras olfativas no son móviles y,
Epitelio olfatorio Senos
Bulbo olfatorio
Cavidad nasal
Proteínas de unión a las partículas odoríferas F ig u ra 7.6.
Célula olfatoria receptiva
Placa clb riform e
Ó rg an o o lfa tiv o d e l p e rro .
El e pite lio o lfativo de los m am íferos, localizado en la cavidad nasal, contienen células de sostén y neuronas receptoras olfativas. Estas neuronas sensoriales bipolares tienen un extrem o que hace sinapsis con el bulbo o lfa to rio del cerebro y otro extre m o en el epite lio olfativo . Los cilios de las neuronas bipolares contienen receptores odoríferos y se proyectan a una capa de m oco que cubre el epite lio o lfativo y contiene proteínas de unión a las partículas odoríferas.
C A P ÍTU LO 7
p o r lo tanto, no baten, pero tiene las p roteín as recep to ra s olfativas.
Los receptores olfativos son proteínas G Los receptores olfativos son receptores acoplados a proteínas G, sim ilares en m uchos aspectos a las im plicadas en la com unicación horm onal. Las pro teínas receptoras olfativas son m iem bros de una g ran fam ilia m ultigénica, y todos los genom as de ver teb rad o s que h an sido secuenciados hasta la fecha contienen m uchos genes que codifican p a ra recep tores olfativos (por ejemplo, el genom a de ratón contiene al m enos 1.000 genes potenciales p ara receptores olfativos). Cada receptor olfativo expresa solam ente u n a clase de p roteína receptora del olor a p esar de este amplio rango de posibles proteínas. Cuando u n a m olécula odorífera se une a un receptor olfativo, el receptor experim enta un cambio conform acional que envía la señal a un a proteína G asociada, Golf. Golf activada señaliza por medio de la adenilato ciclasa, activándose la ru ta de tran sd u c ción de la señal (m ostrada en la Figura 7.7), que
Sistem as sensoriales 271
finalm ente d a rá lugar a un potencial generador des polarizante. Si la despolarización es suficientem ente grande, los potenciales de acción se d isp a rarán en la dendrita de la neurona olfativa receptora. Es necesa rio darse cuenta de que estos potenciales de acción viajan hacia el cuerpo celular de esta neurona bipo lar, contrariam ente a la organización descrita p ara la neurona m otora, en la que el potencial de acción siem pre viaja alejándose del cuerpo celular. Estos potenciales de acción finalm ente son transm itidos hacia el otro extrem o de la neurona, donde los term i nales axónicos sinaptan con las neuronas del bulbo olfatorio del cerebro. Hay indicios que sugieren que la ru ta adicional de la transducción de la señal puede tam bién desem p eñ ar un papel im portante en la detección del olor en los m am íferos. Por ejemplo, algunos receptores olfa tivos están acoplados a proteínas G que activan una cascada como señal de transducción m ediada por u n a fosfolipasa C (PLC), en la que la fosfolipasa C hidroliza fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato (PIP,) en la m em brana plasm ática, dando lugar a inositol trifos fato (IP3) y diacilglicerol (DAG), que provoca un
La unión de la partícula odorífera al receptor odorífero produce un cambio conformacional.
I
La proteína activada, G0|f, se mueve a través de la membrana y activa la adenilato ciclasa. La adenilato ciclasa convierte el ATP en AMPc. El AMPc abre canales iónicos dependientes de AMPc,
Í
El Ca + y el Na+ entran en la célula, produciendo un potencial generador.
6 j El Ca también abre canales de Cl“ activa dos por Ca +, haciendo que el Cl“ salga de la célula aumentando la despolarización.
t Fig u ra 7.7.
T ra n s d u c c ió n de la s e ñ a l en la c é lu la re c e p to ra o lfa tiv a .
EI potencial generador abre canales de Na+ dependientes de voltaje, disparando los potenciales de acción.
272 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
aum ento intracelular de Ca2+, haciendo que los cana les de Cl~ en la m em b ran a plasm ática se ab ran . Sin em bargo, como en la transducción de la señal m ediada por AMPc, el resultado final de la cascada de la transducción de la señal m ediada por PLC es la despolarización de la célula, p a ra el disparo de los potenciales de acción. Aunque los genom as de vertebrados tienen hasta mil genes que codifican p a ra proteínas receptoras olfativas, el núm ero total de olores que un anim al puede diferenciar es incluso mayor, siendo posible m ente de decenas de miles. Experim entos realizados con m am íferos, como ra ta s y hum anos, indican que cada n eu ro n a olfativa expresa solam ente un gen receptor olfativo, pero que cada receptor olfativo reconoce m ás de u n olor. Por lo tanto, un determ i nado olor excita m uchas n eu ronas olfativas, pero en diferentes grados. Como resultado, cada olor excita u n a única com binación de neuronas olfativas. El núm ero de olores diferentes que pueden ser discri m inados usando este código com binatorio es extre m adam ente alto. En el supuesto de que cada olor fuera codificado por u n a com binación de únicam ente tres receptores distintos, h ab ría aproxim adam ente mil millones de com binaciones posibles. El código p a ra cada olor im plica realm ente m ás de tres recep tores, p o r lo que la potencialidad p a ra la discrim ina ción olfativa en el sistem a olfativo de los vertebrados puede ser m uy su perior a m il millones.
Un sistema quimiosensor diferente detecta las feromonas Los v ertebrados terrestre s detectan ferom onas utili zando u n órgano denom inado órgano vom eronasal. Este órgano olfativo accesorio es estructural y m ole cularm ente diferente del epitelio olfativo prim ario (Figura 7.8). En los m am íferos, los órganos pareados vom eronasales se en cu en tran en cada lado de la base de la cavidad nasal, cerca del septo n asal (el tejido que sep ara los dos orificios nasales). En los reptiles el órgano vom eronasal (a m enudo denom inado órgano de Jacobson, debido al científico que lo descubrió) se h alla en u n a posición análoga del paladar. Un tubo estrecho p arte del órgano vom eronasal h asta la cavi dad oral o n asal dependiendo de las especies. Como en el epitelio olfativo, el epitelio del órgano vom eronasal expresa quim iorreceptores. Sin em bar go, los receptores de las ferom onas del órgano vom e ronasal son diferentes de los receptores olfativos del epitelio olfativo. Los rceptores vom eronasales activan la transducción de la señal a través de la fosfolipasa C,
nasopalatino (a) Órgano vomeronasal de mamíferos
(b) Órgano vomeronasal (de Jacobson) de reptiles F ig u ra 7.8.
Ó rg an o s v o m e ro n a s a le s .
(a) En los m am íferos, el órgano vom eronsal que detecta fe ro m onas está localizado en la base de la cavidad nasal y está co nectado con la boca por el conducto nasopalatino. (b) En los reptiles, el órgano vom eronasal está localizado en el paladar.
m ientras que la m ayoría de los receptores olfativos activan el sistem a de la transducción de la señal a tr a vés de la adenilato ciclasa-AMPc. Los receptores vom eronasales tienen algunas similitudes con los receptores de los vertebrados p a ra los sabores am ar gos, que describirem os en las siguientes secciones de este capítulo sobre el sistem a gustativo.
Los mecanismos olfativos de invertebrados difieren de los de vertebrados Los órganos olfativos de los invertebrados pueden estar localizados en m uchas partes del cuerpo, au n que la m ayoría de ellos están localizados en la parte final anterior o cerca de la cabeza. En los artrópodos (tales como los insectos o los crustáceos), los inverte brados en los que m ás intensam ente se h a estudiado la olfacción, los órganos olfativos prim arios están generalm ente localizados en las antenas o anténulas. Las antenas están cubiertas de cientos de proyeccio nes de la cutícula a m odo de pelo denom inados se n silio s (Figura 7.9). Los sensilios son órganos sen-
C A P ÍTU LO 7
las neuronas sensoriales
F ig u ra 7.9.
E s tru c tu ra de un s e n s ilio q u im io s e n s o ria l.
Los sensilios de los insectos son órganos sensoriales com ple jo s que contienen neuronas sensoriales tanto quim lorreceptoras com o m ecanorreceptoras. Los sensilios están im plicado s en la olfacción, la detección de ferom onas, la gus tación y los sentidos del tacto y el oído de los insectos.
soriales complejos que tienen gran cantidad de for m as y funciones, incluyendo tanto la transducción m ecanosensorial como la quimiosensorial. Los sensi lios olfativos contienen neuronas receptoras olfativas. Como en los vertebrados, estas neuronas expresan proteínas receptoras olfativas. Los m ecanism os p a ra la transducción de la señal activados p a ra los p ro teín as receptoras olfativas se h an estudiado en solam ente u n as pocas especies de invertebrados, pero p o r lo general utilizan AMPc como segundo m ensajero, como en el caso de los v erteb rad o s. De la m ism a m an era, las proteínas de unión a las partículas odoríferas y los receptores olfativos acoplados a pro teínas G h a n sido detecta dos en cad a u n a de las especies de invertebrados estudiados h asta ah o ra. Sin em bargo, los receptores olfativos de los inverteb rados tienen m uy poco en com ún con la secuencia de los receptores olfativos de los m am íferos, p o r lo que se supone que h a n de rivado in d ependientem ente de los receptores aco plados a pro teín a G que se encuentran en los an tep asad o s com unes de todos los anim ales. In
Sistem as sensoriales 273
cluso, dentro de los invertebrados, los receptores olfativos tienen poca sim ilitud entre grupos. Por ejem plo, los receptores olfativos de m elanogaster (mosca de la fruta) en Drosophila son m uy diferentes a los que se en cu en tran en Caenorhabditis elegans (un nem atodo). Aunque la codificación del olor no ha sido aún descifrada p a ra ningún invertebrado, los m ecanis m os del procesam iento de la señal difieren entre los grupos de invertebrados. En la Drosophila, como en los vertebrados, cada neurona olfativa expresa un único receptor olfativo, y probablem ente las neuro nas olfativas codifican la inform ación com binatoria m ente. C ontrariam ente, en C. elegans, cada neurona olfativa expresa m uchos receptores olfativos, y, por lo tanto, el “código olfativo” no puede ser un sistem a com binatorio sencillo, como el que se encuentra en los m am íferos. La m ayoría de los grupos de invertebrados p ro ducen y detectan ferom onas. Se piensa que los inver tebrados acuáticos utilizan esencialm ente el mismo sistem a p a ra detectar los olores y las ferom onas, pero en los invertebrados terrestre s como en los insectos estos sistem as están separados. Los insectos tienen sensilios en sus antenas especializadas sensi bles a las ferom onas, que son sim ilares desde el punto de vista estructural a las que detectan olores, pero su núm ero y distribución son diferentes si se tra ta de m achos o hem bras. Las neuronas sensoria les de estos sensilios son excepcionalm ente sensibles y m uy selectivas. De hecho, los sensilios sensibles a ferom onas de la m ariposa de seda B om byx mori pue den llegar a detectar un única m olécula de la ferom ona bombykol.
El sistema gustativo C ontrariam ente al sistem a olfativo, el sistem a gusta tivo (o el sentido del gusto) no es capaz de discrim i n a r entre los miles de m oléculas diferentes. En lugar de eso, y al m enos en los hum anos, los gustos pueden agruparse en estos cinco grupos: salado, dulce, am argo, ácido y um am i. El um am i es un a p alabra acuñada po r el científico japonés de las palabras um ai (delicioso) y m i (esencia) y se corresponde con u n a sensación sabrosa o sustanciosa. Los sabores dulce, um am i y salado son indicativos de carbohidra tos, proteínas e iones desde el punto de vista nutricional im portantes, m ientras los sabores ácido y am argo reflejan generalm ente sustancias potencial m ente tóxicas.
274 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Los botones gustativos son los receptores gustativos en vertebrados En los v ertebrados terrestres, las células receptoras p a ra el gusto se encuentran en la lengua, en el p ala d a r blando, la laringe y el esófago y están organiza das en grupos conocidos como b oton es gu stativos (Figura 7.10). En los vertebrados acuáticos, los boto n es gustativos pueden tam b ién localizarse en la superficie externa del cuerpo. Por ejemplo, m uchos peces tienen botones gustativos en la barbilla (pro yecciones a m odo de bigote que salen de la p arte baja de la m andíbula). El petirrojo de m ar tiene botones gustativos h asta en la p u n ta de sus aletas, lo que es útil ya que estos peces utilizan sus aletas p a ra probar la com ida en el barro . Aunque la form a, tam año y distribución de los botones gustativos varían entre las especies de vertebrados, todos los botones gusta tivos com parten algunos rasgos com unes. Los boto n es gustativos tien en estru ctu ras en form a de cebolla que contienen m uchas células receptoras p a ra el gusto (en los hum anos cada botón contiene entre 50 y 100 células recep to ras p a ra el gusto), con un poro que se ab re fuera de la superficie del cuerpo. Los agentes químicos disueltos de la com ida, denom ina-
Célula epitelial
Fig u ra 7 .10.
Neuronas aferentes primarias
Célula de sostén
E s tru c tu ra de un botó n g u s ta tiv o
de v e rte b ra d o .
Un botón gustativo consiste en un poro que contiene células receptoras sensoriales y células de sostén. La superficie apical de las células del receptor está cubierta con m icrovellosidades que proyectan en un poro abierto hacia la superficie del cuer po. Las proteínas receptoras en estas m icrovellosidades de tectan los gustantes disueltos en la saliva u otros fluidos.
dos gustantes, en tran a través de este poro y contac ta n con la célula receptora p ara el gusto. La superfi cie apical de la célula del gusto está plegada en m uchas m icrovellosidades, que contienen los recep tores y los canales iónicos que m edian la transduc ción de la señal p a ra el gusto.
Los receptores de gusto de los vertebrados utilizan diversas señales como mecanismo de transducción La Figura 7.11 resum e los m ecanism os de la tra n s ducción de la señal que utilizan las proteínas recep toras de gusto p ara los sabores salado, ácido, dulce/um am i y am argo, respectivam ente. Los sabo res salados son transm itidos po r el N a+ en la comida, m ientras que los sabores ácidos son transm itidos por los iones H+. Los azúcares y las m oléculas orgánicas relacionadas transm iten los sabores dulces, m ientras que los am inoácidos y las m oléculas relacionadas transm iten la sensación um am i. Por el contrario, un amplio rango de m oléculas orgánicas puede tran sfe rir el sabor am argo, que incluye com puestos como la cafeína, la nicotina y la qiúnina. La proteína receptora p ara las sustancias saladas no es realm ente un receptor, y sí un canal de Na+ (Figura 7.11a). Estos canales de Na+ son tam bién p er m eables a los H+, por lo que pueden desem peñar un papel im portante en la percepción de los sabores am argos. Debido a que los iones Na+ y los H+ compiten por el canal, estos canales son probablem ente im por tantes p ara la percepción del “am argo” solamente en especies con niveles de Na+ en la saliva relativam ente bajos. Por consiguiente, los hám sters, que tienen poco Na+ en la saliva, utilizan estos canales p ara detectar el sabor amargo, m ientras que los hum anos y las ratas, que tiene cantidades de Na+ relativam ente altas, sabo rean el am argo a través de otros mecanismos. Se h an propuesto diferentes m ecanism os de transducción del sabor am argo dependiendo de las especies investigadas. La Figura 7.11b resum e uno de estos m ecanism os posibles, que fue descrito la pri m era vez p a ra las células receptoras del gusto de las salam andras. Estos receptores gustativos detectan el sabor am argo a través de un canal de K+ localizado apicalm ente y que se bloquea directam ente por H+. El bloqueo de estos canales de K+ conduce a la despola rización de las células del gusto, produciendo final m ente la liberación del neurotransm isor. En las ranas, sin em bargo, las células del gusto contienen canales de Ca2+ dependientes de H+ y transportado res de H+ que se cree que están implicados en la
C A P ÍTU LO 7
Los iones H+ de la comida salada bloquean los canales de K+
1) El Na+ de la comida salada entra a través de líos canales de Na+.
( 2) Este bloqueo previene la j salida del K+ de la célula.
( 2) La despolarización resultante abre los canales de Ca2+ dependientes de voltaje.
( 3) La despolarización resultante abre los canales de Ca2+ dependientes del voltaje.
.3) La entrada de Ca2+ provoca la liberación del neurotransmisor.
t (a) Salado
■j) Una sustancia dulce se J une a su receptor provocando un cambio conformacional.
T
2) La proteína G activada, gusductina, activa la adenilato ciclasa.
T
.3) La adenilato ciclasa cataliza la conversión del ATP en AMPc.
( 3) La PLC cataliza la conversión de PIP2 en el segundo mensajero IP*.
Una sustancia amarga se une a su receptor y produce un cambio de conformación. La proteínaG activada, transductina, activa la fosfolipasa C.
( 4) El AMPc activa una proteína kinasa que fosforila y cierra los canales de K+.
Canal de dependiente del voltaje Ca2+
<3 ¡;
receptora para el gusto Neurona aferente primaria (c) Dulce
La entrada de Ca2+ provoca la liberación del neurotransmisor.
(b) Acido
Gusductina Molécula I , Adenilato dulce / / ciclasa
Fig u ra 7.11.
Sistem as sensoriales 275
EIIP3 provoca la libera ción de Ca2+ desde los depósitos intracelulares.
T
La entrada de Ca2+ provoca la liberación del neurotransmisor.
( 5) La despolarización resultante abre los canales de Ca2+ dependientes de voltaje.
T
La entrada de Ca2+ provoca la liberación del neurotransmisor. (d) Amargo
S e ñ a l de tr a n s d u c c ió n en la c é lu la re c e p to ra d e l gusto.
(a) Señal de transducción para las sustancias saladas, (b) Señal de transducción para las señales ácidas. (c) Señal de transducción para las sustancias dulces o um am i. (d) Señal de transducción para las señales amargas.
276 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
detección del sabor am argo, aunque las proteínas im plicadas específicas no se h a n secuenciado todavía. Estudios m oleculares recientes en los m am íferos han sugerido que los canales iónicos sensibles al ácido (ASIC) pueden ser im portantes en la detección del sabor am argo. Parece que estos canales son canales de Na+ que se ab ren en respuesta a cam bios de pH. La ru ta de transducción de la señal p a ra los receptores del sabor dulce se resum e en la Figu r a 7.11c. Las sustancias dulces como los azúcares se u n en a receptores acoplados a proteínas G en la superficie apical de la célula, y se activa la proteína G gusductina, que envía la señal a través de la vía de transducción de la señal m ediada por la adenilato ciclasa. Los receptores p a ra el “sabor dulce”h an sido recientem ente identificados en los ratones. Estos receptores son sensibles a m uchos tipos de sustan cias dulces, que incluyen m onosacáridos, polisacári dos, edulcorantes fuertes y algunos am inoácidos. Esto sugiere que los receptores p ara el sabor dulce son receptores de amplio espectro que no diferencian entre sustancias dulces alternativas. Algunas sustan cias dulces (particularm ente edulcorantes artificiales fuertes como la sacarina) pueden activarse a través de la cascada de transducción de la señal m ediada por IP3, que provoca el cierre de los canales de K+ y la despolarización de la célula receptora. El sabor um am i, que se produce po r el L-glutam ato y otros am inoácidos presentes en las comidas, así como p o r el aditivo MSG, puede ser detectado por dos clases diferentes de receptores: un tipo que es sim ilar a los receptores que detectan el sabor dulce y el otro que es sim ilar a los receptores de glutam ato que se encuentran en el cerebro. Cuando el glutam ato se une a este receptor de glutam ato modificado, el receptor experim enta u n cambio en la conformación, activándose u n a proteína G asociada. La proteína G activa, entonces, una fosfodiesterasa que degrada el AMPc en AMP. Parece que la dism inución de AMPc dispara la liberación de neurotransm isor, aunque las ru tas precisas no h an sido todavía identificadas. Los receptores p a ra el sab or am argo parecen ser m ucho m ás complejos y específicos que los recepto res p a ra el sab o r dulce. Los hum anos tienen al m enos 25 genes que codifican p a ra los receptores del sabor am argo, y cada célula que es sensible al “sabor am argo" expresa m uchos de estos genes. El m odo en que este m odelo de expresión complejo se traduce en la percepción del sabor am argo es todavía descono cido, aunque los m ecanism os de transducción de la señal dentro de los receptores p ara el sabor am argo h a n sido determ inados (Figura 7.l i d ) .
La codificación es diferente entre los sistemas olfativo y gustativo Hay u n a controversia considerable entre los neurobiólogos sensoriales sobre cómo la percepción del gusto se codifica en el cerebro. Las proteínas recep toras p a ra el gusto actúan a través de m uchos m eca nism os de transducción de la señal, de m an era distinta a las proteínas receptoras p a ra el olor, que están siem pre acopladas a proteínas G. Cada célula receptora p a ra el gusto expresa m ás de u n a clase de proteínas receptoras del gusto, de m an era distinta a como lo hacen las neuronas olfativas, donde cada u n a expresa solam ente u n a única proteína receptora olfativa. De m an era distinta a los receptores olfati vos, que son neuronas sensoriales bipolares, los receptores p a ra el gusto son células epiteliales que liberan el neurotransm isor en la neurona aferente prim aria, y u n a única neu ro n a gustativa puede hacer sinapsis con m ás de un a célula receptora p a ra el gusto, lo que sugiere que la codificación de la infor m ación gustativa puede ser m uy compleja. Por lo tanto, es im probable que la codificación en el sistem a gustativo opere a través de un m ecanism o en el que la neurona sea responsable de una única sensación gustativa. En cambio, es probable que cada sabor se codifique po r un modelo complejo de actividad de m uchas neuronas, po r lo que el código de codifica ción p ara los gustantes puede ser bastante diferente del código de percepción p a ra los olores. Sin em bargo, y a p esar de que la olfacción y la gustación son muy diferentes desde u n a perspectiva fisiológica, éstas están íntim am ente relacionadas, y la percep ción del gusto de u n a sustancia depende de nuestro sentido del olfato.
La recepción gustativa es diferente entre vertebrados e invertebrados Los receptores del gusto de los artrópodos están loca lizados en los sensilios que son estructuralm ente sim ilares a los sensilios olfativos. Los sensilios gusta tivos se encuentran en m uchas p artes del cuerpo del insecto, que incluyen la p arte externa de la probós cide o boca, las partes in tern as de la boca (faringe) a lo largo del m argen del ala, en la p arte final de las patas y en la vagina de las hem bras. Los artrópodos, como los vertebrados, pueden diferenciar entre los gustantes prim arios, pero los m ecanism os que subyacen en la percepción del gusto son bastante dife rentes de aquellos que se dan p a ra los vertebrados. Las células receptoras p a ra el gusto de los artrópo
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dos son n eu ro n as sensoriales bipolares, sim ilares a las n eu ro n as im plicadas en la olfacción en los verte brad o s y diferentes a las epiteliales que hacen sinap sis con la n eu ro n a sensorial en el proceso de gustación de los vertebrados. En los insectos, los receptores gustativos pertenecen a la superfam ilia de los receptores acoplados a proteína G, de m odo simi lar a los receptores olfativos de los vertebrados. En el genom a de Drosophila hay aproxim adam ente 60 m iem bros de la fam ilia génica p a ra el receptor gusta tivo, lo que sugiere u n a complejidad funcional sus tancial. En Drosophila cada neurona gustativa p arece expresar solam ente u n a proteína receptora, situación bastan te distinta a la que se da en m am ífe ros, donde cada célula receptora gustativa expresa m uchas proteínas recep to ras distintas. Estos datos sugieren que, al m enos en Drosophila, la codificación p a ra el gusto puede ser p or com binatoria, de modo sim ilar a la codificación que se da p ara el olfato en m am íferos. Los m ecanism os p a ra la gustación son clara m ente diferentes entre insectos y vertebrados y difie ren tam bién entre invertebrados. Por ejemplo, en los nem atodos (el otro único invertebrado en el que las bases m oleculares p a ra la gustación h an sido estu diadas con m ás detalle), se expresan m uchas proteí n as recep to ras en cada neurona, igual que p ara los m am íferos, y diferente a los m ecanism os que se dan p a ra los insectos. Las diferencias existentes p a ra los m ecanism os de la gustación en los vertebrados y entre los invertebrados sugieren que los órganos gustativos h a n evolucionado independientem ente m uchas veces.
I M e c a n o rre c e p c ió n Los m ecanorreceptores son células u órganos especia lizados que pueden transform ar los estímulos m ecáni cos, como cambios de presión, en señales eléctricas que después pueden ser in terpretadas por el resto del sistem a nervioso. Todos los organism os, y probable m ente todas las células, tienen capacidad p ara sentir y responder a los estímulos m ecánicos. La m ecanorre cepción es im portante p ara el control del volumen celular, y p a ra los sentidos del tacto, oído y equilibrio, y tam bién desem peña un papel muy im portante en la regulación de la presión sanguínea en los vertebrados. La m ayoría de las células m ecanorreceptoras son pequeñas y m uy am pliam ente distribuidas, lo que convierte en un reto la utilización de técnicas bioquí
Sistem as sensoriales 277
m icas tradicionales p ara aislar las proteínas destina das a la transducción mecanosensorial. Por lo tanto, y a p esar de las décadas de investigación, los m ecanis m os po r los que un m ecanorreceptor convierte un estímulo m ecánico en un estímulo eléctrico se están dilucidando en estos mom entos. Los estudios genéticos en Drosophila y en C.elegans h a n dem ostrado que hay dos tipos principales de proteínas m ecanorreceptoras: ENaC (canales epi teliales de sodio) y TRP (receptor potencial tran sito rio) (Figura 7.12). Aunque estos canales fueron identificados prim ero en invertebrados, h a n sido ais lados recientem ente de las orejas y piel de los verte brados, lo que sugiere que desem peñan un papel m uy im portante en todas las form as de m ecan o rre cepción. Tanto la proteína m ecanorreceptora ENaC como la TRP están ancladas al citoesqueleto y a las p roteínas de la m atriz extraceluiar. Estím ulos m ecá nicos como el tacto y la presión m ueven las proteínas de anclaje extracelulares, em pujando al canal iónico y provocando un cambio conform acional que altera el movim iento iónico a través de la m em brana, cam biando el potencial de m em b ran a de la célula.
Receptores de tacto y presión Los m ecanorreceptores que detectan tacto y presión pueden agruparse en tres clases. Los b arorrecep tore s son interorreceptores que detectan cam bios de presión en las p aredes de los vasos sanguíneos, en zonas determ inadas del corazón y en los tractos digestivo, reproductor y urinario de los vertebrados. E studiarem os los b arorreceptores en el Capítulo 9. Los rece p to res tá ctiles son exterorreceptores que detectan tacto, presión y vibración en la superficie del cuerpo. Tanto los vertebrados como los inverte brados tienen receptores táctiles, aunque su estruc tu ra y función varía sustancialm ente entre estos grupos. Los p rop iocep tores m onitorizan la posición del cuerpo y se encuentran tanto en los vertebrados como en los invertebrados, aunque, como ocurre con los receptores táctiles, su estructura v aría enorm e m ente entre estos grupos.
Los insectos tienen dos tipos de mecanorreceptores Los dos tipos de m ecanorreceptores de los insectos, Tipo I y Tipo II, difieren en cuatro aspectos principa les (Tabla 7.1). Prim eram ente, difieren en la estruc tu ra celular. Las células m ecanorreceptoras Tipo I son
278 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
mecanosensorial (a) Canales ENaC en los receptores de tacto de C. elegans
(b) Canales de TRP en los receptores de tacto de Drosophila
Figura 7.12.
Complejos de proteína mecanosensoriales.
(a) Los receptores de tacto de C. elegans contienen neuronas m ecanosensoriales con canales tip o ENaC en sus m em branas, (b) Los receptores de tacto de D roso p h ila contienen neuronas m ecanosensoriales con canales de tip o TRP en sus m em branas. En am bos casos, los estím ulos m ecánicos hacen que la sujeción ex trace lular se m ueva hacia el citoesqueleto, em pujando el canal y produciendo un cam bio conform acional que abre o cierra el canal, alterando el potencial de m em brana de la célula.
neuronas bipolares ciliadas, m ientras que los m eca norreceptores Tipo II son neuronas m ultipolares no ciliadas. En segundo lugar, se encuentran en diferen tes p artes del cuerpo. Los m ecanorreceptores Tipo I están siem pre conectados o a la superficie externa o a Tabla 7 .1 .
la superficie interna de la cutícula, m ientras que los receptores Tipo II generalm ente se localizan in tern a m ente. En tercer lugar, estas células m ecanorreceptoras difieren en sus funciones. Tanto los receptores Tipo I como los Tipo II están implicados en la propiocepción; adem ás, los recep tores Tipo I están implicados en los sentidos del tacto y el oído, m ientras los m ecanorreceptores Tipo II funcio n an como receptores de estiram iento. En cuarto lugar, sabem os ahora que estos m ecanorreceptores utilizan diferentes canales iónicos p a ra la transducción de la señal m ecanosen sorial. Los m ecanorreceptores Tipo I expresan los canales TRP, m ientras que los m ecanorreceptores Tipo II expresan los canales ENaC. Por último, los m ecanorreceptores Tipo II son generalm ente neuronas sensoria les aisladas, asociadas a veces con estructuras accesorias tales como u n a hebra de tejido conectivo o una porción de tejido conjuntivo y m ús culo. Contrariam ente, los m ecanorre ceptores Tipo I están norm alm ente ubicados en órganos m ás complejos m ecanosensoriales. Como los m eca norreceptores Tipo I form an p arte de órganos m ecanosensoriales comple jos, se tra ta rá n con m ás detalles en la sección siguiente.
Los mecanorreceptores Tipo I de los insectos se encuentran en los sensilios y órganos cordotonales
Las funciones de los m ecanorreceptores Tipo I varían dependiendo de si están asociados con la parte in tern a o externa de la cutícula. Aquellos asociados
D ife re n c ia e n tre las c é lu la s m e c a n o rre c e p to ra s U p o I y T ip o II d e los in se c to s .
Tipo
Células Tipo I
Células Tipo I I
Estructura celular
Neuronas bipolares ciliadas
N euronas multipolares no ciliadas
Localización
Asociadas con cutícula
Asociado con músculo o tejido conjuntivo
Canal iónico m ecanosensorial
TRP
ENaC
Función
Propiocepción; tacto; oído
Receptores de estiramiento; propiocepción
CAPÍTULO 7
con la superficie externa de la cutícula de los insectos se en cu en tran en los sensilios. Los dos tipos m ás com unes de sensilios son los tricoides (en form a de pelo) y los cam paniform es (con form a de timbre) (Figura 7.13). Los sensilios tricoides pueden funcio n a r p ara la olfacción, el gusto y la m ecanorrecepción. Cuando el pelo se dobla dentro de la envoltura de un sensilio tricoide (como resultado de tocarlo o de la vibración), las estru ctu ras asociadas transfieren el movim iento al extrem o de la neurona sensorial bipo lar. El m ovim iento ab re canales iónicos TRP sensi bles al estiram iento en la m em brana de la neurona m ecanorreceptora, cam biando el potencial de m em b ran a. Los sensilios cam paniform es se parecen a los sensilios tricoides, con la excepción de que carecen del vástago y en su lugar están cubiertos de u n a sec ción de cutícula fina con form a de cam pana. Se en cu en tran generalm ente por grupos, especialm ente en las uniones de las extrem idades o cerca de ellas, y
Sistemas sensoriales 279
detectan la deform ación de la cutícula cuando el insecto se mueve. Por tanto, los sensilios cam panifor m es funcionan en la propiocepción. Los m ecanorreceptores Tipo I que están asociados con la superficie interna de la cutícula del insecto están organizados en unidades funcionales denom inadas escolopidias (Figura 7.14), que consisten en u n a n eu rona sensorial bipolar especializada y u n a célula acce soria compleja (el escolopalo) que rodea la neurona sensorial ciliada en un extremo. Esta estructura está unida a la superficie externa del insecto (la cutícula) a través de un ligamento o célula de unión. Estos mecanorreceptores pueden existir como células aisladas o pueden agruparse p ara form ar órganos complejos denom inados órganos cordotonales. La m ayoría de los órganos cordotonales funcionan en la propiocepción,
Cutícula Estructura accesoria Dendrita de !a neurona sensorial
Célula de unión (célula en cápsula)
Neurona sensorial bipolar Cilicio dendrítico Célula escolopalo
(a) Sensilio tricoide Proyección en forma de campana
Dendrita de la neurona sensorial
' Estructura accesoria Cutícula
Célula recubierta - Dendrita de la neurona sensorial
Cuerpo celular de la neurona sensorial
■Neurona sensorial bipolar
Axón de la neurona sensorial (b) Sensilio campaniforme Fig u ra 7.13.
Célula de Schwann
V a r ia c ió n en la e s tru c tu ra de los s e n s ilio s
de los in s e c to s .
Fig u ra 7 .14.
(a) Un sensilio trico id e está asociado con una proyección a m odo de pelo de la cutícula, (b) Un sensilio cam paniform e
Los escolopidios están asociados con la superficie interna de la cutícula. La neurona sensorial bipola r del escolopidio está rodeada por células recubiertas y por células escolopalos. La célula de unión (o cápsula) une el com ple jo a la cutícula.
está asociado con una proyección en fo rm a de cúpula de la cutícula.
E s tru c tu ra d e l e s c o lo p id io de un in s e c to .
280 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
pero algunos insectos tienen órganos cordotonales modificados denom inados órganos tim pánicos que pueden detectar sonidos, y, por lo tanto, funcionar como “oídos”. El órgano timpánico consiste en una región muy fina de cutícula denom inada tím pano (o la m em brana que detecta el sonido), localizado sobre un espacio de aire que contiene escolopidias. Las ondas de sonido hacen que el tím pano fino vibre, y el escolopidio dentro del órgano detecta estas vibraciones. Los órganos tim pánicos se encuentran en m uchas localiza ciones del cuerpo del insecto, que incluyen las piernas, el abdom en, el tórax y la base del ala. Hay im a gran variedad entre las especies; algunas especies tienen “oídos” en varias localizaciones y otras carecen de ellos, lo que sugiere que los órganos tim pánicos pue den haber evolucionado independientem ente m uchas veces desde u n m ecanorreceptor ancestral que no estaba especializado en sonido.
Los receptores táctiles de vertebrados se encuentran ampliamente distribuidos Los receptores táctiles de vertebrados no están agru pados dentro de órganos m ecanosensoriales comple jos; en lugar de ello, son células sensoriales aisladas (Figura 7.15). Algunos de estos receptores son simple m ente term inaciones nerviosas libres que están inter caladas entre las células epidérm icas de la piel. Los discos de Merkel son term inaciones nerviosas libres asociadas con u n a célula epidérm ica engrosada lla m ada célula de Merkel. Estos receptores tienen un campo receptivo pequeño y son utilizados p a ra la dis crim inación táctil fina. Tanto las term inaciones n e r viosas libres como los discos de Merkel son receptores tónicos de adaptación lenta que son sobre todo sensi bles a las m uescas sobre la piel, y por lo tanto son im portantes p a ra detectar el tacto suave y la presión sobre la superficie de la piel. Las term inaciones n e r viosas del plexo de la raíz del pelo, que se encuentran alrededor de la base de los folículos del pelo, m onitorizan movimientos sobre la superficie corporal. Cuando u n pelo se m ueve, el movimiento del folículo del pelo hace que las term inaciones nerviosas sensibles al esti ram iento estim ulen las proteínas m ecanorreceptoras de la m em brana dendrítica. Estos receptores son receptores fásicos de adaptación rápida y son muy sensibles a los cam bios en movimiento. Por ejemplo, a m enudo se siente u n insecto que está trepando sobre la superficie de la piel, pero puede que no se detecte u n insecto que no se esté moviendo. Los corpúsculos de R uffini están localizados en el tejido conectivo de la piel y están asociados con
Terminaciones
Plexo de la raíz del pelo F ig u ra 7.15.
Discos
__ ____ Corpúsculo de Ruffini R e c e p to re s de ta c to y p re s ió n en la
s u p e r fic ie de la p ie l.
Los m ecanorreceptores de la piel pueden s erte rm ina cione s nerviosas libres o neuronas sensoriales asociadas con estruc tura s accesorias com plejas.
fibras de colágeno. Son sensibles al estiram iento de la piel y están im plicados en la propiocepción. Los corpúsculos de Pacini se localizan profundam ente en la piel, en los m úsculos, en las zonas de unión y en los órganos internos. A casi un m ilímetro de longitud pueden ser visibles a simple vista en secciones de la piel, y un a m ano hum ana norm al contiene al m enos 400 de estos receptores. Los corpúsculos de Pacini tienen u n a dendrita sensorial rodeada de h asta 70 capas de tejido conjuntivo con gel viscoso entre ellas. Cuando algo presiona sobre el corpúsculo, las capas de tejido conjuntivo cam bian la form a, cam biando a su vez la form a de la dendrita sensorial e iniciando u n cambio en el potencial de m em brana. Con el tiem po (aun en presencia de la presión continua), el gel viscoso vuelve a su posición original, haciendo que el potencial de m em brana recupere su valor de reposo. Como resultado, la sensación de presión des aparece aunque la superficie de la piel siga siendo presionada. Cuando la presión se elimina, las capas de tejido conectivo vuelven a su form a norm al, em pujando la term inación nerviosa, lo que produce un nuevo cambio en el potencial de m em brana, y con ello un nuevo estímulo. El gel viscoso vuelve entonces
C A P ÍTU LO 7
a su posición norm al, devolviendo al corpúsculo a la condición inicial y llevando al potencial de m em b ra n a a su valor de reposo.
Los propioceptores de los vertebrados monitorizan la posición del cuerpo Como los órganos cordotonales de los insectos, los propioceptores de los vertebrados m onitorizan la posición del cuerpo. Hay tres grupos principales de propioceptores de vertebrados: 1. H usos m usculares: se hallan en la superficie de los m úsculos esqueléticos. M onitorizan la longi tud del músculo. Cada huso m uscular consiste en fibras m usculares m odificadas denom inadas fibras intrafusales envueltas en un a cápsula de tejido conjuntivo. 2. Órganos tendinosos de Golgi: están situados en la unión entre el m úsculo esquelético y el tendón. Estos receptores se estim ulan ante cam bios en la tensión del tendón. 3. R eceptores de unión encapsulados: están locali zados en las cápsulas que envuelven las uniones. Hay m uchos tipos de receptores en esta catego ría, que incluyen los receptores sim ilares a las term inaciones nerviosas libres, los corpúsculos de Pacini y los órganos tendinosos de Golgi. Estos receptores detectan presión, tensión y movi m iento de la unión. Los propioceptores, generalm ente, no se adaptan al estímulo, por lo que constantem ente m andan infor m ación al sistem a nervioso central sobre la posición del cuerpo. O tra clase de receptores de adaptación m ás ráp id a se ocupa de la detección del movimiento y aporta la sensación de kinestesia.
Equilibrio y oído A dem ás de la detección del tacto, la presión y la loca lización de las extrem idades, los m ecanorreceptores están im plicados en los sentidos del equilibrio y oído. El sentido del equilibrio, algunas veces denom inado el sentido del balance en los hum anos, implica la detección de la posición del cuerpo en relación a la fuerza de la gravedad. El sentido del oído implica la detección e interpretación de las ondas del sonido. En los vertebrados, el oído es el órgano responsable de tanto el equilibrio como el oído. En los in vertebra dos, sin em bargo, los órganos del equilibrio son com pletam ente diferentes a los órganos del oído como los
Sistem as sensoriales 281
órganos del oído o los oídos de los insectos que ya hem os tratado.
Los estatocistos son el órgano de equilibrio de los invertebrados Muchos invertebrados tienen órganos denom inados estatocistos que utilizan p a ra detectar la orientación de sus cuerpos con respecto a la gravedad (Figu r a 7.16). Los esta to cisto s son cavidades huecas lle n as de líquido que están alineados con las neuronas m ecanosensoriales y que contienen partículas den sas de carbonato cálcico denom inadas estatolitos. Cuando la orientación del anim al cam bia, el estatolito se m ueve a través de la vaina de m ecanorre ceptores. Este m ovim iento estim ula las células m ecanorreceptivas que envían u n a señal al sistem a nervioso. Esta señal da u n a pista sobre la posición del cuerpo respecto a la gravedad. La m ayoría de los invertebrados m arinos tiene estatocistos relativa m ente sencillos (como se m u estra en la Figu r a 7.16a), pero los m oluscos cefalópodos, como el pulpo, tiene un sistem a de estatocisto particular m ente complicado (Figura 7.16b). Un pulpo tiene dos estatocistos, uno a cada lado de la cabeza. Cada esta tocisto está com puesto de un a estructura en form a de globo denom inada m ácula y tres crestas, cada una orientada en un plano diferente. La cresta detecta aceleración angular, el giro del cuerpo, m ientras que la m ácula detecta aceleración lineal, o el grado de movim iento hacia delante. Este sistem a es análogo a los órganos del equilibrio de los vertebrados.
Los órganos de vertebrados del equilibrio y la audición tienen células ciliadas Los órganos de los vertebrados que están implicados en los sentidos del oído y del equilibrio contienen m uchas células m ecanosensoriales y estructuras aso ciadas. C ontrariam ente a lo que hem os expuesto h asta ahora, en estos órganos las células m ecanorre ceptoras no son neu ro n as sensoriales y sí contienen células epiteliales m odificadas que hacen sinapsis con neuronas u n a n eu ro n a sensorial. E stas células receptoras sensoriales m uy especializadas tienen estructuras extracelulares asociadas con ellas y se denom inan célu la s ciliad as ya que tienen cilios pro m inentes que se extienden desde el extrem o apical de cada célula (Figura 7.17). La m ayoría de las células ciliadas de los vertebra dos tienen un único cilio largo denom inado kinocilio, y m uchas proyecciones m ás cortas llam adas esteroci-
282 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Estatolitos
Neuronas sensoriales ciliadas
(a) Estatocisto de langosta Fig u ra 7.16.
(b) Estatocisto de pulpo
Ó rg an o s de e q u ilib r io p a ra los in v e rte b ra d o s .
Los estatocistos contienen neuronas sensoriales ciliadas y estatolitos calcificados. Cuando un estím ulo m ecánico com o un cam bio en la orientación del cuerpo perturba a los estatolitos, su m o v im ie n to estim ula las proteínas receptoras en los cilios de las neuronas sensoriales, despolarizando la célula, (a) La m ayoría de los invertebrados tienen estatocistos sim ples, (b) Los m oluscos cefalópodos tienen estatocistos com ple jos que consisten en tres crestas, orientadas en diferentes planos, con un saco den om ina do la mácula en la base. Las crestas detectan aceleración angular, m ientras la mácula detecta aceleración hacia adelante, apo r tando al cefalópodo in form ación detallada de la posición y el m o v im ie n to del cuerpo.
lios, aunque la m ayoría de las células ciliadas en los oídos de los mamíferos adultos carecen de kinocilio. Los invertebrados tienen tam bién m ecanorreceptores que son similares a las células ciliadas, pero estas célula pueden contener entre 1 y 700 kinocilios. El kinocilio de una célula ciliada de vertebrado es un ver dadero cilio con una organización de 9 + 2 m icrotúbu los (véase el Capítulo 6), aunque no es móvil. Los esterocilios, sin embargo, son realm ente microvilli que contienen moléculas de actina polimerizadas. Los este rocilios y kinocilios se organizan en un haz estrecho, con el esterocilio m ás corto situado lo m ás lejos del kinocilio en el haz y con el esterocilio haciéndose m ás corto a m edida que se acerca al kinocilio. Los esteroci lios están conectados entre sí y los kinocilios por una serie de pequeñas fibras denom inadas uniones en punta, y, por tanto, actúan como una única unidad. F ig u ra 7.17.
E s tru c tu ra de una c é lu la c ilia d a de v e rte b ra d o .
Las células ciliadas de vertebrados (excepto las de los oídos de los m a m íferos adultos) tienen un kin ocilio largo y m uchos esterocilios co r tos. El kinocilio y los esterocilios están conectados entre sí a través de uniones en punta.
Neurona aferente
C A P ÍTU LO 7
U na célula ciliada detecta el m ovim iento, como las on das del sonido u o tras vibraciones, utilizando el haz de esterocilios. En reposo, el 15% de los ca n a
Sistem as sensoriales 283
les iónicos de las células ciliadas están abiertos, produciendo un potencial de m em b ran a en reposo de aproxim adam ente - 6 0 mV (Figura 7.18). El
Canales catión icos mecánicamente activados (TRP)
-v u -v -v -v -v Tiempo (ms)
Tiempo (ms)
(a) En el reposo (parcialmente despolarizado) (b) Despolarizado Fig u ra 7.18.
Tiempo (ms) (c) Hiperpolarizado
T r a n s d u c c ió n de la s e ñ a l en una c é lu la c ilia d a de v e rte b ra d o .
(a) En reposo, la célula está parcialm ente despolarizada, (b) La señal de presión hace que los esterocilios se doblen hacia el kino-
cilio, y que los canales TRP m ecánicam ente activados de los esterocilios se abran, haciendo que el K+ entre a la célula. La despo larización resultante abre canales de Ca2+ dependientes de voltaje, haciendo que el Ca2+ entre en la célula. La entrada de Ca2+ produce la liberación del neu rotransm isor hacia la neurona aferente prim aria, aum entando la frecuencia de los potenciales de ac ción. (c) Cuando la presión hace que los esterocilios se doblen hacia el lado contrario del k in ocilio los canales TRP de K+ m ecáni cam ente activados en los esterocilios se cierran, hiperpolarizando la célula y cerrando los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. La reducción resultante en el Ca2+ in tracelular dism inuye la liberación del neu rotransm isor en la neurona aferente prim a ria, reduciendo la frecuencia de los potenciales de acción.
284 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
m ovim iento h ace que el h az de cilios se doble ligera m ente. Si el m ovim iento es hacia el kinocilio (o el esterocilio m ás largo en las células ciliadas del oído del m am ífero), entonces la célula ciliada se despola riz a rá alred ed o r de 20 mV, aum entando la lib era ción del n eu ro tran sm iso r y la frecuencia de los potenciales de acción en la n eu ro n a sensorial aso ciada. Si el m ovim iento es en la o tra dirección, la célula ciliada se h ip erp o larizará alrededor de 5 mV, dim inuyendo la liberación de n eu ro tran sm iso r y la frecuencia de los potenciales de acción en la n e u ro n a sensorial. Es im p o rtan te d estacar que estas n eu ro n as sensoriales d isp a ran potenciales de acción todo el tiem po; la liberación del n e u ro tra n s m isor desde la célula ciliada sim plem ente aum enta o dism inuye la frecuencia de los potenciales de acción dependiendo de la dirección en la que los esterocilios se m uevan. Por lo tanto, las células cilia das p u ed en d etectar no solam ente m ovim iento, sino la dirección de ese m ovim iento. El cam bio en el potencial de m em b ran a de la célula ciliada es tam b ién asim étrico (es m ayor en u n a dirección que en la otra).
Célula ciliada
Neuronas aferentes primarias
Las células ciliadas se encuentran en el sistema de la línea lateral y oídos de los peces Los peces tien en oídos que utilizan tan to p a ra oír como p a ra d etectar su posición y orientación. Como los oídos de otros v erteb rad o s, el oído del pez tien e células ciliadas que realizan la función m ecan o rrecep tiv a del órgano sensorial. Los peces, las larv as de los anfibios y los anfibios acuáticos ad u l tos tien en tam b ién n eu ro m a sto s que p ueden d etectar m ovim ientos en el agua, como los que p u e den re alizar los d ep red ad o res potenciales o la p re sa cuando se m ueve p o r el agua. Los n e u ro m a s tos consisten en células ciliadas (desde u n as pocas h a s ta cientos, depen d ien d o de la especie) y células de sostén acceso rias en cap su lad as en u n a cubierta g elatinosa (Figura 7.19). Los n eu ro m asto s se locali zan en la piel, bien disp erso s sobre la superficie del cuerpo o bien ag ru p ad o s en zonas p articu lares (norm alm ente en la p arte final a n terio r del anim al). La m ayoría de las especies de peces (y algunos anfi bios acuáticos) tien en u n a form ación rem arcab le de n eu ro m asto s o rg an izad o s en línea a am bos lados del cuerpo. Este sis te m a de lin e a la te r a l consiste en d ep resio n es (am p u lla e) o tubos d is pu esto s a los lados del cuerpo y la cabeza del ani-
F ig u ra 7.19.
E s tru c tu ra de un n e u ro m a s to de v e rte b ra d o .
Los neurom astos son órganos sensoriales en form a de copa. En los organism os acuáticos, los neurom astos se encuentran bien esparcidos por la superficie de la piel o agrupados en es tructuras com o la línea lateral. Cuando un estím ulo m ecánico contacta con la cúpula de un neurom asto, el gel den tro de la cúpula se desplaza estim ula ndo las células ciliadas. Éstas li beran el neu rotransm isor hacia las neuronas aferentes, en viando una señal al sistem a nervioso.
m al. El sistem a de línea lateral perm ite a los peces d etectar cam bios en la p resió n del agua, como los causados p o r el m ovim iento de otros peces. En algunas especies, el sistem a de línea lateral se ha m odificado p a ra p erm itir la eletrorrecepción (véase la Caja 7.1 p a ra m ás detalles sobre las fun ciones de la electrorrecepción). El oído y el sistem a de línea lateral ju n to s form an el sistem a acústicolateral.
El oído de vertebrados tiene función de audición y de equilibrio El oído de vertebrados funciona tanto en la audición como en el equilibrio, pero la estructura del oído y la
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 285
Caja 7.1
E v o lu c i ó n y d iv e r s id a d E le c t r o r r e c e p c ió n
La electrorrecepción, que se define com o
sensoriales especializados que están localizados en una
la habilidad para detectar cam pos eléctricos
serie de poros distrib u id o s a través de la cabeza. Estos
o descargas eléctricas débiles, es com ún en los organis
poros, denom inados am pollas de L orenzini desde que el
m os acuáticos. El m edio acuático está lleno de cam pos
anatom ista italiano los describiera en el año 1678, están
eléctricos. Por ejem plo, el flujo de agua sobre los objetos
llenos de una gelatina que conduce la electricidad y aline
produce descargas eléctricas estáticas. De la m ism a
ados con células ciliadas. Cuando la carga d en tro es
manera, el agua salada m oviéndose a través de las líneas
negativa, la am polla produce un cam bio e léctrico en cada
m agnéticas de la tierra produce una corriente eléctrica
célula ciliada, disparando la liberación de los neurotrans
débil. Adem ás todos los anim ales producen cam pos eléc
m isores en grupos de las neuronas sensoriales adyacen
tricos débiles com o resultado de las acciones de sus
tes. A lguno s tiburone s, com o el tiburón m artillo (Sphyrna
m úsculos y nervios. Por lo tanto, los organism os acuáticos
le w in i), pueden de te c ta r cam pos eléctrico s de m enos de
pueden utilizar la electrorrecepción para detectar tanto los
0,1 nV/cm , equ ivalente al cam po elé c tric o de las pilas de
rasgos abióticos com o la presencia de otro s anim ales en
una linterna conectada a los electrodo s a m ás de 16.000
su m edio. Los tiburones tienen un sentido eléctrico parti
km en el océano.
cularm ente
fuerte.
Por
ejem plo,
el
tiburón
m artillo
A unque m uchos peces tiene n elec tro rre c e p to re s , y
(Sphyrna m okarran) puede detectar pastinacas enterradas
se piensa que algunas espe cies de anfib ios tam b ié n las
m etiendo su enorm e cabeza en el fondo del océano com o
tie n e n , no se ha id en tific a d o en ninguna especie de pája
un detector de m etales.
ros, rep tile s o m am ífero s placentarios. Sin em bargo, en
A lguno s peces (tam bién llam ados peces eléctricos)
m o n o tre m a s (m am íferos que ponen huevos, incluidos
tiene n un órgano e léctrico especializado que produce
los echidna y platypus) sí tie n e n e le c tro rre c e p to re s . En
descargas eléctricas, y electro rre c e p to re s que pueden
los platyp us los e le c tro rre c e p to re s están localizados en
d e te cta r estas descargas, que utilizan para com unicarse
el pico. Son neuronas bipolares sensoriales m ás que
e ntre sí. Pueden tam b ién "ele c tro lo c a liz a rs e " en m edios
células e pite lia les m odificadas com o en los peces, lo
oscuros. Las descargas del órgano e lé c tric o producen un
que sugiere que la habilidad para d e te c ta r los cam pos
cam po e lé ctrico alrededor del pez. Los obje to s u otros
eléctrico s ha evolucio nado in d e p e n d ie n te m e n te m uchas
anim ales alteran la form a del cam po eléctrico . Los peces
veces.
e léctrico s
pueden de te cta r estas perturbaciones del
cam po e lé ctrico y utilizar esta in form ación para localizar el objeto, en un proceso análogo al que utilizan los m ur ciélagos. En los peces, los electro rre c e p to re s están m o difica dos con respecto a la línea lateral; sin em bargo, las célu las ciliadas del e le c tro rre ce p to r están m uy m odificadas y carecen de cilios. Estas células ciliadas m odificadas detectan cam bios en cam pos e léctrico s en lugar de cam bios en la presión. Los tiburone s tiene n órganos electro-
im portancia relativa de estos dos sentidos v aría entre los grupos. La Figura 7.20 m u estra la estructura de u n oído de m am ífero representativo. Las estructuras externas se denom inan oído extern o y en los m am í feros consisten en la oreja, que constituye las form as específicas de los oídos de los m am íferos, y el canal auditivo. El canal auditivo se continúa con el oído m edio, que consiste en una serie de huesos peque ños que tran sfieren las ondas de sonido al oído
Referencias • Gibbs, M. A., and R. G. Northcutt. 2004. Development of the lateral line in the shovelnose sturgeon. Brain, Behavior, and Evolution 64: 70-84. • Kajiura, S. M., and K. N. Holland. 2002. Electroreception in juvenile scalloped hammerhead and sandbar sharks. Journal of Experimental Biology 205: 3609-3621. • Pettigrew, J. D. 1999. Electroreception in monotremes. Journal of Experimental Biology 202:1447-1454.
interno. El oído in tern o está em bebido dentro del cráneo y consiste en u n a serie de sacos m em brano sos llenos de líquidos y de canales. La m ayoría de los vertebrados no m am íferos carecen de oídos externos obvios y los peces carecen de tanto oídos externos como de medios, pero todos los vertebrados tienen oídos internos. El oído interno contiene las células m ecanorreceptoras que desem peñan un papel en el oído y el sentido del equilibrio.
286 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Canales semicirculares
(a) Pez teleósteo
Fig u ra 7 .20.
Canales semicirculares
(b) Rana
E s tru c tu ra d e l o íd o de m a m ífe ro .
Los oídos de los m am íferos consisten en un oído externo, un oído m edio y un oído interno. Fig u ra 7.21.
El oído interno es el órgano del equilibrio en los vertebrados El a p a ra to v e stib u la r del oído in tern o d etecta los m ovim ientos o cam bios de la posición del cuerpo resp ecto a la g rav ed ad y, p o r tanto, es el re sp o n s a ble del sentido del equilibrio. En todos los v e rte b ra dos excepto en la anguila b ab o sa el ap arato v estib u lar consiste en tre s canales sem icirculares con u n a reg ió n a g ra n d a d a en u n extrem o (denom i n ad o am polla) y dos sacos engrosados llam ados utrículo y sáculo (Figura 7.21). En la m ayoría de los v erteb ra d o s el sáculo contiene tam b ién u n a p eq u eñ a extensión conocida com o lagena. En los p ájaro s y m am íferos la lag en a está m uy extendida y se d en o m in a conducto coclear (en los pájaros) o c ó c le a (en los m am íferos). El utrículo, el sáculo y la am polla de los can ales sem icirculares tie n e n célu las ciliadas m ecan o rrecep to ra s que tien en un papel im p o rtan te en el sentido del equilibrio. La cóclea tam b ién contiene células ciliadas pero están re la cio n ad as con el oído y no fo rm an p a rte del ap arato vestibular. Los m ecanorreceptores de la am polla y de los sacos vestibulares son distintos. El utrículo y el sáculo contienen u n a serie de otolitos m ineralizados
O ídos in te rn o s de los v e rte b ra d o s .
El oído interno en la mayoría de los vertebrados consiste en tres canales sem icirculares organizados en ángulos rectos unidos en su base por uno agrandado denom inado am polla y una serie de sacos que incluyen el utrículo y el sáculo. En m u chos vertebrados, la base del sáculo contiene un pequeño b olsillo denom inado lagena. En los pájaros y m am íferos, la lagena es m uy grande y fo rm a el conducto coclear o cóclea.
suspendidos en un a m atriz gelatinosa encim a de una m em b ran a denom inada m ácula que está densa m ente cubierta por m ás de 100.000 células ciliadas (Figura 7.22). La am polla de los canales sem icircula res carece de otolitos y en su lugar contiene crestas dentro de un a m asa gelatinosa en form a de copa denom inada cúpula. Las crestas de los canales sem i circulares detectan la aceleración angular y el m ovi m iento en patrones circulares, como cuando se agita la cabeza. Por el contrario, la m ácula de los sacos vestibulares detecta la aceleración lineal y se estim u lan cuando el cuerpo está inclinado. Cuando se m ueve la cabeza hacia un lado, los otolitos y la m asa gelatinosa de las m áculas del u trí culo y sáculo a rra stra n las células ciliadas, estim u lándolas. La m ácula del utrículo está orientada horizontalm ente en el oído, y puede detectar m ovi m iento en el plano horizontal (Figura 7.23a-d). La m ácula del sáculo está orientada verticalm ente, por
C A P ÍTU LO 7
Mácula de utrículo Mácula de sáculo
Otoiito
Matriz gelatinosa
Célula ciliada Célula de sostén (a) Mácula de un utrículo o sáculo
Pared de la ampolla Cúpula Célula ciliada Célula de sostén
Sistem as sensoriales 287
lo que puede detectar movim iento en el plano verti cal. Dentro del utrículo y el sáculo, las células ciliadas están orientadas en dos direcciones diferentes de m odo que u n a única capa de células ciliadas pueda detectar movim iento hacia adelante y hacia atrás o de lado a lado, abarcando dos dim ensiones del m o vimiento. El utrículo puede tam bién detectar incli naciones de la cabeza (Figura 7.23e). Cuando inclinam os la cabeza, la gravedad em puja la m asa gelatinosa de los sacos, que estim ula unos grupos concretos de células ciliadas, dependiendo de la dirección de la inclinación. Desde el m om ento en el que células ciliadas diferentes se estim ulan si la incli nación es hacia adelante o hacia atrás, el cerebro puede diferenciar la dirección de la inclinación. La intensidad de la respuesta de la célula ciliada está relacionada con el ángulo de inclinación, po r lo que el cerebro tam bién puede determ inar el grado de la inclinación. Los sacos vestibulares juegan un papel im portante m anteniendo la orientación del cuerpo respecto a la gravedad. Si la cabeza y el cuerpo com ienzan a inclinarse, los sacos vestibulares envían u n a señal al cerebro, que autom áticam ente com pensa la inclinación cam biando la postura p a ra m an ten er la posición del cuerpo. C ontrariam ente a los sacos vestibulares que detectan si el cuerpo está inclinado, los canales sem icirculares detectan la aceleración angular (Figura 7.24). La m ayoría de los v ertebrados tienen tres canales sem icirculares perpendiculares unos a otros, de m an era que cada canal detecta la acelera ción en un único plano. Cuando giram os la cabeza en el plano de un canal determ inado, el líquido de ese canal se pone en m ovim iento. Debido a la in e r cia del líquido existe u n a diferencia entre el m ovi m iento del líquido y el movim iento de la p a re d del canal, que hace que el líquido salpique la am polla estim ulando las células ciliadas. Como cada canal está orientado en un plano distinto, la aceleración del líquido en un canal particular depende del plano del m ovim iento, perm itiendo que el sistem a vestibu la r detecte la dirección del m ovim iento com parando el grado en el que las células ciliadas de cada canal se h an estim ulado.
(b) Cresta de la ampolla F ig u ra 7.22.
Los m e c a n o r r e c e p to r e s d e l o íd o m e d io .
(a) Los m ecanorreceptores del utrículo y sáculo se encuentran en las estructuras denom inadas máculas. Las células ciliadas de cada m ácula están em bebidas en una m atriz gelatinosa que está recubierta por una serie de otolito s. (b) Los m ecanorreceptores de los canales sem icirculares están localizados en ia am polla en estructuras denom inadas crestas. Las crestas son sim ilares en cuanto a los neurom astos que se m uestran en la Figura 7.19, que consisten en células ciliadas em bebidas en una masa gelatinosa en form a de copa denom inado cúpula.
288 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Kys
o E E
CL CD
Tiempo (b) Reposo o movimiento constante
- Otolitos
lllllllllll Tiempo
(c) Aceleración hacia delante
Tiempo (d) Aceleración hacia atrás
Fig u ra 7 .23.
(e) Balanceo de cabeza hacia delante
F u n c io n e s de los u tr íc u lo s en los m a m ífe ro s .
(a) Las células ciliadas de los utrículos están cubiertas de una capa gelatinosa cubierta de los otolito s. (b) En reposo o durante un m o vim ien to constante, las células ciliadas están parcialm ente despolarizadas, (c) Durante una aceleración hacia adelante, las células ciliadas se pliega hacia el esterocilio m ayor (recordem os que las células ciliadas en m am íferos no poseen kinocilio). Este plegam iento activa los canales activados m ecánicam ente en los esterocilios lo cual despolariza la célula in crem entando la libera ción de neurotransm isores y, p o rta n to , aum entan la frecuencia de potenciales de acción en la neurona aferente prim aria, (d) Du rante una aceleración hacia atrás o (e) un balanceo de la cabeza hacia delante, los esterocilios se pliegan en dirección contraria al esterocilio mayor, reduciendo la frecuencia de potenciales de acción.
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 289
Canal semicircular (relleno de endolinfa)
Cúpula
Estereocilios Célula ciliada
Célula ciliada Neurona aferente sensorial
Ampolla
(a) Canal semicircular
(b) Ampolla
Canal semicircular
O -©
ü
Elecrodo de registro
o E
CL CD
E
Ampolla
Rotación de la cabeza
Rotación de la cabeza
LLLLL Tiempo
(c) Reposo Fig u ra 7.24.
Tiempo
Tiempo
(d) Aceleración a la izquierda
(e) Aceleración a la derecha
F u n c io n e s de los c a n a le s s e m ic ir c u la r e s .
(a) Un canal sem icircular consiste en un tu b o relleno de flu id o con una hinchazón, llam ado am polla, en la base, (b) La am polla contiene un neurom asto que siente la presión, (c) En reposo, las células ciliadas del neurom asto están parcialm ente despolariza
das. Cuando la cabeza es rotada en una dirección, el flu id o en el canal sem icircular ejerce presión en la dirección contraria pro vo cando el plegam iento del esterocilio de la célula ciliada. D ependiendo de la orientación de las células ciliadas, esto provocará o (d) una hiperpolarización de estas células dism inuyend o la frecuencia de potenciales de acción, o (e) la despolarización de la célu la ciliada, aum entando la frecuencia de los potenciales de acción.
El equilibrio y la orientación del cuerpo dependen de en trad as que vienen del sistem a visual, de los propioceptores y del oído interno. Se puede apreciar este efecto al pedir a alguien que ande tranquilo cerrando sus ojos. Es casi imposible hacerlo; se observará que el sujeto hace m ovim ientos y se mueve hacia adelante y atrás. Los canales sem icirculares son tam bién muy im portantes p ara m an ten er los ojos orientados en un solo pimto, incluso cuando la cabeza se está moviendo. Por ejemplo, si intentam os leer este libro m ientras inclinam os o agitam os la cabeza, debería m os ten er pocas dificultades leyendo las palabras; sin em bargo, si m ovemos rápidam ente el libro en frente
de la cara m ientras m antenem os la cabeza quieta, tendrem os dificultad en leer las palabras.
El oído interno detecta sonidos Adem ás de detectar la posición del cuerpo, el oído interno detecta sonidos. En los peces, las ondas sono ra s incidentes ocasionan el movimiento de los otolitos en los sacos vestibulares, doblando los cilios de las células ciliadas y estim ulando las neuronas auditivas. Algunos peces usan sus vejigas natatorias p a ra am pli ficar los sonidos que en tran al oído interno. Los clupiedos (peces de la familia del arenque) poseen un
290 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
conducto de gas que conecta las vejigas natatorias con el sistem a auditivo. Los sonidos hacen vibrar a las vejigas n atatorias y esta vibración se transm ite a tra vés del conducto h asta el oído. Los peces clupeidos como el sábalo usan su excelente sentido de la audi ción p ara d etectar sonidos por ecolocalización produ cidos p o r las ballenas y los delfines (sus principales depredadores). En las carpas, las vejigas natato rias están conec tad as al oído interno p o r m edio de un sistem a de huesos llam ado aparato de Weberian (Figura 7.25). Las carpas tien en u n a excelente audición debido a que el ap arato de W eberian transm ite los sonidos al oído interno.
En los vertebrados terrestres, la audición involucra los oídos interno, medio y externo El sonido no se pro p ag a ta n bien en el aire como en el agua, y g ran p arte del sonido transm itido po r el aire es reflejado cuando en tra en contacto con objetos de g ran densidad, como el cuerpo de un anim al. Como resultado, el sonido se transm ite pobrem ente en la frontera entre en el aire y el fluido que rellena el oído interno. P ara com pensar esto, el oído de los anim ales terrestre s posee una serie de especializaciones p ara in crem en tar la detección del sonido. En los m am ífe ros, la oreja del oído externo actúa como un em budo que recoge ondas sonoras d ispersas en el aire con centrándolas en el canal auditivo. Los oídos con ore ja s grandes captan m ás ondas p a ra u n a intensidad de sonido d ad a y, p o r tanto, reciben m ás energía sonora, dotando a los anim ales que las poseen de u n a excelente audición. M ientras p asan po r la oreja, los sonidos tam bién se som eten a un proceso de fil trado. Por ejemplo, en el hom bre, los sonidos son
Oído interno
Fig u ra 7 .25.
E s tru c tu ra d e l o íd o de la c a rp a .
El oído in terno está conectado con la vejiga natatoria a través de una serie de huesos llam ados aparato weberiano.
potenciados en el rango de frecuencias del habla. Este proceso de filtrado tam bién añade inform ación direccional. El oído m edio desem peña el papel m ás im por tante en m ejorar la detección de los sonidos en el aire. Aunque los detalles de la estructura del oído medio varían sustancialm ente entre grupos de orga nism os, los principios fundam entales del diseño son sim ilares. El oído medio se encuentra separado del oído externo por la m em b ran a tim p án ica y del oído interno po r la ven tan a oval (Figura 7.26a). Dentro del oído medio se encuentra u n a serie de huesecillos que tienden un puente entre el espacio de la m em b ra n a tim pánica y la ventana oval. Los m am íferos poseen tres de estos huesecillos, llam ados m artillo, yunque y estrib o. Los sonidos que viajan a través del canal auditivo provocan la vibración de la del gada m em brana tim pánica. La vibración de la m em b ra n a tim pánica ocasiona la vibración del prim ero de los huesos (el m artillo en los m am íferos). Esta vibración es entonces transferida a través de los h u e sos (del m artillo al yunque y de éste al estribo, en los m am íferos) hacia la ventana oval. Las vibraciones de la ventana oval transfieren el sonido a u n a cavidad rellena de líquido en el oído interno. En los m am ífe ros, el m artillo, el yunque y el estribo están conecta dos entre sí po r m edio del equivalente biológico de las bisagras, que tienden a am plificar las vibracio nes, de m odo que u n a vibración de alrededor de 0,1 am strong en la m em brana tim pánica (equivalente al tam año de un átom o de hidrógeno) pueda ser sufi cientem ente grande p a ra estim ular las células cilia das del oído interno.
El oído interno en los mamíferos posee estructuras especializadas para la detección del sonido La curvada cóclea de los m am íferos está especiali zada p ara la detección del sonido. La Figura 7.26b m uestra la cóclea desdoblada y se puede apreciar que los dos com partim entos externos (los conductos vestibular y timpánico) son de hecho un tubo conti nuo, aunque los prim eros anatom istas les dieron dos nom bres diferentes puesto que parecen estructuras distintas cuando la cóclea está estrecham ente cur vada. Los conductos vestibular y tim pánico están rellenos de un líquido llam ado perilinfa, que es p a re cido en su composición a otros fluidos extracelulares. El conducto coclear está relleno por un fluido lla m ado endolinfa que es bien distinto de otros fluidos extracelulares al poseer un a alta concentración de K+
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 291
perilinfa em pujan la m em brana basi lar y provocan u n a vibración. Los Yunque esterocilios de las células ciliadas internas del órgano de Corti se plie gan en respuesta a la vibración de la m em brana basilar. Similar al plegam iento en las células ciliadas en la línea lateral de los peces, en el caso de los esterocilios este movimiento abre canales iónicos sensibles a esti ram iento en la m em brana de las células ciliadas ocasionando su des Ventana Cóclea polarización. Las células del oído redonda interno entonces liberan un neuro transm isor, glutamato, que excita las neuronas sensoriales provocando (a) impulsos nerviosos en los nervios auditivos. De este modo, la cóclea tra Ventana Conducto Conducto duce las ondas de presión en la peri linfa en señales eléctricas. La ventana redondeada de la cóclea sirve como u n a válvula de presión, protruyendo conforme la presión del fluido se increm enta en el oído interno, lo cual evita el retroceso de las ondas en el fluido, por lo que m ejora la claridad del sonido. La m em brana basilar es dura y estrecha cerca de su punto de engan che a las ventanas ovales y redondas (b) (extremo proximal), pero ancha y fle Fig u ra 7.26. A n a to m ía d e l o íd o in te rn o y e l o íd o m e d io en m a m ífe ro s . xible en el extrem o distal. Esta dife (a) el oído m edio contiene tres pequeños huesos (m artillo, yunque y estribo) que rencia en la dureza ayuda a la cóclea transm iten las ondas sonoras de la m embrana tim pánica a la ventana oval de la có a codificar inform ación acerca de la clea. (b) cuando la cóclea se muestra desplegada, parece evidente que consiste en un frecuencia de un sonido. Los objetos tubo curvado que va desde la ventana oval hasta la ventana redonda. La porción su rígidos vibran a frecuencias m ás perior del tu b o se llama conducto vestibular y está alineada con la membrana vesti bular. La parte in ferio r de tu b o se llama conducto tim pánico y está alineada con el altas que los objetos flexbles. El órgano de Corti que contiene las células ciliadas embebidas en la m em brana basilar. extrem o proxim al rígido de la m em b ra n a basilar vibra m ás en respuesta a sonidos de alta frecuencia que el y baja de N a+. El ó r g a n o d e C o r t i contiene las célu extrem o distal, el cual codifica fundam entalm ente los las ciliadas y se apoya sobre la m em brana basilar sonidos de bajas frecuencias. Por lo tanto, áreas dife que se alinea a u n lado del conducto coclear. El oído rentes de la m em brana basilar vibran en respuestas a interno en v ertebrados contiene diferentes tipos de diferentes tipos de sonido, transform ando u n a señal células ciliadas que poseen funciones auditivas lige de frecuencia de la onda sonora en u n a seña espacial ram ente diferentes. En los m am íferos estas células se codificada po r la posición en la m em brana basilar. denom inan células ciliadas in tern as y células ciliadas Las neuronas de cada p arte de la m em brana basilar externas. Las células ciliadas internas detectan soni form an conexiones sinápticas con las neuronas en dos, m ien tras que las células ciliadas externas ayu áreas particulares de la corteza auditiva de m odo que d an a amplificarlos. áreas corticales específicas responden a frecuencias Los sonidos incidentes ocasionan la vibración de específicas. Este fenóm eno se conoce como c o d i f i c a la ventana oval de oído interno, provocando ondas en c ió n e s p a c ia l. la perilinfa del conducto vestibular. Estas ondas en la
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Integrando sistem as fisiológicos
Las células ciliadas externas amplifican los sonidos Las células del oído interno codifican la intensidad del sonido de u n a m an era m uy parecida a otras célu las m ecanosensoriales. Los sonidos altos ocasionan m ayores movimientos de la m em brana basilar y m ayores despolarizaciones de las células ciliadas, que generan m ayores frecuencias de potenciales de acción en las neuronas sensoriales aferentes. A diferencia de las células ciliadas del oído interno, las células ciliadas del oído externo cam bian su form a en respuesta a las ondas sonoras, en lugar de liberar neurotransm isores. Cuando los esterocilios de las células ciliadas del oído externo se curvan en respuesta a un a onda sonora, los canales m ecanosensoriales se abren perm itiendo la entrada de K+. La despolarización resultante actúa como un a señal en una proteína m otora sensible a vol taje que provoca el cambio de form a en la célula tirando de la m em brana basilar e increm entando el m ovimiento de ésta en respuesta a un sonido especí fico. Puesto que la intensidad del sonido se relaciona con el grado de movimiento de la m em brana basilar, las teorías actuales sugieren que las células ciliadas externas amplifican el sonido increm entando el movi miento de la m em brana basilar p ara una intensidad particular y, por tanto, provocan un estímulo m ayor en las células ciliadas internas. Se ha identificado la pro teína responsable de este cambio en la form a de las células ciliadas internas, y se sabe que si el gen que codifica esta proteína (llamada prestina) es bloqueado en el ratón, los anim ales nacen con sordera profunda. Ciertos tipos de sordera en el hom bre están tam bién causadas por m utaciones en el gen de la prestina. Las células ciliadas externas hacen contacto con m uy pocas n eu ro n as aferentes que tran sp o rtan las señales hacia el cerebro. En su lugar, form an sinapsis con las n eu ro n as eferentes que tran sp o rtan las seña les del cerebro al oído. Estas neuronas son p arte de u n bucle de retroalim entación positiva; liberan el n eurotransm isor acetilcolina sobre las células cilia das externas en respuesta a sonidos altos, reduciendo la respuesta de estas células. Debido a que las células ciliadas externas norm alm ente amplifican el sonido, este bucle de retroalim entación positiva actúa como u n m ecanism o de protección p a ra las células ciliadas, que pueden ser afectadas por sonidos altos.
Los oídos pueden detectar la localización del sonido El cerebro utiliza inform ación de am bos oídos p a ra estim ar la localización del estímulo, adem ás del
desfase tem poral y las diferencias de intensidad del sonido. Si un sonido llega desde un lado, las ondas sonoras no alcanzaran los dos oídos al m ism o tiem po debido a que la distancia a la fuente de sonido es lige ram ente diferente. El cerebro registra el desfase tem poral, lo que le perm ite localizar el sonido. Los sonidos que llegan desde un ángulo tam bién deben atravesar la cabeza p a ra alcanzar el otro oído, alte rando la intensidad del sonido que llega a éste. La discrepancia entre el sonido detectado en los dos oídos ayuda a localizar el sonido. Si un sonido no llega de los lados, sino que lo hace desde arriba, o desde abajo, o desde la posición frontal, no existe desfase tem poral o discrepancia de intensidad y resulta m ás difícil determ inar su localización. En los m am íferos, este m ecanism o no es especialm ente efi caz, de m odo que la m ayoría de los anim ales m ueven la cabeza o ro tan los oídos externos p a ra localizar m ejor la fuente de sonido.
I F o to rre c e p c ió n La fotorrecepción es la habilidad de detectar una p equeña p arte del espectro electrom agnético que va desde el ultravioleta h asta los infrarrojos, es decir, desde longitudes de onda de aproxim adam ente 300 nm hasta justo 1.000 nm , aunque la m ayoría de las especies detectan sólo u n a p arte de este rango (Figura 7.27). Los anim ales pierden la habilidad de detectar otras longitudes de onda electrom agnética como las ondas de radio. E sta concentración en una b an d a m uy estrecha del espectro apoya la idea de que los anim ales evolucionaron en el agua. Las ondas que rep re sen tan la luz visible viajan relativam ente bien a través del agua, m ientras que ésta bloquea la m ayoría de las otras longitudes de onda. La Figu r a 7.27b m uestra el grado de atenuación, o la cantidad de señal perdida, p a ra un a señal electro m agnética que atraviesa un m etro de agua. De esta figura se puede apreciar que el agua es relativam ente tran sp aren te a la luz violeta, azul y verde, y que se hace rápidam ente opaca a la am arilla, n a ra n ja y p a r ticularm ente a la luz roja. Un m etro de agua bloquea casi com pletam ente el rojo lejano y el infrarrojo cer cano. Sólo al otro extrem o del espectro electrom ag nético, a longitudes de onda m uy largas, las señales son capaces de p asar a través del agua de m an era eficiente. Por lo tanto, los anim ales que viven en el agua pueden utilizar sólo u n a b an d a m uy estrecha del espectro. El grado de atenuación de la luz tam -
C A P ÍTU LO 7
1012nm
109 nm
105nm
Radio
(a) Espectro electromagnético
104 nm
102 nm
1 nm
10 2nm
Sistem as sensoriales 293
conform an órganos fotorreceptores complejos como los ojos. Finalm ente exam inarem os cómo la interacción de múltiples células fotorreceptoras en ojos com plejos perm iten la for m ación de im ágenes y la detección de com plejas propiedades como el color.
La estructura de los fotorreceptores difiere en los distintos animales
Existen dos grupos principales de fotorreceptores en los anim ales (Figura 7.28). Los fotorrecep tores ciliad os poseen un único cilio que protruye desde la célula, general m ente con una m em b ran a ciliada m uy plegada que form a lám inas o discos que contiene los fotopigm entos, las m oléculas especializadas en absorber la energía que llega de los fotones incidentes. Por el contrario, Longitud de ondas (nm) en los fo to rreceto res rabdom é(b) Atenuación de la radiación electromagnética en el agua ricos (tam bién llam ados fotorrecep tores con microvellosidades), la Fig u ra 7.27. R a d ia c ió n e le c tr o m a g n é tic a y e s p e c tro e le c tr o m a g n é tic o . superficie apical de la célula está (a) Tipos de radiación electrom agnética, (b) La m ayoría de las lo ngitudes de onda de la radiación electrom agnética no viajan bien en el agua. Sólo la luz visible y lo n cubierta por m últiples evaginaciones gitudes de onda m uy grandes penetran profundam ente en este m edio. Los anim a llam adas m icrovellosidades que con les detectan una banda m uy estrecha del espectro en el rango de la luz visible, lo tienen los fotopigm entos. Los fotorre cual sugiere la posibilida d de que los receptores hayan evolucionado de organis ceptores ciliados y rabdom éricos m os acuáticos. tam bién se diferencian en los m eca nism os de transducción de señal que bien varía dependiendo de la presencia de com pues utilizan p a ra convertir la energía tran sp o rtad a por los fotones incidentes en un cambio de potencial de tos absorbentes. Algunos anim ales acuáticos, p arti cularm ente aquellos que viven en hábitats pobres en m em brana en el receptor. luz como el pez eléctrico, poseen u n a visión pobre y Tanto los fotorreceptores ciliados como los r a b en su lugar h an desarrollado la habilidad de sentir dom éricos están am pliam ente distribuidos en la los cam pos eléctricos (véase la Caja 7.1). m ayoría de los grupos anim ales, pero el p atrón de distribución entre organism os ofrece un p anoram a m uy confuso (Figura 7.28). La m ayoría de los inver tebrados poseen fotorreceptores rabdom éricos en Fotorreceptores sus ojos. Algunos grupos de invertebrados (como los moluscos y los platelm intos) tam bién tienen algunos Los órganos fotorreceptores se extienden en com ple fotorreceptores ciliados, aunque éstos están p resen jid ad desde las células sensibles a la luz hasta ojos tes sólo como unos pocos fotorreceptores aislados, o com plejos que form an im ágenes m uy enfocadas. En en órganos fotorreceptores m uy sim ples que están esta sección consideram os la estru ctu ra de las célu localizados fuera del ojo, o sólo presentes en las for las fotorreceptoras y estudiam os los m ecanism os de m as larvarias desapareciendo en el adulto. La única transducción de la señal que utilizan p ara convertir excepción al predom inio de ojos rabdom éricos entre los fotones de la luz en u n cam bio de potencial de los invertebrados protóstom os (gusanos, m oluscos y m em b ran a. Luego verem os cómo estas células
294 SEG UN DA PARTE
□
Integrando sistem as fisiológicos
Receptores rabdoméricos
Fig u ra 7.28.
□
Receptores ciliados
D is trib u c ió n filo g e n é t ic a de los fo to r r e c e p to r e s c ilia d o s y r a b d o m é ric o s .
No existe un patrón claro en la distribu ción filo genética de los fotorreceptores ciliados (m ostrados en naranja) y de los rabdom é ricos (azul). M uchos grupos poseen am bos tipos. Los vertebrados sólo tienen fotorreceptores ciliados y los artrópodos sólo po seen fotorreceptores rabdom éricos.
artrópodos) son u n as pocas especies de molusco, como la vieira Pecten irradians, y la alm eja, Lima scabra, cuyos adultos poseen ojos que contienen fotorreceptores tanto ciliados como rabdom éricos. La im agen en los deuteróstom os (equinoderm os, como el erizo, y cordados, como los vertebrados) no está clara. La m ayoría de los deuteróstom os tienen ojos rabdom éricos, parecidos a los de los invertebra dos protóstom os. La excepción fundam ental a esta regla son los vertebrados, que sólo poseen fotorre ceptores ciliados. Este patró n fllogenético es difícil de in terp retar a p artir de los conocim ientos que ten e m os sobre la interrelación entre organism os vivos. Un descubrim iento reciente acerca de la presencia tran sito ria d u ran te el desarrollo de cilios en los fotoreceptores rabdom éricos sugiere que todas las célu las fotorreceptoras derivan de un antepasado com ún ciliado. A lternativam ente, u n antepasado bilateral a los deuteróstom os y protóstom os puede h a b e r po
seído los dos tipos de receptores, uno de los cuales debe de h aberse perdido en algún linaje evolutivo (como el que dio origen a los vertebrados). H asta que los m ecanism os de la fotorrecepción sean estudiados en m ás de u n a taxón anim al, especialm ente en los invertebrados, la evolución de los fotorreceptores continuará siendo un a pregunta abierta.
Los vertebrados tienen dos tipos de fotorreceptores Aunque todos los fotorreceptores en vertebrados son ciliados, éstos pueden dividirse en dos grupos llam a dos con os y b aston es (Figura 7.29). Aunque los b a s tones y conos tienen form as diferentes, com parten tam bién m uchas propiedades. Ambos tienen un seg m ento externo com puesto de un a serie de discos de m em brana que contienen los fotopigm entos. Un cilio conectivo une el segm ento externo con el interno que
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 295
res com paran las señales relativas de estos recepto res p a ra detectar el color. Puede que haya notado que en luz débil (como en las noches) el m undo parece gris. Usted u sa sus conos p a ra la visión del color en luz brillante y sus bastones p a ra la visión no colore ad a en luz escasa. Hay u n a g ran variación en los v ertebrados en la form a de los conos y b astones (Figura 7.30). De hecho, en m uchas especies es difícil distinguir los dos tipos b asándonos sólo en su form a. Por ejemplo, las ra n a s tien en diferentes tipos de fotorreceptores en form a de bastones en sus ojos p a ra d etectar el color. De m odo que la form a de la célula fotorrecepto ra no es u n a característica im portante que d eter m ine si está involucrada o no en la visión del color o de luz débil. En su lugar, las p ropiedades de un fotorecep to r d ependen de los fotopigm entos que contie-
Bastones Fig u ra 7.29.
Conos
E s tru c tu ra de los fo to r r e c e p to r e s c ilia d o s
en m a m ífe ro s : con o s y b a s to n e s .
A pesar de que difiere n en la form a, los bastones y conos po seen los m ism os com ponentes estructurales: un segm ento externo que consiste en una serie de discos que contiene n los foto p ig m e n to s y un segm ento in terno que contiene el cuerpo celular y las term in ales sinápticas que hacen contacto con las neuronas de la retina.
contiene el núcleo. El otro extrem o de estas células form a conexiones sinápticas con otras células en el ojo de los vertebrados. A dem ás de sus diferencias morfológicas, los b as tones y conos de m am íferos difieren funcionalmente (Tabla 7.2). En contraste con los conos, los bastones poseen m uchos m ás fotopigmentos, respuestas m ás lentas e integran señales durante un periodo m ás largo. Como resultado, los bastones son m uy sensibles com parados con los conos, pero se saturan a niveles relativam ente bajos de luz. Debido a estas diferencias, los bastones funcionan m ejor en luz débil, m ientras que los conos lo hacen en luz brillante. De hecho, en los mamíferos, los bastones son tan sensibles que pue den responder a un solo fotón. Muchos mamíferos nocturnos tienen núm eros relativos m ayores de basto nes en sus ojos p ara u n a m ejor visión en luz escasa. Muchos vertebrados tienen m ás de un tipo de cono, difiriendo en el tipo de fotopigmento que es sensible a luz de diferente longitud de onda. Como verem os m ás detalladam ente, los centros integrado-
(a) Fotorreceptores de la rana
(b) Fotorreceptores en las tortugas F ig u ra 7.30.
D iv e rs id a d e s tru c tu ra l de los fo to r r e c e p to
re s de v e rte b ra d o s .
296 SEG UN DA PARTE
Tabla 7 .2 .
Integrando sistem as fisiológicos
C ono s y b a s to n e s de m a m ífe ro s .
Propiedad
Bastones
Conos
Clases de fotorreceptores
Ciliados
Ciliados
Forma
Segmento externo en forma de bastón
Segmento externo en forma de cono
Sensibilidad
Sensible a luz escasa
Sensible a luz brillante
Tipo de fotopigmento
Un tipo
Hasta tres tipos en mamíferos
Los cromóforos permiten a los fotorreceptores absorber luz Los fotopigm entos consisten en un pigm ento llam ado crom óforo asociado con im a proteína fotorrecepto ra específica. La fotorrecepción com ienza cuando los crom óforos ab so rb en la energía tran sp o rtad a por los fotones incidentes. Al ab sorber esta energía, el cromóforo sufre u n cam bio de conform ación que a su vez afecta la estru ctu ra de su proteína asociada, ini ciando u n a cascada de transducción de la señal en las células fotorreceptora. Esta cascada de reaccio n es quím icas provoca en últim a instancia un cambio del potencial de m em b ran a del fotorreceptor, dando como resultado una señal eléctrica que p asa hacia otra p arte del sistem a nervioso. En la in m en sa m ayoría de los fotorreceptores, los crom óforos son u n derivado de la vitam ina A, como el retin al, y la p roteína asociada es m iem bro de la fam ilia génica de las op sin as. Las opsinas son recep tores acoplados a p roteínas G que están unidas de modo covalente a los crom óforos. Dependiendo de la célula fotorreceptora, el complejo de fotopigmentos se llam a de m an eras diferentes como rodopsina, iodopsina, porfiropsina, m elanopsina, pinopsina y
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111
VA opsina, entre otros. Todos ellos sin em bargo con sisten en un cromóforo derivado de vitam ina A y aco plado a u n a proteína G. La sensibilidad del complejo crom óforo-opsina a partes específicas del espectro lum inoso difiere entre los diferentes fotopigmentos, como resultado de las diferencias en la secuencia de am inoácidos en la proteína opsina. La diferencia en la sensibilidad espectral de la com binación crom ó foro-opsina subyace a la visión del color. Aunque la estructura específica de los fotopig m entos v aría en los diferentes fotorreceptores, el p atrón general de activación quím ica es sim ilar (Figura 7.31). En el estado inactivado, el retinal está presente en su conform ación 11 -cis, un nom bre que describe la orientación de los enlaces alrededor del undécim o átom o de carbono. Cuando el retinal absorbe energía de la luz incidente, éste sufre un cam bio de conform ación, rotando la m olécula a una conform ación todo-trans. El retinal activado no se une ya m ás a opsina y se libera en un proceso lla m ado ap agam iento. La disociación de retinal de la opsina activa la opsina que a su vez activa una vía de transducción de señal. Al m ism o tiempo, la retinal todo-trans es reconvertida al isóm ero 11 - d s po r las enzim as isom erasas en un proceso que requiere ATP
I
H
I
H
£'
H, Todo-trans retinal
Fig u ra 7 .31.
Is o m e r iz a c ió n de r e tin a l.
La m olécula 11-c/s retinal absorbe un fo tó n de luz y rota para fo rm a r to d o -tra n s retinal.
C A P ÍTU LO 7
y que tard a algunos m inutos. En los fotorreceptores de vertebrados, esta reconversión tiene lugar en células vecinas. La retinal todo-trans es exportada desde los fotorreceptores a las células epiteliales cer canas donde éste se convierte en 11 -cí's retinal y es reim p o rtad a a los fotorreceptores.
halla en invertebrados, señaliza a través de una proteína Gq que activa la cascada de la PLC (Figu ra 7.32a). La PLC cataliza la ru p tu ra del fosfatidil-4,5difosfato (PIP2) en dos m ensajeros intracelulares, el inositol trifosfato (IP3) y el diacilglicerol (DAG). Estas moléculas señalizadoras abren canales catiónicos no selectivos, y el Ca2+ y el Na+ en tran a la célula provo cando la despolarización. Este potencial despolari zante ocasiona un aum ento en la liberación de neurotransm isor desde el fotorreceptor enviando una señal al sistem a nervioso que la interpreta. Por el contrario, las opsinas encontradas en los fotorreceptores ciliados, como en los vertebrados, señalizan a través de u n a proteína G. inhibidora, lla m ada tran sd u cin a, iniciando un cascada de tra n s ducción m ediada por GMP (Figura 7.32b). La
Los mecanismos de fototransducción difieren entre organismos Como otros receptores acoplados a proteínas G, los receptores de opsina activan cascadas de transduc ción de señal. Los fotorreceptores anim ales utilizan generalm ente u n a de dos cascadas de transducción: fosfolipasa C (PLC) o CGMP. La opsina encontrada en los fotorreceptores rabdom éricos, como la que se
11 -cis 3-Hidroxiretinal
Canal catiónico no selectivo (TRP)
Todo-trans 3-hidroxirretinal
^
H
® DAG
y©
T
Opsina Gq proteína
Sistem as sensoriales 297
f
EI 11-c/s3-hidroxiretinal absorbe la luz y se isomeriza en todo-trans 3-hidroxiretinal.
f
Todo-írans 3-hidroxiretinal se disocia de la opsina.
y ) La opsina activada activa a la proteína Gq. (3 ( í ) La Gq activada activa la PLC, T convirtiendo el PIP2 en DAG y IP3.
Ca2+y Na
DAG activa un canal catiónico TRP.
Despolarización
El Ca2+ y el Na+ entran a la célula despolarizándola.
(a) Fototransducción en fotorreceptores rabdoméricos
(T ) El 11-c/s retinal absorbe la luz se | isomeriza en todo-trans retinal.
11 -cis retinal
Todo-trans retinal
€ Todo-trans retinal se disocia de la opsina.
NaT Canal de Na+
I
PDE
Opsina
cGVP Proteína G¡ transducina
GMP
(b)
La opsina activada activa la proteína G¡ transducina.
( 4) La transducina activa PDE que T convierte el CM PC en GMP.
©
Hiperpolarización
Fototransducción en fotorreceptores de vertebrados
Fig u ra 7.32.
f
F o to tra n s d u c c ió n en v e rte b ra d o s e in v e rte b ra d o s .
( ¡ p El decremento de CMPC cierra un T canal de Na+. La entrada de Na+ disminuye, hiperpolarizando la célula.
298 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
tran sd u cin a activa u n a enzim a fosfodiesterasa (PDE) que hidroliza GMPc a GMP. Este decrem ento en la concentración de GMPc inhibe un canal de Na+ en el fotorreceptor, y a consecuencia el influjo de Na+ se enlentece o detiene. El influjo reducido de NA+ unido al flujo de salida continuo de K+ hiperpolariza la célula provocando u n potencial receptor. Esta hiperpolarización dism inuye la liberación de n eu ro tran s m isor desde el fotorreceptor a la neurona aferente p rim aria. Este decrem ento en la liberación de neuro tran sm iso r genera u n a señal p a ra el sistem a n e r vioso que el cerebro puede in terp retar como luz. La luz brillante ocasiona el cierre de todos o casi todos los canales de N a+, m ientras que la luz escasa p ro voca el cierre de pocos canales. Por lo tanto, la re s puesta de la célula está rad iad a dependiendo de la intensidad de la luz.
Células fotorreceptoras Capa de pigmento Neuronas aferentes primarias
(a) Ojo plano
Capa de pigmento
(b) Ojo en forma de copa
Estructura y función de los ojos Por definición, u n ojo o un receptor luminoso debe como m ínim o ser capaz de detectar la dirección desde que la luz h a entrado en el órgano fotorrecep tor. Los receptores lum inosos son células simples, o regiones de u n a célula que contiene un fotopigmento sensible y u n pigm ento de som bra que ayuda a pro p orcionar inform ación adicional ensom breciendo la luz que procede de ciertas direcciones. Por ejemplo, el receptor lum inoso del p rotista Euglena está locali zado en la zona an terio r y consiste en un inflamiento sensible a la luz de la m em brana celular que está asociada con u n pigm ento rojo. La Euglena, que es u n fotosintetizador, utiliza este receptor luminoso p a ra o rientarse hacia la luz. Los ojos, sin em bargo, son órganos m ucho m ás complejos form ados p o r im g ran núm ero de células especializadas en diferentes funciones, que general m ente incluyen de fotorrecepción y pigm entación. Los ojos pueden proporcionar inform ación como la dirección de la luz y el contraste entre luz y oscuri dad, e incluso en algunos casos form ar im ágenes enfocadas. E ntre los organism os m ulticelulares exis ten cuatro tipos fundam entales de ojos (Figura 7.33). Los ojos planos contienen u n a capa de fotorre ceptores que form an u n a retin a prim itiva rodeada de u n epitelio pigm entado. Estos ojos proporcionan cierta inform ación sobre la dirección de la luz y el contraste en tre luz y oscuridad. Muchos anim ales tiene ojos de este tipo, aunque se observan m ás fre cuentem ente en las larvas o como ojos accesorios en los adultos. Sin em bargo, la lapa Patella tiene un
(c)
(d) Ojo convexo F ig u ra 7.33.
E s tru c tu ra de los tip o s fu n d a m e n ta le s de
o jo s en a n im a le s .
parche simple de células pigm entadas que sirve como ojo prim ario. Los ojos en fo rm a de copa (Figura 7.33b) son sim ilares a los ojos planos excepto que la lám ina retin ian a está curvada p a ra form ar u n a ap ertu ra m uy estrecha. Estos ojos proporcionan m ucha m ejor inform ación sobre la dirección de la luz y el contraste entre luz y oscuridad. Los ojos en form a de copa m ás avanzados, como los del Nautilus, un cefalópodo, tie n en diafragm as extrem adam ente pequeños. Este diafragm a bloquea p arte de la luz que p en etra al ojo desde un a fuente de luz de m odo que ilum ina una
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Sistem as sensoriales 299
zona m uy concreta de la retina form ando u n a im a de estos fotorreceptores proyectan hacia un área gen. Este diseño es sim ilar a un tipo prim itivo de central llam ada rabdón. Por tanto, en u n a sección cám ara llam ada cám ara estenopeica. Estos ojos pue cruzada, los om atidios recu erd an un corte a través den form ar im ágenes, aunque la resolución será de una naranja. Los ojos com puestos form an im ágenes de dos pobre y la luz pálida. P ara form ar u n a im agen nítida, m odos m uy diferentes. Los ojos com puestos en apo la ap ertu ra debe ser pequeña, aunque sólo deje p asar sición, que se encuentran en insectos diurnos, con m uy poca luz y resu lta u n a im agen difusa. De este sisten en om atidios rodeados de u n a célula m odo hay u n equilibrio entre la claridad de la im agen pigm entaria. En los ojos com puestos en aposición, y la intensidad. cada omatidio funciona independientem ente y Los ojos vesiculares (Figura 7.33c) y las cám a detecta sólo u n a p arte del cam po visual que está ra s m o d ern as resuelven este conflicto insertando enfrente de él. Sin em bargo, las neuronas aferentes lentes en la a p e rtu ra del diafragm a. Una lente tom a hacen m uchas conexiones de modo que los anim ales m últiples fuentes de luz y las refracta enfocando la con estos tipos de ojos son capaces de g en erar im á im agen de u n a fuente única en un único punto en la genes integradas. Por el contrario, los ojos com pues retin a. El reto del desarrollo de buenos ojos vesicu tos por superposición poseen om atidios que trabajan lares está en que las lentes deben cum plir especifi juntos p a ra producir u n a im agen brillante super caciones m uy precisas p a ra o b ten er im ágenes puesta en la retina. Los ojos de este tipo, encontrados claras. Sin em bargo, incluso u n a m ala lente es en insectos nocturnos y crustáceos, funcionan bien m ejor que n inguna, y prop orciona u n a m ejora sobre los ojos. Los ojos convexos (Figura 7.33d) están p resen tes en m uchos anélidos, m oluscos y artrópodos. En estos ojos, los fotorreceptores individuales r a dian hacia fuera desde la base for m ando u n a cavidad convexa. El ojo convexo m ás complejo lo constituyen los ojos com puestos de los artrópodos (Figura 7.34). Los ojos com puestos están form ados p o r m uchos om atiFibras nerviosas aferentes dios organizados radialm ente p ara form ar u n a superficie convexa. El (a) Foto del ojo compuesto (b) Estructura del ojo compuesto núm ero de om atidias en im ojo com puesto varía trem endam ente entre especies. Por ejemplo, las horm igas o b reras del género Pomera sólo poseen un om atidio por ojo, m ientras que el ojo de la libélula contiene cerca de 25.000 om atidios organizados en u n p atrón hexagonal. La estructura de u n om atidio tam bién v aría entre Rabdón especies aunque consiste general (microvellosidades Microvellosidades m ente en u n a región m odificada de de las células de las células cutícula llam ada có rn ea que cubre retinulares) retinulares u n cono cristalino que form a la lente. Inm ediatam ente debajo de esta lente (c) Estructura del omatidio (d) Sección a través de un omatidio hay u n grupo de células fotorrecepto Fig u ra 7 .34. E s tru c tu ra d e l o jo c o m p u e s to de un in s e c to y e l o m a tid io . ras, llam adas células retinulares, organizadas en form a tubular. Las (a) El ojo com puesto de Drosophila m elanogaster(b) un ojo com puesto esta integra do por una córnea y m uchos om atidios. (c) cada om atidio consiste en una córnea, células retinulares son fotorrecepto un cono cristalino y m uchos fotorreceptores rabdom éricos llam ados células retinu res rabdom éricos, como es típico en lares. (d) Las células retinulares están organizadas radialm ente, con sus m icrovello invertebrados. Las m icrovellosidades sidades apuntando hacia dentro para fo rm a r una estructura llamada rabdón.
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Integrando sistem as fisiológicos
con luz escasa. Los ojos com puestos no proporcionan la resolución de los ojos de tipo cám ara de los verte b rad o s pero pueden discrim inar bastante bien. Hay dos m odos de in crem entar el poder de reso lución de los ojos com puestos: reducir el tam año de cada om atidio o in crem en tar el núm ero de éstos. Sin em bargo, la difracción debida a las propiedades de onda de la luz lim ita el tam año m ínim o de un om ati dio. Una vez que se alcanza este tam año, la única m an era de in crem en tar la agudeza visual es incre m en tar el núm ero de om atidios y, por tanto, el tam año del ojo com puesto. De hecho, p a ra ten er en térm ino medio el poder de resolución del ojo hum ano, los insectos deberían ten er ojos de un m etro de diám etro. Aunque los insectos tienen un poder de resolu ción lim itado, son m uy buenos captando im ágenes desde m uchas direcciones. Por ejemplo, u n a libélula puede ver casi 360° excepto po r un pequeño punto ciego que está causado p o r su cuerpo. A dem ás, los insectos tienen u n b u en poder de aum ento y pueden ver objetos p ara los cuales nosotros necesitaríam os un m icroscopio. Sin em bargo, los insectos sólo pue den ver unos m ilím etros m ás allá de su cuerpo. Las libélulas tien en la m ejor visión distante en insectos y sólo pueden ver objetos separados un m etro. Debido a la evidente com plejidad y g ran diversi dad de los ojos, la evolución de éstos ha sido un tem a de g ran interés p a ra los biólogos. Descubrim ientos recientes en biología m olecular del desarrollo h an proporcionado nuevos datos en este aspecto (véase la Caja 7.2).
La estructura de los ojos de vertebrados está relacionada con su función La estru ctu ra de los ojos de los vertebrados perm ite la form ación de im ágenes brillantes y enfocadas (Figura 7.35). La superficie exterior de los ojos de m am íferos consiste en la esclerótica, un a capa dura de tejido conectivo que form a el blanco de los ojos hum anos, y la córn ea, u n a placa tran sp aren te que p erm ite que la luz p en etre en el ojo. Justo bajo la esclerótica hay una capa fuertem ente pigm entada llam ada coroide. El coroide contiene vasos sanguí neos que n u tren el ojo. En la m ayoría de los anim ales diurnos como los hum anos el coroide tam bién absorbe la luz reflejada por el fondo del ojo, lo cual puede ocasionar distorsiones de la im agen. Los coroides de anim ales nocturnos como el gato son ligeram ente diferentes. Éstos contienen un a capa lla m ad a tapetum que refleja la luz en lugar de absor
Humor vitreo Retina Coroide
Iris Pupila
Fóvea
Córnea
Nervio óptico
Humor acuoso Disco óptico Esclerótica
Fig u ra 7.35.
E s tru c tu ra d e l ojo de m a m ífe ro .
La luz incidente en el ojo pasa a través de la córnea, el hum or acuoso, la pupila, la lente y el h u m o r vitreo antes de proyec tarse sobre la retina.
berla, am plificándola y perm itiéndoles m ejor visión nocturna. La luz que se refleja fuera del tapetum puede hacer que los ojos del gato p arezcan brillantes en la oscuridad. Limitando con el coroide está la retina. En el frente del ojo, justo dentro de la córnea, están el iris, el cu erp o ciliad o y la len te. El iris con siste en dos capas de m úsculo liso pigm entado bo r deando u n a ab e rtu ra llam ada pupila. El iris se puede co n traer o dilatar controlando la cantidad de luz que en tra en el ojo. El iris se dilata en la penum b ra, aum entando el tam año de la pupila y perm i tiendo que entre m ás luz. Con luz brillante, el iris se contrae dism inuyendo el tam año de la pupila y la cantidad de luz que entra. La lente se m antiene en su lugar detrás de la pupila m ediante ligam entos sus pensorios que están atados a los cuerpos ciliados, que contiene los m úsculos ciliados. El iris y el cuerpo ciliado dividen al ojo en dos com partim entos. La cám ara an terio r contiene un fluido llam ado hum or acuoso. El hum or acuoso es secretado por el cuerpo ciliado y circula en la cám ara an terio r hacia la pupila. La lente está suspendida en la cám ara poste rio r que contiene u n a m asa gelatinosa llam ada hum or vitreo. El hum o r vitreo ayuda a estabilizar el ojo y proporciona soporte a la retina.
Las lentes enfocan la luz en la retina Tanto la córnea como la lente tienen u n a form a con vexa y, por tanto, actúan como lentes convergentes
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 301
C aja 7 .2 . Genética y genómica Sim ilitudes moleculares de los diferentes ojos
Aunque la estructura del ojo parece ser
m aestro que controla el desarrollo de éste. Puesto que se
m uy distinta entre los animales, desde ojos
han encontrado análogos de pax-6 no sólo en Drosophila,
planos hasta otros en form a de com plejas cámaras, a nivel
que tienen ojos com puestos, sino tam bién en vertebrados,
m olecular los genes que controlan el desarrollo del ojo son
que tienen ojos vesiculares, parece que todos los ojos
sorprendentem ente parecidos. Por ejem plo, el gen pax-6
poseen un antepasado com ún. Este ojo ancestral puede
que codifica un fa cto r de transcripción ha sido aislado en
haber sido un único o tal vez unos pocos fotorreceptores
seres humanos, ratón, pollo, pez cebra y Drosophila. M uta
cuyo desarrollo estaba controlado por pax-6. De hecho, un
ciones de pérdida de función de este gen provocan estruc
hom ólogo de pax-6 se expresa en platelm intos, que
turas reducidas o ausentes en los ojos de vertebrados e
poseen un ojo prim itivo en form a de copa consistente en
invertebrados. En el hom bre, la m utación del gen de pax-6
un grupo de fotorreceptores rabdom éricos rodeados de
ocasiona una enferm edad hereditaria llamada aniridia en la
células pigmentarias.
que no existe iris o está deform ado. En Drosophila, la m uta ción de pax-6 provoca un fenotipo m utante llamado sin-ojo.
Referencias
Por lo tanto, el gen pax-6 es responsable de la form ación
• Callaerts, P, A. M. Munoz-Marmol, S. Glardon, E. Castillo, H. Sun, W. H. Li, W. J. Gehring, and E. Salo. 1999. Isolation and expression of a Pax-6 gene in the regenerating and intact Planarian Dugesia(G) tigrina. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 96: 558-563.
del ojo en num erosas especies. En Drosophila, la expresión ectópica de pax-6 (expresando el gen en tejidos donde no está norm alm ente presente) da lugar a la form ación de ojos com puestos en distintas partes del cuerpo, incluidas las patas, antenas y alas. Estos ojos ectópicos se ha visto que responden a la luz, aunque no son funcionales pues no están correctam ente conectados con el cerebro. Sin em bargo, estos experim entos han m ostrado que pax-6 fun ciona com o un in terruptor que inicia una cascada de des arrollo que provoca la form ación del ojo y actúa com o un
que enfocan la luz en la retina (Figura 7.36). Las len tes convergentes actúan desviando los rayos de luz h asta u n punto com ún en u n proceso llam ado refrac ción. La luz se refracta según p asa por objetos de diferentes densidades, y el grado de refracción varía dependiendo del ángulo de incidencia de los rayos. En los vertebrados terrestres, el grado de refracción es m ayor en tre el aire y la córnea que entre ésta y las lentes debido a u n a g ran diferencia de densidad entre el aire y el tejido corneal. De este m odo, la cór n ea de los v ertebrados terrestre s juega un papel fun dam ental enfocando im ágenes, m ientras que la lente es responsable del enfoque fino. Usted puede obser v ar este efecto p o r sí m ism o cuando ab re los ojos debajo del agua y ve que le resulta difícil enfocar debido a que la córnea y el agua tiene u n a densidad sim ilar y p o r tanto la luz ya no refracta de igual modo. La córnea es m enos im portante que las lentes en el enfoque de las im ágenes de los vertebrados acuáticos debido a este efecto. La im portancia de la córnea en los hum anos puede ser dem ostrada por el
• Gehring, W. J. 2002. The genetic control of eye development and its implications for the evolution of the various eye-types. International Journal of Developmental Biology 46: 65-73. • Salo, E., D. Pineda, M. Marsal, J. Gonzalez, V. Gremigni, and R. Batistoni. 2002. Genetic network of the eye in Platyhelminthes: Expression and functional analysis of some players during planarian regeneration. Gene 287: 67-74.
éxito de la cirugía láser en la corrección de proble m as de visión. El punto en el cual convergen las ondas de luz cuando p asan a través de u n a lente se denom ina punto focal. La distancia desde el centro de u n a lente h asta el punto focal se llam a distancia focal. Una im agen nítida se form a solam ente en el punto focal de u n a lente. De modo que los rayos de luz incidente deben converger en la retina, no delante ni detrás de ella, p ara form ar u n a im agen clara. La distancia focal de las im ágenes cam bia dependiendo de la dis tancia entre el objeto y el ojo. Como se m u estra en la Figura 7.36a, los rayos de luz reflejados desde un objeto distante son casi paralelos cuando p asan por la lente, al contrario de los rayos que proceden de objetos cercanos (Figura 7.36b). Como resultado de esta diferencia de ángulo de incidencia, las distancia focales de objetos lejanos y cercanos son distintas. P ara producir im ágenes enfocadas de am bos el ojo debe conseguir que el punto focal caiga en la retina, u n proceso llam ado acom odación. Debido a que la
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(a) F ig u ra 7.36.
Integrando sistem as fisiológicos
(b)
(c)
F o rm a c ió n d é l a im a g e n y a c o m o d a c ió n por e l o jo de m a m ífe ro .
(a) Los rayos de luz de un objeto distante son paralelos cuando penetran en el ojo y la distancia focal es corta, (b) los rayos proce
dentes de objetos cercanos no son paralelos. La distancia focal se Increm enta y la im agen no está enfocada en la retina, (c} Las lentes cam bian de form a, alterando la distancia focal y enfocando la im agen de objetos cercanos en un proceso de acom odación.
localización y la form a de la córnea son fijas, ésta no participa de la acom odación. En su lugar las lentes deben cam biar de posición o de forma. Algunos gusanos poliquetos cam bian la distancia focal alterando el volum en de fluido en el ojo, cam biando así el tam año del ojo y po r tanto la distancia entre la lente y la retina. Muchos vertebrados e inver teb rad o s alteran la distancia focal m oviendo las len tes adelante y atrás (Figura 7.36). P ara enfocar objetos cercanos, los m úsculos ciliados se contraen, lo que increm enta su ancho y libera la tensión del ligam ento suspensorio haciendo que la lente adquiera form a redondeada. P ara enfocar objetos distantes, los m úsculos ciliados se relajan. Esto dis m inuye su ancho y au m en ta la tensión del ligamento suspensorio haciendo que la lente se aplane. Una lente m ás esférica ayuda a enfocar objetos cercanos, m ien tras que u n a lente m ás plana ayuda a enfocar los objetos distantes.
La fototransducción ocurre en la retina Cuando la luz incide en la retina, los fotopigm ento en conos y bastones ab so rb en la energía de la radiación electrom agnética incidente y la trad u cen en una señal eléctrica. La retin a de los vertebrados está organizada en m últiples capas (Figura 7.37a). Los b asto n es y conos están de hecho localizados al fondo
de la retina, orientados con sus extrem os hacia atrás. Los conos y bastones form an sinapsis con una capa de células bipolares, y éstas a su vez con una capa de células ganglionares. En las m ism as capas de estas células hay dos clases adicionales de intern euronas: las células horizontales y las células amacrinas. E stas células son im portantes p ara el procesam iento de la señal en la retina. El axón de las células ganglionares corre a lo largo de la superficie de la retina, uniéndose p ara form ar el nervio óptico, que aban d o n a la retina en un punto ligeram ente descentrado de la m ism a. E sta zona, llam ada disco óptico, no contiene fotorreceptores y ocasiona un “punto ciego”. Puesto que los fotorreceptores de los vertebrados están localizados en las capas profundas de la retina, la luz que entra al ojo debe viajar a través de las célu las ganglionares y bipolares antes de alcanzar a los fotorreceptores. La única excepción a esta regla es u n a zona llam ada fóvea, una pequeña depresión en el centro mismo de la retina. En esta región las capas superpuestas de células bipolares y ganglionares están em pujadas a un lado, perm itiendo a la luz inci dir en los receptores sin atravesar diferentes capas de neuronas. La fóvea contiene sólo fotorreceptores de tipo cono, que poseen m ás sensibilidad que los basto nes. Estas dos propiedades hacen de la fóvea la región de la retina que proporciona la im agen m ás clara.
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Hacia el nervio óptico Células amacrinas
Células horizontales
Células ganglionares
Célula fotorreceptora
Célula de soporte
Segmento externo de la célula fotorreceptora
Fotorreceptores (bastones y conos)
(a) Ojo y retina de vertebrados Fig u ra 7.37.
Sistem as sensoriales 303
(b) Ojo y retina de cefalópodo
O r g a n iz a c ió n de la re tin a en v e rte b ra d o s y c e fa ló p o d o s .
(a) En la retina de los vertebrados, los fotorreceptores están localizados hacia el fondo. La luz debe atravesar varias capas celula
res antes de in cid ir sobre los fotorreceptores. Las capas interm edias de la retina tam bién contienen interneuronas que son im p o r tantes para el procesam iento de la señal de la retina de los vertebrados, (b) La retina de los cefalópodos consiste en una capa única de fotorreceptores y células de soporte. La luz que incide en el ojo se proyecta en el fotorreceptor directam ente sin pasar a través de m últiples capas de retina. No hay interneuronas, y poco a casi ningún procesam iento de señal en la retina.
La retin a de los cefalópodos está organizada de un modo ligeram ente diferente. En éstos, los fotorre ceptores están localizados en la superficie de la retina, en lugar de al fondo (Figura 7.37b). Las célu las de soporte están localizadas entre las células foto rreceptoras, pero no existe u n a capa adicional. Los axones de los fotorreceptores form an juntos el nervio óptico en lugar de form ar sinapsis con las interneu ro n as dentro de la retina. Por tanto, la retina de los cefalópodos tiene m enos p artes que la retina de los v ertebrados y procesa poca inform ación.
La retina de los vertebrados realiza cierto grado de procesamiento inicial En los vertebrados, la retina realiza un procesa m iento destacado de la señal visual antes del procesa m iento final en el cerebro. La retina procesa inform ación que llega de los bastones y conos de form a diferente (Figura 7.38). La señalización de los bastones tiene lugar según el principio de convergen
cia. Muchos bastones sinaptan con una célula bipolar simple y m uchas de estas células bipolares pueden hacer sinapsis con un a célula ganglionar. Como resul tado, unos 100 bastones pueden conectar con una única célula ganglionar. Por el contrario, un cono localizado en la fóvea conecta con im a célula bipolar simple y esta célula bipolar conecta con una única célula ganglionar. Por tanto, una vía única transporta la señal desde un cono h asta los centros visuales en el cerebro. Hacia el final de la retina, los conos partici p an en una vía algo m ás convergente, pero nunca con un a extensión tal como la descrita en los bastones. Debido a este cableado en la retina, cada célula ganglionar tiene un cam po receptor, llam ado campo visual, que rep resen ta la porción de la retina que contiene uno o m ás fotorreceptores. Debido al limi tado grado de convergencia en la vía de los conos, los cam pos receptivos de las células ganglionares aso ciadas con éstos son pequeños y los conos pueden proporcionar im ágenes de gran resolución. En con traste, los cam pos receptores de la célula ganglionar
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Integrando sistem as fisiológicos
todo-trans, activando la proteína G transducina que disminuye el GMPc en los fotorreceptores. Este decrem ento de GMPc cierra canales de N a+, hiperpolarizando la célula. Este potencial gra duado hiperpolarizante reduce la liberación de neurotransm isor desde el fotorreceptor. Este decrem ento de glu tam ato afecta a las células bipolares en las regiones “on” y “o f f del campo receptor. P ara las células bipolares que sinaptan con fotorreceptores de la región “on” (izquierda de la Figu ra 7.39), el glutam ato es un n eu ro tran s ganglionar bipolar m isor inhibidor. Un decrem ento de este (a) Procesamiento de señal los bastones neurotransm isor estim ula a la célula bipolar provocando la despolarización. Epitelio Esta despolarización induce la libera ción de neurotransm isor estim ulando la célula ganglionar. Por el contrario, el glutam ato es un neurotransm isor exci tador p ara las células bipolares de la región “o f f (derecha de la Figura 7.39). Así el decrem ento de glutam ato oca siona un decrem ento de la actividad de la célula bipolar, dism inuyendo la libe ración de neurotransm isión y provo cando la hiperpolarización de la célula ganglionar. Los cam pos receptores complejos ganglionar bipolar de u n a célula ganglionar m ejoran la (b) Procesamiento de señal desde los conos habilidad de esta p a ra detectar con traste entre luz y oscuridad. Cuando Fig u ra 7 .38. C o n v e rg e n c ia en la r e tin a de v e rte b ra d o . (a) La vía de señalización de los bastones m uestra convergencia. M uchos basto todo el campo receptor de u n a célula nes form an sinapsis con una célula bip o la r y m uchas células bipolares form an ganglionar es expuesto a u n a fuente de sinapsis con una célula ganglionar. Por lo tanto , los cam pos receptivos de estas luz, la cálida resulta pobrem ente esti células ganglionares incluyen entradas de m uchos fotorreceptores. (b) La vía de m ulada, debido a que la estim ulación señalización de los conos en la fóvea no converge. Un cono fo rm a sinapsis con de los fotorreceptores en la región “on” una única célula bipola r que contacta con una única célula ganglionar. Por lo ta n to, los cam pos receptores de estas células ganglionares incluyen las entradas de provoca la despolarización, m ientras un único fotorreceptor. que la estim ulación sim ultánea de los fotorreceptores de la región “o f f pro voca la hiperpolarización. Por el contrario, si sólo la que recibe en trad as de un bastón es m ucho mayor, y región “o n” se ilumina, la célula ganglionar m uestra p o r tanto los bastones proporcionan im ágenes di un a m ayor respuesta. Las células horizontales hacen fusas. sinapsis con m uchas células bipolares y ayudan a Los cam pos receptores de las células gangliona m ejorar el contraste a través de inhibición lateral res son generalm ente complejos, pues contienen (Figura 7.40). Cuando la luz incide en un fotorrecep regiones que son estim uladas por la luz y otras que tor, éste inhibe a la célula bipolar. Así, la célula hori son inhibidas (regiones “o n ” y “o ff de los campos zontal asociada con el fotorreceptor en la Figura 7.40 receptores). La Figura 7.39 resum e el m ecanism o del está recibiendo una en trad a excitadora del fotorre procesam iento retiniano en las zonas “on” y “off’ de ceptor, e inform ación inhibidora desde la célula ho ri los cam pos receptores. Para los fotorreceptores en zontal que ha sido estim ulada por un fotorreceptor am bas regiones, a luz convierte el retinal 11 -cis en Hacia el nervio óptico
Epitelio pigmentario
C A P ÍTU LO 7
b
Región “On" del campo receptor
H h
Región "Off" del campo receptor -
Sistem as sensoriales 305
m an sinapsis eléctricas con las célu las am acrinas. La despolarización de im a célula bipolar se com unica direc tam ente a la célula am acrina por m edio de uniones com unicantes. La célula am acrina integra y modifica las entradas de m uchas células bipo lares alterando la liberación de n eu rotransm isor desde ella hacia la célula ganglionar.
El cerebro procesa la señal visual
Al nervio óptico F ig u ra 7.39.
P ro c e s a m ie n to en la re tin a .
vecino. El efecto excitador de la en trad a del fotorreceptor central es parcialm ente cancelado por la en trad a inhibitoria de la célula horizontal. El resul tado neto es u n a estim ulación m ás suave de la célula bipolar y de la célula ganglionar. Por el contrario, un pequeño haz de luz que excite sólo el centro del fotoreceptor y no sus vecinos, provocará sólo una en trad a excitadora en la célula bipolar y u n a m ayor estim ulación. La inhibición lateral m ejora el con traste, acentúa los bordes y es el prim er nivel de pro cesam iento en la retina. P ara adicionar otro nivel de com plejidad, las células bipolares que reciben entradas de los basto nes no form an sinapsis directam ente con las células ganglionares. En su lugar, estas células bipolares for
Los nervios ópticos en tran en el cere bro po r u n a región llam ada quiasm a óptico (Figura 7.41). Una vez que las fibras nerviosas en tran en el cerebro desde el nervio óptico se las llam a vía óptica. La m ayoría de las n e u ro n as en la vía óptica form an sinapsis con un a p arte del cerebro llam ada núcleo geniculado lateral, que está organizado en capas que se co rres ponden parcialm ente con el campo visual. Como verem os en el Capítu lo 8 , esta organización topográfica es típica de m uchas p artes del cere bro. Las neu ro n as en el núcleo geni culado lateral form an sinapsis con las neu ro n as de la co rteza visu al, la p arte del cerebro responsable del procesam iento final de la inform a ción visual. El cerebro de los v erte b rad o s tiene dos cortezas visuales, u n a a cada lado. Algunos anim ales, incluidos los prim ates y m uchos predadores, tienen visión binocu lar, o la habilidad p ara com binar y com parar la infor m ación que llega de los dos ojos p ara g enerar una visión tridim ensional del m undo. Los anim ales con una buena visión binocular tienen generalm ente ojos localizados en la zona frontal de su cabeza de modo que los cam pos visuales a la derecha y a la izquierda se solapan en la zona binocular, perm itiéndoles usar las discrepancias entre estos cam pos p ara m ejorar la percepción de la profundidad. Por el contrario, los anim ales con ojos en cada lado de la cabeza tienen una visión binocular pobre debido a que sus cam pos visuales se solapan muy poco, y por tanto no pueden com parar las im ágenes de la derecha y la izquierda. En lugar de eso, estos anim ales tienen u n a excelente
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Integrando sistem as fisiológicos
lados del cerebro se com unican entre sí por medio de otras vías del sistem a visual perm itiendo que am bos lados del cerebro procesen inform ación de am bos ojos y proporcionando las condiciones p a ra la visión binocular.
La visión del color requiere múltiples tipos de fotorreceptores
óptico Fig u ra 7 .40.
In h ib ic ió n la t e r a l en la re tin a de los
v e rte b ra d o s .
Los fotorreceptores se com unican con las células bipolares y horizontales. Las células horizontales excitadas inhiben las células bipolares vecinas en un proceso llam ado in hibición lateral.
visión panorám ica que les perm ite ab arcar casi 360° de cam po visual. En los anim ales con visión binocular pobre, la inform ación sensorial de las n eu ro n as en el ojo dere cho viaja h asta el lado izquierdo del cerebro, m ien tra s que la inform ación sensorial de las neuronas del ojo izquierdo viaja al lado derecho cruzando el quiasm a óptico. Por el contrario, en los anim ales con b u en a visión binocular algunas de estas neuronas p erm an ecen sin cruzar, perm itiendo que cierta infor m ación del lado derecho del cam po visual sea proce sad a en el lado derecho del cerebro, e igualm ente p a ra el lado izquierdo. En los ratones (que poseen u n a zona binocular pequeña), cerca del 97% de las fibras cruzan hacia el lado contralateral, m ientras que sólo u n 3% se queda sin cruzar. En los hum anos, sólo u n 60% de las fibras del nervio óptico cruzan h acia el otro lado, m ientras que el 40% perm anece sin cruzar. Las lechuzas, que poseen u n a excelente visión binocular, son la excepción de esta regla. Las lechuzas poseen ojos frontales y una gran zona bino cular, pero todas las fibras cruzan el quiasm a óptico. Estos anim ales tienen otros m ecanism os p a ra proce sa r la señal visual y g en erar visión binocular. Ambos
Adem ás de detectar form as y movimiento, m uchos anim ales son capaces de detectar la longitud de onda de la luz incidente, un fenómeno que experim enta m os como color. P ara detectar colores, los anim ales deben discrim inar diferentes longitudes de onda. Esto se consigue teniendo m ás de im tipo de fotorre ceptor que contengan diferentes fotopigm entos sen sibles a la luz de diferentes longitudes de onda. El hom bre puede distinguir del orden de 1.500 longitu des de ondas ente 400 nm (azul) y 700 nm (rojo) con diferencias del orden de 0,2 nm . Esto podría sugerir que el hom bre podría necesitar del orden de cientos de fotorreceptores y fotopigmentos; sin em bargo, sólo tenem os tres fotorreceptores de tipo cono dife rentes con sensibilidades m áxim as de aproxim ada m ente 440 nm (azul), 530 nm (verde) y 565 nm (rojo) (Figura 7.42). La luz de u n a longitud de onda dada estim ula todos estos fotorreceptores pero en im grado diferente. La retina y el cerebro entonces com p a ra n la salida de cada tipo de fotorreceptor e infie re n el color del estímulo. Cada cono es sensible a u n a longitud de onda específica de la luz, pero puede ser estim ulado por la luz de otras longitudes de onda. Entonces, ¿cómo puede el cerebro distinguir entre un estímulo de baja intensidad de longitud de onda específica, de otro de gran intensidad a longitudes de onda diferentes? Cla ram ente un solo cono no puede proporcionar la sufi ciente inform ación sobre esto. La salida de todos los tipos de conos debe ser usada p a ra estim ar la longi tud de onda. La prim era etapa de este procesam iento ocurre en las células ganglionares y horizontales de la retina, donde la inhibición lateral por las células hori zontales desem peña un im portante papel en el proce sam iento inicial de la inform ación del color. Este sistem a, llamado visión de color tricromática, p e r m ite al hom bre ver u n a gran variedad de colores uti lizando solam ente tres tipos de fotorreceptores. Las aves, los reptiles y los peces de aguas poco profundas puede ser tricromáticos, tetracrom áticos e incluso pentacrom áticos (dependiendo de las espe cies). Es difícil p ara nosotros com prender el m undo visual de un anim al pentacrom ático. Los fotorrecepto-
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Sistem as sensoriales 307
les m arinos y algunas especies de roedo res y carnívoros nocturnos h an perdido uno de estos pigm entos y se convierten en m onocromáticos no pudiendo distinguir ningún color. Puesto que los reptiles antiguos con visión tricrom ática son los probables ancestros de los m am íferos, podem os inferir que éstos h ab rá n perdido uno o m ás de los genes de estos fotopigm entos ancestrales. Los m am íferos se piensa que evolucionaron fundam entalm ente como criaturas nocturnas (apareciendo inicialm ente en la época de los dinosau rios) y en ese m om ento algunos de los genes necesarios p a ra la visión de color pudieron perderse debido a que no eran necesarios en condiciones de luz escasa. La tricrom acidad se restauró posterior m ente en los prim ates. Curiosamente, sin em bargo, la visión tricrom ática p a re c e h a b e r evolucionado in d e p e n dientem ente en los prim ates (véase la Caja 7.3).
I T e rm o rre c e p c ió n Los anim ales tienen term orreceptores centrales, localizados en el hipotálamo del cerebro, que m onitorizan la tem peratura interna, y term orreceptores periféricos que m onitorizan la tem peratura am bien tal. Existen tres tipos diferentes de termoreceptores periféricos: term orreceptores F igura 7.41. P ro ce sa m ie n to v is u a l. sensibles al calor, term orreceptores sensi En el hom bre, los cam pos visuales de los dos ojos se solapan sustanclalm ente bles al frío y term orreceptores especiali aunque cada ojo posee una visión ligeram ente diferente. Cerca de la m itad de zados en detectar estímulos calientes las fibras nerviosas de cada ojo van a la derecha de la corteza visual y la otra m itad conecta con la Izquierda. Por lo tanto, cada lado del cerebro recibe in fo r dolorosos. En los mamíferos, los termom ación de am bos ojos. La com paración entre estas dos visiones le perm ite al receptores sensibles al calor com ienzan a cerebro percib ir la profundidad. disparar potenciales de acción cuando la tem peratura de la piel sube por encim a de 30°, y el disparo aum enta con la tem peratura hasta un res adicionales parecen perm itir a estas especies dis nivel saturante. Por el contrario, los term orreceptores crim inar entre colores que parecen sim ilares al ojo de frío son extrem adam ente sensibles a pequeños hum ano y algunas de ellas pueden detectar luz ultra (0,5°) decrem entos de tem peratura, aunque responden violeta (UV) o infrarroja. La m ayoría de los mamíferos m ás a los cambios de tem peratura que a sus valores son dicromáticos, teniendo conos (y bastones) que absolutos. Los nociceptores térm icos detectan el calor detectan sólo longitudes de onda leves (verde) y cortas doloroso y ardiente y comienzan a disparar sólo a (azul). Puesto que los dicromáticos “pierden” los conos m ayores tem peraturas (comenzando por alrededor de “rojos”, estos anim ales no distinguen entre rojo y 45° en los mamíferos). Estas neuronas increm entan su verde, a sem ejanza de los daltónicos. Muchos anim a
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Integrando sistem as fisiológicos
o <
F ig u ra 7.43.
400
430
500
530
560
600
El ó rg a n o fo s e ta de la s s e r p ie n te s .
El órgano foseta de esta víbora se aprecia claram ente entre la nariz y el ojo.
Longitud de onda (nm) F ig u ra 7.42.
E sp e c tro de a b s o rc ió n de los conos
y b a s to n e s en e l hom bre.
El hom bre tiene típicam ente un tip o de fo to p lg m e n to en los bastones y tres tip o s de fo to p ig m e n to s en los conos. Aunque el espectro de absorción de estos foto p ig m e n to s se solapa, cada uno tiene un va lo r de absorción m áxim o.
frecuencia de disparo en paralelo al aum entar de la sensación dolorosa. La term orrecepción com ienza cuando se activa u n a proteína term orreceptora en el extrem o libre del term inal neuronal. Estos receptores, que se encuen tra n en vertebrados e invertebrados, se denom inan termoTRP y, como algunos m ecanorreceptores, son m iem bros de la familia de canales iónicos TRP. Los termoTRP individuales están especializados en detec ta r diferentes cam bios de tem peratura: algunos ter moTRP se activan p o r calor y otros por el frío. La capsaicina, el ingrediente picante de los pimientos, estim ula las neuronas sensibles al calor, m ientras que el m entol, el ingrediente que da a la m enta sabor “frío”, estim ula las neuronas sensibles al frío. Estu dios futuros sobre la resp u esta de los term orreceptores a estas sustancias químicas deben d am o s m ás pistas sobre las propiedades activas de los termoTRP. Algunos anim ales tien en órganos ligeram ente especializados que les perm iten detectar la radiación de calor de objetos distantes. Por ejemplo, las víboras (un grupo que incluye la serpiente de cascabel) tienen u n órgano fo se ta especializado entre los ojos y la n ariz en cada lado de la cabeza (Figura 7.43). Otras serpientes, como la boa constrictora, tienen fosetas labiales en las m andíbulas inferior y superior. Los órganos foseta y las fosetas labiales constituyen term orreceptores extrem adam ente sensibles que les
perm iten a estos anim ales detectar a las p resas y ele gir hábitats térm icam ente apropiados. Los term orreceptores en los órganos foseta pueden detectar cam bios de tem p eratu ra ta n pequeños como 0,003° (com párese este rango con los 0,5° en los term orreceptores hum anos). Se sabe poco sobre los m ecanis m os de transducción de los órganos foseta. Sin em bargo, al igual que las neuronas termoTRP en el hom bre, los term orreceptores del órgano foseta son sensibles a capsaicina, lo que sugiere que puede h a b e r m ecanism os de acción sim ilares.
I M a g n e to rre c e p c ió n La m agnetorrecepción, o la habilidad de detectar cam pos m agnéticos, está am pliam ente distribuida en el m undo animal. Las aves migratorias, el salmón y otros m uchos organism os usan el campo magnético de la tierra p ara ayudarse a navegar, aunque el hom bre aparentem ente h a perdido ese sentido. La m agne torrecepción ha sido extensam ente estudiada, aunque sus mecanism os no se com prenden del todo y es una de las m ás desconocidas m odalidades sensoriales. En un interesante estudio, los científicos identifi caron neuro nas específicas en el epitelio olfativo de la tru ch a que respondían a cam pos m agnéticos. E stas neuronas contenían partículas que recu erd an a la m agnetita cuando se exam inan bajo el m icrosco pio. La m agnetita es un m ineral natu ral que re s ponde a los cam pos m agnéticos y que podría ser la base de la m agnetorrecepción en anim ales. Las partículas de m agnetita están organizadas en una cadena dentro de la célula, lo que sugiere que las
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Sistem as sensoriales 309
Caja 7.3 Evolución y diversidad La evolución de la visión tricrom ática en prim ates
Los mamíferos poseen peor visión del color que otros vertebrados, y muchas espe cies son ciegas al color. Los primates son una de las pocas excepciones a esta regla. Todos los primates del Viejo Mundo (hombre y monos) tienen visión tricromática pare cida a la del hombre. Por el contrario, en los monos del Nuevo Mundo hay una gran variedad en la habilidad para percibir el color. La mayoría de las especies son dicromáti cas, unas pocas especies tienen hembras tricromáticas pero machos dicromáticos, y sólo los monos aulladores son realmente tricromáticos. Actualmente se está traba jando la genética de estos tres sistemas visuales y su evo lución está en estudio. El hombre y otros primates del Viejo Mundo tienen genes de opsina en el genoma, uno que codifica para un fotopigmento sensible al azul, otro para el verde, y otro para el rojo. Las opsinas verde y roja están codificadas por secuencias de DNA muy similares y sólo se diferencian en 11 aminoácidos. Esta diferencia sugiere, basándose en los rangos de mutaciones en vertebrados, que estos genes comenzaron a divergir hace unos 400 millones de años. Al parecer, un gen ancestral de opsina verde se duplicó en alguno momento de la evolución temprana en primates y ambos genes comenzaron a divergir. En el hombre, estos dos genes están localizados muy cerca en el cromosoma X, lo que sugiere que aparecen como una duplicación ances tral de esta parte del genoma. Algunas especies del Nuevo Mundo, como el mono aullador, un animal nocturno, son monocromáticas y por tanto ciegas al color. Pero otras especies de monos del Nuevo Mundo han formado la visión tricromática. Estos monos tienen sólo dos genes de opsina en su genoma (azul y verde). Al igual que en los primates del Viejo Mundo, el gen verde se encuentra en el cromosoma X, pero en este caso no aparece duplicado. En su lugar, se encuentran dos alelos de él en la población. Uno de ellos es sensible a la luz verde y el otro sensible a la luz roja. Un individuo que sea heterocigoto para estos alelos (que posea una copia del gen verde y una del rojo) es funcionalmente tricromático, lo que expresa una opsina azul, una opsina verde y una opsina roja. Recordemos que la opsina verde se encuentra en el
bacterias utilizan estas p ara detectar los cam pos m agnéticos. Un m ecanism o sim ilar es utilizado por algunas especies de bacterias p a ra orientarse en un cam po m agnético. Sin em bargo, los m ecanism os por los cuales las n eu ro n as m agnetorreceptoras resp o n
cromosoma X. Los primates machos sólo poseen una copia de cromosoma X y una copia del Y. Por tanto, los machos de esta especie son siempre homocigotos para la opsina verde y son funcionalmente dicromáticos. En estas especies los machos son ciegos al color rojo/verde y las hembras son o bien ciegas al color o bien tricromáticas dependiendo de si son heterocigotos para el gen. De todos los primates del Nuevo Mundo sólo el mono aullador se desvía de este sistema. En el mono aullador, la opsina verde ha sido duplicada, situación parecida a la de los primates del Viejo Mundo. Por tanto, tanto el macho como la hembra son realmente tricromáticos y tiene una visión del color parecida al humano. Puesto que los monos del Nuevo Mundo divergieron de los monos Viejo Mundo antes de la evolución de los primates, la duplica ción de gen en los monos aulladores es independiente de aquella compartida con los primates del Viejo Mundo. También parece ser más reciente, puesto que los genes de la opsina verde y roja difiere en los monos aulladores sólo en 8 aminoácidos. Por tanto, los verdaderos tricromá ticos han evolucionado al menos dos veces en los prima tes, uno en el linaje que dio lugar a los primates del Nuevo Mundo y otro en los antepasados de los monos del Viejo Mundo. La evolución múltiple e independiente de un rasgo fenotípico sugiere que éste se ha seleccionado durante la evolución producto de una importante función. Por ejemplo, ser capaz de distinguir entre muchas som bras de rojo y verde le permitiría al primate distinguir cier tas frutas en un fondo de hojas.
R eferencias
• Domlny, N. J., and P. W. Lucas. 2001. Ecological importance of trichromatic vision to primates. N ature 410: 363-366. • Dulai, K. S., M. von Dornum, J. D. Mollon, and D. M. Hunt. 1999. The evolution of trichromatic color vision by opsin gene duplication in New World and Old World primates. G enom e Research 9: 629-638. • Jacobs, G. H. 1996. Primate photopigments and primate color vision. Proceedings o f th e N ational A ca d e m y o f Sciences USA 93: 577-581. • Orsorio, B., and M. Vorobyev. 1996. Colour vision as an adaptation to frugivory in primates. Proceedings o f th e Royal S o cie ty o f London (Series B : B iological S ciences) 263: 593-599.
den a cam bios en la posición de la m agnetita son aún desconocidos. No todos los anim ales que responden a cam bios m agnéticos tienen cristales de m agnetita, de m odo que no parece que este m ecanism o esté p re sente en todos los m agnetorreceptores.
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Integrando sistem as fisiológicos
de otro animal, el ritm o circadiano se restablece incluso si
S is te m a s in te g ra d o re s
las nuevas neuronas no forman conexiones sinápticas con otras partes del cerebro.
Sistem as sensoriales y ritmos circadianos
El núcleo supraquiasmático comunica sus ritmos circadianos a otras partes del hipotálamo, incluyendo el
Los ritmos circadianos son variaciones diarias predeci
núcleo paraventricular, el ventromedial y el periventricu
bles de los parámetros fisiológicos que están ligados al ciclo de luz y oscuridad. Casi todos los aspectos de com
lar. Estos núcleos intervienen en la regulación de una gran cantidad de procesos fisiológicos. El núcleo ventro
portamiento y la fisiología sufren ritmos circadianos,
medial regula el apetito y el comportamiento alimenta
incluyendo procesos como la tasa metabólica, la activi dad y la digestión. Los ritmos circadianos persisten
rio. El núcleo paraventricular, la hormona vasopresina (también llamada hormona antidiurética o ADH) y la oxi-
incluso cuando el organismo se mantiene en oscuridad constante; sin embargo, sin pautas ambientales estos
tosina. La vasopresina regula la función renal, mientras que la oxitosina influye en la expulsión de la leche de las
ritmos tienden a ser algo más largos o cortos que las 24
mamas y en la contracción del útero. El núcleo periven
horas del día (su nombre deriva de circadia; circa = cerca y dies = día). Las pautas ambientales externas, como los
tricular secreta un gran número de hormonas liberadoras que regulan las hormonas de la pituitaria anterior. La hor
patrones de luz y oscuridad, ayudan a mantener el reloj
mona pituitaria prolactina es m ejor conocida por sus
circadiano interno en sincronía con el ambiente natural. En los mamíferos, el reloj circadiano está localizado en
efectos en la reproducción en mamíferos. Esta hormona estimula el crecimiento de las glándulas mamarias, la
una parte del cerebro llamada hipotálamo, o más especí ficam ente en el núcleo supraquiasmático, un grupo de
producción de leche, y en algunas especies es impor tante para el m antenimiento del embarazo y para esti
cerca de 10.000 neuronas en el hipotálamo (Figura
mular
7.44a). M uy poca luz es capaz de penetrar tan profunda mente en el cerebro, por lo que muchos científicos sos
construcción del nido (véase el Capítulo 15). La prolac tina también participa en otros procesos fisiológicos
com portam ientos
reproductores
como
la
tienen que los conos y bastones deben proporcionar
como (1) el balance de agua y electrolitos, (2) el creci
información de la luz incidente al núcleo supraquiasmá tico, porque los mamíferos que pierden los ojos no pue
miento y desarrollo y (3) la función inmune. La hormona estimulante del tiroides (TSH) liberada por la pituitaria
den reiniciar sus ritmos circadianos en respuesta a variaciones de luz. Sin embargo, los mamíferos que no
provoca la liberación de la hormona tiroidea desde la glándula tiroides. Las hormonas tiroideas juegan un
poseen bastones ni conos pero tienen sus ojos intactos,
papel esencial en la regulación de la tasa metabólica. La
muestran ritmos circadianos normales que responden a las pautas de luz, lo que sugiere que los conos y basto
hormona adrenocorticotropina (ACTH) provoca la libera ción de corticosteroides de la corteza adrenal. Los corti-
nes no son la entrada de luz al reloj circadiano.
costeroides, o las hormonas del estrés, regulan muchos
Ahora sabemos que las células ganglionares de la retina juegan un papel esencial en la transmisión de
procesos biológicos, particularmente aquellos involucra dos en el metabolismo de los carbohidratos. La hormona
señales de luz al núcleo supraquiasmático. Las células ganglionares hacen contactos sinápticos con las neuro
de crecimiento (GH) liberada desde la pituitaria estimula diversos procesos anabólicos y regula la liberación del
nas del núcleo supraquiasmático, proporcionando una
factor de crecim iento parecido a la insulina desde el
vía neural directa entre la célula receptora sensorial (célula ganglionar) y el sistema integrador en el sistema
hígado, que juega un papel importante en la regulación del crecimiento. Finalmente, la hormona estimuladora
nervioso central. La naturaleza de la proteína fotorrecep-
del folículo (FSH) y la hormona leutenizante (LH) regulan
tora en estas células está aún sujeta a debate, pero casi todos los indicios sugieren que podría tratarse de una
la producción de hormonas sexuales (andrógenos y estrógenos). Modulando la actividad del hipotálamo, que
proteína relacionada con la opsina llamada melanopsina. El núcleo supraquiasmático a su vez comunica la
influye en la función pituitaria, el reloj circadiano puede influir en casi todas las funciones del cuerpo.
señal rítmica a otras partes del cerebro y a muchos siste
El núcleo supraquiasmático también envía señales a
mas fisiológicos (Figura 7.44b). Actualmente, casi todas las pruebas sugieren que el núcleo supraquiasmático se
la glándula pineal, un núcleo vecino en el cerebro. La glándula pineal secreta melatonina al liquido cefa
comunica con el resto del cuerpo secretando neuropépti
lorraquídeo y la sangre según un ritmo circadiano. En el
dos. Por ejemplo, si se destruyen las neuronas del núcleo supraquiasmático, el ritm o circadiano desaparece, pero
hombre, la secreción de melatonina es alta durante la noche y baja durante el día. La mayor parte de los tejidos
si se trasplantan neuronas del núcleo supraquiasmático
poseen receptores para melatonina, de modo que
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 311
aunque no comprendemos completamente sus efectos,
En la mayoría de los vertebrados no mamíferos la
éstos deben ser muy extendidos. El núcleo supraquiasmático y parte de la pituitaria anterior poseen altos nive
glándula pineal es sensible directamente a la luz y con tiene un reloj biológico endógeno. En estos animales, el
les de receptores para melatonina, así que la melatonina
órgano pineal descansa en la parte superior del cerebro, y
parece desempeñar un papel de regulación por retroali mentación del reloj circadiano. De hecho, la adminis
en algunas especies el cráneo sobre esta glándula es muy fina para permitir el paso de luz. De hecho, en algunos
tración de melatonina puede reajustar el reloj circadiano o mejorar la respuesta a pautas ambientales. Debido a
vertebrados ya extinguidos, el órgano pineal forma aparentemente un tercer ojo con una lente para enfocar la
estos efectos, la melatonina se usa como suplemento
luz. En los organismos vivos, sólo la lamprea y algunas
en la dieta para combatir los efectos de je t lag.
lagartijas mantienen un remanente de este tercer o jo .! !
Hipotálamo Núcleo
Glándula pineal
Núcleo supraóptico Núcleo periventral
Núcleo supraquiasmático
Núcleo ventromedial
óptico pituitaria
Pituitaria
Prolactina
Pituitaria posterior
TSH
Vasopresina
I
I
I
i
k
Glándula indula Corteza Hígado' Hígado\ tiroides adrenal Hormona Cortisol tiroides
I
IGF
Gónad;
Andrógenos Estrógenos
Muchos tejidos
Mama, útero
Muchos tejidos
(b) Fig u ra 7.44.
P a p e l de la e n tra d a de lu z en los ritm o s c ir c a d ia n o s en los m a m ífe ro s .
(a) Órganos involucrados en los ritmos circadianos en mamíferos, (b) El sistema endocrino y los ritmos circadianos. Una señal de luz de las células ganglionares en la retina entrena el reloj circadiano en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo. El NSQ envía señales a la glándula pineal alterando la liberación de melatonina en un ciclo circadiano. La melatonina y otras proteí nas secretadas desde el NSQ afectan a los otros núcleos hipotalámicos provocando cambios circadianos en la liberación de vaso presina y oxitocina desde la pituitaria posterior y afectando a la secreción de hormonas liberadoras en el sistema portal pituitario. Las hormonas liberadoras afectan a la secreción de las hormonas de la pituitaria que van a tener efectos directos en una variedad de tejidos así como influir en la liberación de hormonas desde otras glándulas endocrinas. La melatonina desde la glándula pi neal también penetra en el torrente sanguíneo y tiene efectos en muchos tejidos. (TSH = hormona estimulante de la tiroides; ACTH = hormona adrenocorticotropina; GH = hormona del crecimiento; FSH = hormona estimuladora del folículo; LH = hormo na luteinizante; IGF = factor de crecimiento parecido a la insulina).
312 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Resumen Los receptores sensoriales recogen inform ación sobre el am biente externo e interno y convierten estas señales incidentes en cam bios de potencial de m em b ran a que pueden ser in terpretados por el resto del sistem a nervioso. Los receptores sensoriales pu e den ser clasificados de m uchos m odos, pero la regla m ás útil se b asa en el tipo de estímulo que cada receptor es capaz de d etectar o de la m odalidad sen sorial. Los quim iorreceptores sienten los cambios am bientales de sustancias quím icas tanto en el m edio interno como en el externo. Los m ecanorreceptores detectan cam bios de presión. Los fotorre ceptores detectan luz. Los m agnetorreceptores, cam pos m agnéticos. Los electrorreceptores detectan corrientes eléctricas, y los term orreceptores, cam bios de tem p eratu ra. La m ayoría de los receptores tiene u n estím ulo adecuado, aquel que provoca la resp u esta m áxim a, aunque puede resp o n d er a otros si son suficientem ente fuertes. Algunos receptores polim odales, incluidos los de dolor (nociceptores), tienen u n a especificidad m uy am plia y detectan m ás de u n estímulo. Independientem ente de la m odalidad de estímulo, todos los receptores realizan funciones muy similares: detectan estímulos de varios tipos y convierten la energía de estos estímulos en cambios de potencial de m em brana en la célula receptora. Los receptores sen soriales que derivan de las células epiteliales form an sinapsis con neuronas sensoriales aferentes. En estos casos, el cambio de potencial de m em brana en el receptor se denom ina potencial receptor. Por otro lado, una neurona sensorial aferente puede ser en sí m ism a un receptor sensorial. En estos casos, el estí mulo incidente ocasiona u n a despolarización del potencial de m em brana llamado potencial generador. El potencial generador se propaga a la zona de inicia ción del potencial de acción y genera un disparo. Puesto que todos los potenciales de acción son iguales, hay que utilizar m ecanism os específicos p ara codificar la m odalidad sensorial, localización, intensidad y duración. P ara la m ayoría de los fotorreceptores, su localización puede ser suficiente p ara codificar la m odalidad y localización del estímulo. La frecuencia de los potenciales de acción codifica la intensidad del estímulo, y el inicio o final de grupos de potenciales de acción codifican la duración. Los receptores olfatorios en vertebrados son n eu ronas bipolares que expresan receptores de olor que señalizan a través de una proteína G. Cada neurona olfatoria expresa un tipo de cientos de genes que codi
fican receptores de olor. Cualquier olor particular podrá, po r tanto, excitar u n a com binación específica de neuronas olfatorias, que perm ite a los vertebrados discrim inar entre infinidad de olores utilizando poco m ás de unos cientos de receptores específicos. Los receptores olfatorios en invertebrados tam bién están acoplados a proteínas G p ara la transducción de la señal, pero los genes que codifican estos receptores no son homólogos a los de los vertebrados. El sistem a gustatorio detecta cinco tipos am plios de sustancias quím icas (dulce, um am i, salado, ácido y amargo). Los recetores del gusto en vertebrados son células epiteliales que form an sinapsis con las n euronas sensoriales bipolares y utilizan diferentes m ecanism os de transducción de la señal en lugar de señalizar a través de un receptor acoplado a proteína G. Los invertebrados utilizan m ecanism os com pleta m ente diferentes p ara el gusto. Por ejemplo, los receptores del gusto en insectos son neuronas senso riales bipolares que señalizan a través de receptores acoplados a proteínas G. Todos los organism os tienen m ecanorreceptores, que señalizan a través de canales iónicos sensibles a estiram iento. Tanto los vertebrados como los inverte brados tienen receptores aislados de presión y tacto así como órganos m ecanorreceptores complejos. Los órganos m ecanorreceptores en vertebrados contie n en células especializadas llam adas células ciliadas que poseen proyecciones ciliadas que se doblan en resp u esta a cam bios de presión, despolarizando las células y enviando señales a las neuronas sensoriales asociadas. Casi todos los animales pueden detectar la luz, uti lizando cromóforos que se encuentran en las células fotorreceptoras. Los anim ales tienen dos clases de fotorreceptores (ciliados y rabdom éricos) que usan diferentes m ecanism os de transducción de la señal, aunque am bos tipos contienen cromóforos similares que están integrados por las proteínas opsina y un pig mento derivado de la vitam ina A (como el retinal). Los vertebrados tienen sólo fotorreceptores ciliados, m ien tras que los invertebrados tienen tanto ciliados como rabdoméricos. Dentro de los receptores ciliados de los vertebrados hay dos tipos de células: conos y bastones. En la m ayoría de los anim ales, los fotorreceptores están agrupados en los ojos, que poseen u n a estruc tu ra diversa desde niveles sim ples de organización h asta los complejos ojos de los vertebrados en form a de cám aras. A p esar de la diversidad en la estructura de los ojos, los m ism os genes están involucrados en el desarrollo de los ojos en todos los anim ales, lo que sugiere la posibilidad de un origen evolutivo común.
C A P ÍTU LO 7
Sistem as sensoriales 313
A dem ás de la luz, los organism os pueden detectar otros tipos de radiación electrom agnética, incluidos los cam pos m agnéticos, los cam pos eléctricos y la tem peratura. Los m ecanism os de electrorrecepción y de m agnetorrecepción son aún desconocidos, pero los receptores de tem p eratura h an sido identificados recientem ente. Estos canales iónicos sensibles a la tem p eratu ra se encuentran en u n a am plia variedad de anim ales, incluyendo tanto los vertebrados como los invertebrados.
13. Compare y contraste los m ecanism os de foto transducción en los fotorreceptores rabdom éricos y ciliados.
P reguntas de revisión
P reguntas de síntesis
1. ¿Cuál es la diferencia entre órgano sensorial y receptor sensorial? 2. ¿Cuáles son las m odalidades fundam entales de estímulo detectadas por los receptores sensoriales en anim ales? 3. ¿Qué es u n potencial receptor? ¿Cómo difiere de un potencial generador? 4. Explique y dé u n ejemplo del tipo de información sensorial que puede ser codificada por este método? 5. ¿Qué relación existe entre la intensidad de un estí mulo y la respuesta de la neurona prim aria afe rente? ¿Cómo codifican las neuronas cambios en la intensidad del estímulo?
6 . Muchos sistem as sensoriales codifican los estím u los logarítm icamente. Compare y contraste esta aproxim ación con u n a oscilación fraccionada. 7. ¿Qué es la adaptación sensorial?
8. Compare y contraste los mecanism os de transduc ción de la señal usados por los receptores del gusto p ara detectar los tipos prim arios de sabores. 9. Cite y describa tres tipos de receptores de tacto en la piel de mamífero. 10. Usando el oído de los vertebrados como ejemplo, destaque algunas de las vías en las que los sistemas sensoriales amplifican los estímulos ambientales. 11. ¿Cómo discrim ina el oído entre sonidos de dife rentes frecuencias? 12. Las células ciliadas externas responden a sonidos, pero no hacen contacto sináptico con las neuronas aferentes que tran sp o rtan la inform ación al cere bro. ¿Cuál es su papel en la adición?
14. Compare y contraste los conos y los bastones de los mamíferos. 15. Explique el papel de los siguientes tipos de células en la retina de m amífero utilizando u n a o dos ora ciones en cada caso: bastones, conos, células hori zontales, células bipolares, células am acrinas, células ganglionares.
1. Los m ecanorreceptores no se despolarizan en re s puesta a la luz, independientem ente de lo intenso que sea el estímulo, pero el ojo en cambio res ponde a estímulos m ecánicos (como la presión en el globo ocular) si el estímulo es suficientemente grande. ¿Cuál podría ser la causa? 2. ¿Utilizan los receptores del gusto codificación? ¿Por qué o por qué no? 3. Los receptores p ara el tacto fino están localizados típicam ente en las capas superficiales de la piel, m ientras que los receptores p ara el tacto m ás grueso lo están en las capas profundas. ¿A qué se puede deberse esto? 4. Las células ciliadas tienen prom inentes cilios en su superficie apical. ¿Por qué estos cilios incre m entan la sensibilidad de estas células a estímulos m ecánicos? 5. ¿Por qué el oído interno de la m ayoría de los ver tebrados tiene tres canales sem icirculares y no sólo uno?
6 . La visión periférica es la habilidad de detectar objetos fuera de campo visual. Los vertebrados varían en la extensión de esta visión periférica. ¿Qué diferencias esperaría en la retina de un ani m al con u n a excelente visión periférica com pa rado con otro de una visión periférica pobre? 7. El hom bre sólo tiene tres tipos de conos pero puede distinguir cientos de colores. ¿Cómo es esto posible?
8 . ¿Qué predicciones podría hacer sobre lo que le sucedería a la visión de un individuo con una enferm edad degenerativa que desestructura las células horizontales de la retina?
C a p í tu lo 8 Organización funcional de los sistem as nerviosos
L
os a n tig u o s egip cios y g rie g o s consideraban q ue el encéfalo tenía poca im p o rta n cia . Al prep a ra r una m o m ia para el e n tie rro , los e gip cios conservaban cuid a d osa m e n te el co razón, pero desechaban el encéfalo, porque
creían que el corazón era la fu e n te del co n o cim ie n to . El filó s o fo g rie g o A ristó te le s, en su activid a d del siglo Las im ágenes obtenidas por resonancia m agnética funcional (fMRI) iv a. C., consideraba que el encéfalo actuaba co m o una revelan s e ccio n e s del encéfalo que se activan con la sta re a s relativas al especie de sistem a de re frige ra ció n para el e spíritu (o
lenguaje.
a lm a), pero que el alm a se localizaba en el corazón. Q u inie n to s años más ta rd e , el m é dico g rie g o Galeno
re fu tó esta teo ría y esta b le ció, tra s o bse rva r los efec to s de las lesiones en la cabeza de los g la d iad o res ro
na es una herra m ien ta s im ila r a una palanca que se
m anos, que la a ctivid a d m e nta l se d esarrollaba en el
usa para c o m p rim ir una carga e xplosiva en una p e rfo
in te rio r del encéfalo. Pasaron siglos, pero los fis ió lo
ración). La onda expansiva hizo vo la r la barrena desde
g os y ana tom ista s p rog re sa ron poco m ás allá de las
el agujero de perfo ra ció n hasta la m e jilla izquierda del
o bse rva cion e s de Galeno en la co m pre n sión del fu n
señor Gage. A tra ve só p o r co m p le to su cabeza, le salió
c io n a m ie n to del encéfalo. El encéfalo hum a n o tie ne una apariencia m ás bien u n ifo rm e y está com pu e sto
p o r la parte su p e rio r del cráneo y fue a parar a una dis tancia de unos 20 m e tro s m ás allá.
p o r un te jid o b lando a m o rfo . En realidad, d eb id o a su aspecto g e la tin o so , hasta la m ita d del sig lo xvn la m a
siones cerebrales le cam biaron la personalidad. A ntes
y o r parte de los ana tom ista s y fis ió lo g o s creyeron que
del accidente había sido un tra b a ja d o r eficaz, e q u ilib ra
el encéfalo no se su bd ividía en partes funcio n a le s,
do y su m am ente intelig en te . Después del accidente, se
sino que actuaba de fo rm a co n ju n ta , sin especializa-
v o lv ió irrita b le , blasfem o e incapaz de to m a r decisio
ción p o r zonas. Hacia el siglo xix, sin em ba rg o , a p a rtir de o bse rva
nes. En m uchos aspectos estaba en buen estado, pero su personalidad cam bió to ta lm e n te . Casos co m o el de
ciones detalladas de pacientes con lesiones, tu m o re s o
Phineas Gage y de o tro s pacientes con derram es u
derram es cerebrales, los fis ió lo g o s llegaron a la co n
otras lesiones cerebrales a yudaron a los a natom istas a asignar funcio n e s a varias partes del encéfalo y a po rta
clusión de que dete rm in a da s partes del encéfalo se es
314
El señor Gage so b re v iv ió al accidente, pero las le
pecializaban en fu n cio n e s específicas. U no de los casos m ás fa m o so s de esa época fu e el de Phineas
ron nuevas ideas para c o m pre n d er su fu n cio n a m ie n to .
Gage. Gage, tra b a ja d o r fe rro v ia rio , se accidentó el 13
cion a n do el m o do en el que los fis ió lo g o s estudian las
de se ptie m b re de 1848 cuando una carga explosiva
fu n cio n e s del encéfalo, revelando un nivel asom b ro so
que estaba preparando e xp lo tó casualm ente, in tro d u
de plasticidad. Por e je m p lo , los cien tífico s han sido ca
ciendo una barrena de h ie rro en su cráneo (una barre
paces de d e te rm in a r que los encéfalos de ta xista s que
En este siglo , la im a g in o lo g ía cerebral está re volu
tra b a ja n en Londres, Inglaterra, se difere n cian de los de otra gente. Para co n se g u ir una licencia para co n d u c ir ta x is en Londres, los c o nd u cto re s deben a p ro b a r un d ifícil exam en que evalúa su capacidad para o rie n ta r se. Las calles de Londres no están trazadas de fo rm a regular, lo cual hace que sea m u y d ifícil o rientarse sin la ayuda de un plano. Los ta xista s de Londres tie ne n el h ip o ca m po m u y desa rro lla d o, una parte del encéfalo invo lu cra d a en las relaciones espaciales y la m em oria. Pero ¿son estas diferencias resultado del e ntre na m ien to , o se tra ta de personas con estructuras cerebra les poco co m un e s sim p le m e n te aplicables a profe sio n es en las cuales pueden sobresalir? Una nue va técnica de im ágenes p o r resonancia m agnética fu n cional (fMRI) fa cilita un m o do de a bo rd a r esta p regunta. La MRI fu n cio n a l es una m o difica ció n de la técnica MRI, d esarrollada a fin ale s de los años setenta. Las m á qu in as MRI e m iten un potente cam po m a g n é ti co que puede ser d irig id o al encéfalo (o a otras partes del cuerpo). Este cam po m a gn é tico hace que los áto m os de h id ró g en o co n ve rtid o s en m oléculas de agua se alineen con el ca m po m agnético, ta l y co m o lo hace una b rúju la con el cam po m agnético de la Tierra. La m áquina MRI entonces envía un pulso de radio. Esta
Una representación generada por ordenador del accidente de Phineas
señal golpea brevem ente los á to m o s de h id ró g en o
Gage en 1848.
desplazados. Cuando los á to m o s de h id ró g e n o v u e l ven a su posició n alineada, e m iten energía, que la m á quin a MRI puede detectar e interpretar. Ya que la
sanguínea (y, de este m odo, ca m bio s en la actividad)
cantidad del agua (y, c o m o consecuencia, los á tom os
en las difere n te s partes del encéfalo. Por e je m p lo , es
de hid ró g en o ) varía en las difere n te s estru ctu ra s del
cuchar m úsica activa una parte del encéfalo in v o lu c ra
encéfalo, una m áquina MRI es capaz de p ro p o rcio n a r
da en el tra ta m ie n to de la in fo rm a c ió n auditiva
im ágenes detalladas del encéfalo. La MRI fu n cio n a l es
e ntra nte, m ientras que hablar activa otras partes del
una sim p le m o d ifica ció n de esta técnica. Las partes del
encéfalo. Los e stu d io s basados en fM R I revelan la na
encéfalo que tra b a ja n más, requieren m ás oxígeno
turaleza realm ente din á m ica del encéfalo. Por e jem plo,
que las partes del encéfalo que están inactivas y, de
se producen ca m bio s observables en los e ncéfalos de
esta m anera, tie nd e n a a go tar el o xígeno de la sangre.
adu lto s cuando se les enseña un nuevo alfabeto.
La señal MRI de la sangre oxigenada d ifie re lig e ra m e n te de la señal de la sangre desoxigenada, p o r lo que la
En cuanto a los ta xista s de Londres, e stu d io s re
señal MRI varía en fu n ció n de las partes del encéfalo
cientes han m o stra d o que las difere n cias en su e stru c tu ra y activid a d cerebral son un resultado de la
que el sujeto utiliza. Si se to m a n una serie de im ág e
educación, no un accidente de nacim ien to. El encéfalo
nes MRI m ien tra s el su je to realiza una a ctividad m en
puede ca m b ia r su estructura y fu n c io n a r en respuesta
tal, se genera una im agen deno m ina d a fM R I, m ediante
a la educación, d e m o stra n d o así una base fis io ló g ic a
la cual se pueden o bservar ca m bio s en la corrie n te
para el d ich o "la práctica conduce a la p e rfe c c ió n ". • 315
316 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I P re s e n ta c ió n El sistem a nervioso es uno de los sistem as de control hom eostático del cuerpo que ayuda a regular proce sos fisiológicos y a coordinar el com portam iento; p ero ¿cómo se arreg lan las diferentes neu ro n as que conform an el sistem a nervioso p a ra tra b a ja r y reali z a r conjuntam ente estas ta re a s ta n com plejas? Como otros sistem as de control hom eostático, el sistem a nervioso contiene sensores, centros de integración y vías de salida (Figura 8.1). En el Capítulo 7, se expli caba cómo los receptores sensitivos detectan estím u los en tran tes y convierten la señal en un cam bio del potencial de la m em b ran a. Las neu ro n as aferentes sensitivas llevan estas señales a uno o varios centros de integración, como u n encéfalo o ganglio. Los cen tros de integración contienen m uchas in tern eu ronas, que (como su propio nom bre indica) form an conexiones sinápticas en tre n euronas. C uantas m ás in tern eu ro n as se añ ad an a u n a vía neural, m ayores se rán las posibilidades de interconexión y m ayor la capacidad de in teg rar la inform ación. Los complejos sistem as de control com portam ental y fisiológico de los anim ales son el resultado de este entram ado de vías nerviosas que en cu en tran su form a m ás elabo ra d a en g randes centros de integración como el
encéfalo del m am ífero. Por ejemplo, un encéfalo típico hum ano contiene m ás de 100.000 millones de neuronas conectadas po r m edio de billones de sinap sis. Los centros de integración en últim a instancia envían u n a señal saliente po r m edio de las n eu ro n a s efe r e n te s a los órganos efectores, incluidos los m úsculosesqueléticos, las glándulas y los órganos internos. Así, el sistem a nervioso m ide la inform a ción am biental, integra esta inform ación y coordina la respuesta. En este capítulo exam inarem os prim ero la evolu ción de los sistem as nerviosos y su organización. A continuación estudiarem os con m ás detalle las fun ciones de los principales centros de integración de los vertebrados (el encéfalo y la m édula espinal) tom ando a los m am íferos como ejemplo. Después, nos dedicarem os al sistem a nervioso periférico, observando la organización de las vías eferentes p o r tad o ras de señales a los órganos efectores. Final m ente, term inarem os el capítulo considerando las funciones integradas del sistem a nervioso, expli cando cómo los receptores sensitivos, neu ro n as afe rentes, centros de integración y vías eferentes, operan conjuntam ente p ara perm itir que los organis m os realicen com portam ientos complejos y m an ten gan u n a hom eostasis fisiológica.
Sistema nervioso central
Sistema nervioso periférico
Señal " saliente
F ig u ra 8 .1 .
P r e s e n ta c ió n d e l s is te m a n e rv io s o .
El sistem a nervioso contiene sensores, centros de integración y vías de salida. Los recep tore s sensitivos convierten la energía de los estím ulos entrantes de varios tip o s en cam bios en el potencial de la m em brana. Las neuronas aferentes conducen esas señales en form a de potenciales de acción a los centros de integración tales com o el encéfalo o los ganglios. Las interneuronas, den tro de los centros de integración, que procesan la Infor m ación y envían señales por m edio de neuronas eferentes a efectores com o los m úscu los y órganos internos, provocan cam bios en el c om porta m iento o en los procesos psicológicos.
C A P ITU LO 8
Organización funcional de los sistem as nerviosos
La o rg a n iz a c ió n | d e lo s s is te m a s n e rv io s o s La m ayor p arte de los sistem as nerviosos se organi zan en tres divisiones funcionales: la división sensi tiva aferente, los centros de integración y la división eferente. Sólo los cnidarios (filo que incluye a la m edusa y a la aném ona m arina, entre otros) tienen sistem as nerviosos que se escapan de este plano general. Los cnidarios son anim ales sim étricos radialm ente con sistem as nerviosos interconectados dentro de u n a g ran tra m a (o red nerviosa), con neu ro n as distribuidas p o r todo el cuerpo (Figura 8.2a). En general, las n eu ro n as de los cnidarios no están especializadas, pero pueden funcionar como neuro n as sensitivas, in tem eu ro n as, o neu ro n as eferentes, y pueden inform ar sinápticam ente en varios puntos a lo largo de su longitud. Las neuronas de los cnidarios form an a m enudo sinapsis de paso (véase el Capítulo 5), perm itiendo que la inform ación pase en u n a u otra dirección a través de la sinapsis. De hecho, la m ayor p arte de las neu ro nas de los cnidarios son funcionalm ente bipolares en el sentido de que un estím ulo en cualquier punto del organism o provoca u n im pulso que irrad ia del foco estim ulador en todas las direcciones. A p esar de ten er u n a organización nerviosa ap a rentem ente sencilla y ningún centro nervioso indivi dual p atente, los cnidarios pueden com portarse de form as bastan te complejas. Por ejemplo, la aném ona m arin a Calliactis parasitica pega sus tentáculos al ca p arazó n de los m oluscos y salta sobre él (Figura 8.2b), com portam iento que im plica detectar el caparazón, utilizar sus tentáculos p a ra ag arrarse al caparazón, se p a ra r su pie del sustrato, realizar m ovim ientos co ordinados con el cuerpo entero p a ra saltar al ca p a ra zón, y colocar de nuevo su pie en el caparazón. Por tanto, la ap aren te sim plicidad de la red nerviosa de los cnidarios debe ocultar com plejidades im portantes. En algunas especies, la red nerviosa se descom pone en v arias vías con velocidades de conducción características que controlan diferentes respuestas de com portam iento. Adem ás, en algunas especies, las n eu ro n as se concentran alrededor de la ab ertu ra bucal o en grupos en otras posiciones. E stas agru p a ciones de n eu ro n as pueden actuar como centros de integración, proporcionando capas adicionales de com plejidad funcional en el sistem a nervioso. De hecho, en m uchas especies de células epiteliales tam bién se pueden g en erar potenciales de acción, y se conectan m ediante uniones intercelulares com uni cantes agregando otra capa de complejidad.
(í) \
is ®
)
2
Los tentáculos de la anémona marina encuentran un caparazón de molusco.
La anémona marina se sujeta con sus tentáculos al caparazón.
La anémona realiza un <5 salto, pegando su pie al caparazón del buccino y libera sus tentáculos.
(b) Fig u ra 8.2.
El s is te m a n e rv io s o de los c n id a rio s .
(a) Vista en corte transversal de una aném ona m arina, que m uestra el sistem a nervioso. El sistem a nervioso de los cni darios es difuso, com puesto de una red nerviosa escasamen te organizada, (b) C o m portam iento de trep ar a u n caparazón por parte una aném ona m arina, Calliactis parasitica. A pesar de que sus sistem as nerviosos parecen sim ples, los cnidarios pueden realizar tareas com plejas.
La e v o lu c ió n de los s is te m a s n e rv io s o s A diferencia de los cnidarios, la m ayor p arte de los ani m ales son sim étricos bilateralm ente: tienen extrem os
317
318 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
an terio r y posterior y lados derecho e izquierdo. En los organism os sim étrico s b ilateralm en te, los órganos sensoriales tienden a concentrarse en el extrem o a n terio r del cuerpo, cerca de la boca, y la organización reticular relativam ente poco estructurada del sistem a nervioso del cnidario se sustituye por agrupaciones m ás com plejas de neuronas. Por ejemplo, los anim a les sim étricos bilateralm ente suelen contar con uno o varios g an glios, que son agrupaciones de cuerpos n euronales celulares interconectados por sinapsis. Los ganglios funcionan como centros de integra ción p ara el sistem a nervioso. En m uchas especies, los ganglios de la p arte an terior del cuerpo se con cen tran en g randes grupos form ando un en céfalo, centro de integración complejo. Dentro del encéfalo, las agrupaciones de som as se denom inan núcleos, que son los equivalentes funcionales de los ganglios, y las agrupaciones de axones neuronales se denom i n a n tractos. En el exterior de los centros de integra ción, los axones de las neu ro n as aferentes y eferentes suelen organizarse como estructuras denom inadas nervios, que son los equivalentes funcionales a los tractos en los centros de integración. La Figura 8.3 m u estra la estructura de un nervio vertebrado, que consiste en haces paralelos de axo n es m ielinizados y no m ielinizados incluidos en v arias capas de tejido conjuntivo. Dentro del nervio, cada uno de los axones y sus vainas de m ielina (si están presentes) están rodeados po r el endoneurio. Muchos axones están hacinados en estructuras lla m ad as fascículos p o r otra capa de tejido conjuntivo, el perineurio. Varios fascículos y vasos sanguíneos se agrupan, contenidos en una capa fibrosa de tejido conjuntivo llam ada el epineurio, form ando el nervio. Muchos nervios contienen axones de neuronas tanto aferentes como eferentes, denom inándose entonces nervios m ixtos, aunque hay nervios que son sola m ente aferentes o eferentes.
Los a n im a les sim é trico s b ila te ra lm e n te presentan cefalización El m odelo p o r el que los órganos sensoriales y cen tros de integración nerviosos están situados en el extrem o an terio r del cuerpo, llam ado cefalización, se h ace cada vez m ás evidente en sistem as nerviosos m ás complejos. El grado de cefalización varía enor m em ente entre los invertebrados sim étricos bilate ralm ente, aunque la m ayor p arte de las especies tengan un encéfalo bien desarrollado, varios ganglios y uno o varios troncos nerviosos (Figura 8.4). En los invertebrados, los haces de axones que conectan los
Axón Vaina d e mielina Endoneurio
Perineuro Fascículo
F ig u ra 8.3.
La o r g a n iz a c ió n de un n e rv io de los
v e rte b ra d o s .
El nervio se com pone de grupos de axones de m uchas neuro nas revestidos de capas sucesivas de te jid o con ju n tiv o (ef en doneurio, el perineurio y el epineurio).
ganglios o discurren entre un ganglio y el encéfalo se denom inan conjunciones o comisuras. Los platelm intos son las especies m ás sim ples de anim ales sim étri cos bilateralm ente. Algunos tipos de platelm intos carecen de encéfalo evidente m ientras que otros lo tienen bien desarrollado, lo que les perm ite realizar com portam ientos complejos y h a sta ap ren d er tareas como reco rrer un laberinto. Los gusanos nem ertinos, nem átodos y anélidos presen tan un sistem a nervioso m ás estructurado que los platelm intos, con un encé falo bien desarrollado, ganglios en cada segmento del cuerpo y uno o m ás troncos nerviosos que envían inform ación entre los tejidos y los diversos centros de integración. De m an era similar, el sistem a nervioso del artrópodo contiene un encéfalo, un tronco n e r vioso m otor y un g ran ganglio en cada segm ento del cuerpo. El sistem a nervioso varía m ucho en comple-
C A P ÍTU LO 8
Organización funcional de los sistem as nerviosos 319
(a) Cnidario (m edusa)
(b) Platelminto (planaria)
(c) Anélido
(e) Molusco
(f) M olusco cefalópodo
(g) Equinodermo
(lapa) F ig u ra 8.4.
(calamar)
(lombriz)
(estrella de mar)
(d) Artrópodo (cangrejo)
(h) Cordado (lagarto)
O rg a n iz a c ió n de los s is te m a s n e rv io s o s en fa m ilia s r e p r e s e n ta tiv a s de a n im a le s .
Los cnidarios presentan una red nerviosa, m ientras que todos los dem ás grupos (con excepción de los equinoderm os radiales si m étricam ente) presentan algún grado de cefallzaclón.
jidad entre los moluscos, aunque la m ayor p arte de las especies cuentan con troncos nerviosos dobles y series de ganglios de g ran tam año, incluidos los gan glios cerebrales (que inervan la cabeza y el cuello), los ganglios bucales (que inervan la boca y el estó mago) y los ganglios pedales (que inervan el pie). En los moluscos cefalópodos (un grupo que incluye el pulpo y el calam ar), los p ares de ganglios anteriores se expanden am pliam ente, juntándose p a ra crear u n a m asa m uy com pacta que descansa entre los ojos y rodea el esófago (en otras palabras, un encéfalo grande y complejo). El pulpo tiene u n encéfalo m ucho m ayor en rela ción con su cuerpo que el de un pez o un reptil, lo que sugiere la posibilidad de u n a inteligencia sustancial. El pulpo puede ap ren d er a orientarse dentro de im laberinto y a distinguir entre objetos con diferentes form as, tam añ o s y grados de lum inosidad. Algunos estudios indican que u n pulpo puede incluso ap ren d er sim plem ente observando como otro pulpo des arrolla una actividad. Si bien el pulpo presenta un
encéfalo de gran tam año, tiene otro centro de in te gración im portante: cada tentáculo cuenta con un gran ganglio que controla sus propios m ovim ientos, y que puede funcionar de form a prácticam ente inde pendiente del encéfalo. Al cortar las conexiones entre el encéfalo y el tentáculo de un pulpo y luego estim u la r la piel del tentáculo, los investigadores com proba ro n que el tentáculo se com portó exactam ente como si se h ubiera tratado del pulpo intacto. Como conse cuencia, el centro de integración de un pulpo está en realidad sum am ente disperso y afecta tanto al encé falo como a los ganglios. Los equinoderm os (estrellas de m a r y sus p arien tes) son la única excepción en la tendencia general de la creciente cefalización de los anim ales. Estos an i m ales radiales sim étricam ente carecen de un encé falo obvio, y cuentan en su lugar con u n a serie de ganglios y varios anillos nerviosos. Los equinoder m os descienden de un antepasado sim étrico bilate ralm ente que supuestam ente tenia algún grado de cefalización. Al parecer, los equinoderm os actuales
320 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
F ig u ra 8.5.
Cerebro
E s tru c tu ra d e l s is te m a n e rv io s o c e n tr a l de los
v e rte b ra d o s .
ía) El encéfalo y la m édula espinal. El sistem a nervioso central se com pone del encéfalo y la m édula espinal, encajados am bos en una cubierta cartilaginosa u ósea (el cráneo y la colum na verte bral). Los nervios craneales em ergen de la cavidad craneal donde los nervios raquídeos emanan de la m édula espinal a Intervalos regulares. Esos nervios son parte del sistem a nervioso periférico, ib) Sección transversal de una m édula espinal de un m am ífero. La m édula espinal contiene tanto m ateria gris com o blanca. Las neuronas aferentes sensitivas penetran la m édula espinal por el lado anterior y las neuronas eferentes salen por el lado ventral.
Cerebelo Tronco encefálico
Espina dorsal
Nervios torácicos
Materia gris
Raíz dorsal Neurona aferente
Asta dorsal Nervios lumbares
raquídeo
Nervios sacros Nervio coccígeo
(soma) (b)
perdieron su cefalización an cestral d urante la tra n si ción a u n plan corporal sim étrico radialm ente. De hecho, m uchos grupos m odernos de equinoderm os cuentan con larvas sim étricas bilateralm ente que desarrollan sim etría rad ial d u rante su m etam orfosis a la form a adulta. En general, los organism os con sistem as nervio sos m ás complejos tienen m ás neuronas que los orga nism os con sistem as nerviosos m enos complejos. Sin em bargo, el núm ero total de neuronas no es necesa riam ente m ayor en las especies con centros de inte gración m ás complejos. Por ejemplo, algunas especies de platelm intos tienen varios m illares de neuronas, a p esar de carecer de u n encéfalo evidente. Por el con trario, el sistem a nervioso completo del nem atodo Caenorhabditis elegans contiene sólo 302 neuronas y alrededor de 6.000 sinapsis, a p esar de ten er un encé falo m uy reconocible. Por tanto, la relación entre el
núm ero de neuronas y la organización del sistem a nervioso no está claram ente definida.
El sistem a ne rvio so central de los v e rte b ra d o s está in clu id o en una caja pro te ctora Los vertebrados se encuentran entre los organism os m ás cefalizados y se caracterizan po r poseer un tronco nervioso dorsal hueco, en lugar del tronco nervioso sólido ventral de los invertebrados (Figu r a 8.5). Todavía es m uy controvertida la form a en que el sistem a nervioso de los vertebrados evolu cionó de sus antepasados invertebrados, aunque se h a sugerido que los sistem as nerviosos de los protostom as (p. ej., gusanos, m oluscos y artrópodos) y los deuterosom as (p. ej., vertebrados y equinoderm os) evolucionaron de sus antepasados com unes con un
C A P ÍTU LO 8
sistem a nervioso sim ilar al de los platelm intos. Una de las características específicas del sistem a nervioso de los v ertebrados es que u n a p arte del sistem a n e r vioso está encajada en u n a cubierta cartilaginosa u ósea. Esta p arte del sistem a nervioso se denom ina siste m a n ervioso cen tral, y se com pone del encé falo (situado en el in terio r del cráneo) y la m édula esp in a l (situada en el interior de la colum na verte bral). El resto del sistem a nervioso, localizado a lo largo del resto del cuerpo, se denom ina sistem a n ervioso p eriférico.
Los nervios craneales y espinales fo rm a n sinapsis en el sistem a ne rvio so central En los vertebrados, u n a serie de nervios, llam ados nervios cra n ea les, salen de la caja craneana, m ien
Tabla 8 .1 .
Organización funcional de los sistem as nerviosos 321
tra s que los n ervios raq u íd eos em ergen de la m édula espinal a intervalos regulares. Por razones históricas, nos referim os frecuentem ente a los 12 pares de nervios craneales, los cuales se identifican con núm eros rom anos, pero de hecho m uchos v erte b rados disponen de 13 p ares de nervios craneales (Tabla 8.1). Algunos de los nervios craneales tra n s m iten un a inform ación aferente de los órganos sen soriales, m ientras que otros nervios envían señales eferentes a los órganos efectores, tales como los m ú s culos, glándulas y órganos. El nom bre de los nervios raquídeos depende de la región de la espina de la que se generan. Los nervios raquídeos cervicales em er gen de la m édula espinal en la región del cuello e inervan la cabeza, cuello, brazos, m anos y d ia fragm a. Los nervios raquídeos torácicos em ergen de la m édula espinal en la región del pecho, e inervan
Los n e rv io s c ra n e a le s .
Núm ero Nom bre
P rin cip ales fu nciones
0
Terminal
Función poco clara. Probablemente neurom odulatoria, regulando la sensibilidad olfativa y el comportamiento reproductivo. Ausente en los ciclóstomos, aves y humanos.
I
Olfativo
Olfato: aferentes quimiosensitivos
II
Óptico
Vista: integra información de la retina. Una extensión del sistem a nervioso central m ás que un verdadero nervio.
III
Oculomotor
Controla los movimientos del ojo, constricción de la pupila y enfoque del cristalino. Inerva la m ayor parte de los músculos del ojo y párpados (cuando se encuentran presentes).
IV
Patético
Movimiento ocular. Inerva el músculo ocular superior oblicuo.
V
Trigémino
Nervio m otor que controla los músculos de la m asticación y la boca. Contiene aferentes sensitivos de la mayor parte de la cabeza y partes de la línea lateral de los peces.
VI
Abducens
Movimiento ocular. Inerva el músculo recto lateral del ojo y la m em brana nictitante (tercer párpado) de los reptiles, aves y algunos mamíferos.
VII
Facial
Gusto y aferentes somatosensitivos. Nervio m otor que controla los músculos de la cara. Controla las glándulas lacrimales y algunas salivares. Es de utilidad p a ra algunas partes de la línea lateral de los peces.
VIII
Vestibulococlear Aferentes sensitivos p a ra el oído y el equilibrio. (también denominado auditivo)
IX
Glosofaríngeo
Control motor de uno de los músculos de la deglución. Sensación general y gustativa de la faringe y parte posterior de la lengua. Inerva partes de la línea lateral en los peces.
X
Vago
Control motor de la laringe, faringe y extremo superior del esófago. N euronas parasim páticas que controlan los órganos internos, incluidos el corazón, la respiración y gran parte del tubo digestivo. También incluye un componente sensitivo. En los peces, contiene aferentes sensitivos del sistem a de la línea lateral del cuerpo y cola.
XI
Espinal
Control motor de algunos músculos que mueven la cabeza. No se tra ta de un verdadero nervio craneal; es el resultante de la fusión de partes del nervio vago y los prim eros nervios raquídeos. Ausente en peces salvo los crosopterigios.
XII
Hipogloso
Control m otor de los músculos de la lengua. Ausente en peces salvo los crosopterigios.
322 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
los m úsculos intercostales (relacionados con la respi ración) y el corazón. Los nervios raquídeos lumbares, sacros y coccígeos em ergen de la p arte baja de la espalda y pelvis e inervan las piernas, pelvis, vejiga e intestino. Aunque los nervios raquídeos em ergen de la colum na verteb ral a lo largo de toda su extensión, la m édula espinal propiam ente dicha no baja total m ente h asta alcanzar la región lum bar. Por el contra rio, los nervios lum bares, sacros y coccígeos se ram ifican desde la m édula espinal y bajan po r la colum na vertebral h asta el punto de origen. En con secuencia, el tercio final de la colum na vertebral con tiene nervios raquídeos pero no m édula espinal. Tanto el encéfalo como la m édula espinal contie n en dos tipos de tejido, la m a teria gris y la m ateria blanca. La m ateria b lanca consta de haces de axones y sus vainas de m ielina asociadas, m ientras que la m ateria gris se com pone de som as neuronales y den dritas. En la m édula espinal de todos los vertebrados, la m ateria blanca se localiza en la superficie y la m ateria gris en su interior. Vista en sección tran sv er sal, la m ateria gris de la m édula espinal tiene a m enudo im a ap ariencia en form a de m ariposa, un p atró n que es particularm ente evidente en los hum a nos (Figura 8.5). Las “alas” de esta m ariposa se denom inan a sta s d o rsa les y ven trales. Las neuro n as sensitivas aferentes de la periferia term inan en el asta dorsal donde form an sinapsis sobre las intern eu ro n as de las n eu ro n as eferentes. Los som as de estas n eu ro n as sensitivas bipolares se localizan fuera de la m édula espinal en los ganglios de la ra íz dorsal. Se originan n eu ro n as eferentes en el asta v entral de la m édula espinal y salen a través de la ra íz ventral.
en un a capa en tram ad a interm edia llam ada aracnoideo y u n a capa interior denom inada piam adre. Den tro de las m eninges, el encéfalo y la m édula espinal flotan en un líquido parecido al plasm a llam ado líq u i do cefalorraq u íd eo (CSF), que actúa como un am o r tiguador de golpes “alcochonando” los delicados tejidos del sistem a nervioso central. El sistem a nervioso central de los vertebrados está separado tam bién de modo psicológico del resto del cuerpo. La b arrera h em atoen cefálica, form ada p or estrechas uniones entre las células del endotelio que revisten los capilares cerebrales, evita que te n gan lugar fugas de sustancias de la corriente sanguí n ea al interior del sistem a nervioso central a través de la vía paracelular (entre las células). Además, estas células no realizan pinocitosis, de modo que las únicas form as en que dichas sustancias se pueden desplazar al encéfalo son, o bien directam ente disol viéndose en la m em brana, o bien m ediante un tra n s porte catalizado por medio un intercam biador de proteínas, canal o bom ba. Las m oléculas pequeñas liposolubles como el m etanol y algunos fárm acos barbitúricos pueden p a s a r directam ente al sistem a n e r vioso central, pero la m ayor p arte de las sustancias quedan excluidas. Sin em bargo, determ inados siste m as de tran sp o rte especializados perm iten al encé falo asim ilar nutrientes en circulación tales como la glucosa y los aminoácidos. Por lo tanto, la b a rre ra hem atoencefálica lo protege de sustancias dañinas, a
El sistema nervioso central está separado del resto del cuerpo Una o m ás capas p rotectoras del tejido conjuntivo llam adas m en in ges ro dean el encéfalo y la m édula espinal (Figura 8 .6). Los peces tienes sólo una m eninge delgada, m ien tras que los a n fibios, reptiles y aves tienen dos: una capa gruesa exterior llam ada d uram a dre y u n a m eninge secundaria del gada. Los m am íferos tienen tres m eninges. Al igual que los otros te trá podos, cuentan con la duram adre, p ero la m eninge secundaria se divide
F ig u ra 8.6.
Las m e n in g e s .
Las m eninges son m em branas protectoras que rodean el encéfalo. Los m am ífe ros tienen tres m eninges, m ientras que otras especies tienen menos.
C A P ÍTU LO 8
la vez que perm ite la en trad a de m olé culas útiles. Hay diversas zonas del encéfalo donde la b a rre ra hem atoencefálica es m ás perm eable. En con creto, las regiones de la glándula pineal, la hipófisis, y p artes del hipotálam o son com pletam ente p erm ea bles, lo que perm ite que moléculas secretadas como las horm onas a b a n donen el encéfalo y se introduzcan en el sistem a circulatorio.
Organización funcional de los sistem as nerviosos 323
Anterior (superior)
Posterior (inferior)
€
El encéfalo de los vertebrados se divide en tres partes principales D urante el desarrollo em brionario, tanto el encéfalo como la m édula espinal de los v ertebrados se form an desde u n sim ple tubo hueco de célu las derivadas del epitelio llam ado tubo neural. La p arte posterior del tubo n eu ral form a la m édula espinal, m ien tras que su extrem o anterior d esarrolla tres p ro tu b erancias que finalm ente form an el encéfalo (Fi gura 8.7). E stas tres regiones, que se en cu entran en todos los encéfalos de los vertebrados, se denom inan rombencéfalo, m esencéfalo y prosencéfalo. Dado que el encéfalo de los v ertebrados es sim plem ente una extensión de la m édula espinal, tam F ig u ra 8.7. D iv is io n e s fu n d a m e n ta le s d e l s is te m a n e rv io s o c e n tr a l de los bién está hueco en su interior. Esas v e rte b ra d o s . cavidades centrales se denom inan Durante el desarrollo em briona rio, el tubo neural se d ivide rápidam ente en vesí culas encefálicas prim arias, las cuales conform an posteriorm ente las vesículas ven trícu los, y se alim entan con encefálicas secundarias y estructuran el encéfalo adulto. liquido cefalorraquídeo. Los ependim ocitos ciliados hacen circular el y regulando funciones como la tem p eratu ra del líquido cefalorraquídeo a través de los ventrículos y cuerpo, la reproducción, la alim entación, el sueño y la m édula espinal. El rom bencéfalo controla la m ayor p arte de las las emociones. El prosencéfalo tam bién está involu crado en el aprendizaje y la m em oria y realiza otras resp u estas reflejas y regula com portam ientos invo luntarios tales como resp irar y el m antenim iento de tareas complejas, sobre todo en los m am íferos. la posición corporal. El m esencéfalo se dedica funda m entalm ente a coordinar la inform ación visual, El tamaño y estructura del encéfalo varían auditiva y sensorial del tacto y receptores de presión entre los vertebrados (aunque en los m am íferos, como se verá m ás ad e lante en este capítulo, actúa en gran m an era como un El tam año del encéfalo varía m ucho entre los verte centro de distribución, m ás que como un centro de b rados (Figura 8 .8), pero gran p arte de esta v aria ción es debida a las diferencias en el tam año del integración en sentido propio). El prosencéfalo está involucrado en el procesam iento de la inform ación cuerpo, ya que, dentro de cada grupo, los anim ales olfativa, integrándola con otra inform ación sensorial m ás grandes tienden a ten er encéfalos m ás grandes.
324 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
grandes en los tiburones, los cuales seguram ente se enfrentan a los m is m os retos. En los m am íferos el m esen céfalo presenta un tam año m uy reducido. En la m ayor p arte de los ver tebrados, el m esencéfalo contiene las regiones dedicadas a la inform ación visual, pero en los m am íferos esa fun ción la h a tom ado el prosencéfalo. El prosencéfalo es m ayor tanto en las aves como en los m am íferos, en re lación con los dem ás grupos principa les de vertebrados. En los m am íferos, la capa exterior del prosencéfalo está ag ran d ad a y reestructurada, form ando la iso c o rtez a (tam bién llam ada neocorteza). La isocorteza está form ada Peso del cuerpo (kg) po r m ateria gris, m ientras que la m ayor Fig u ra 8.8. T a m añ o d e l e n c é fa lo y peso d e l c u e rp o . p arte de las partes internas del encéfa La relación entre el tam año del encéfalo y el peso del cuerpo en grupos represen lo de los m am íferos están form adas por ta tivo s de anim ales se ilustra en una escala logarítm ica doble. Cada polígono m ateria blanca, con la excepción de es com prende datos de un grupo de vertebrados principal. Para cada grupo, el polí tru ctu ras llam adas n ú cleos b a sa les gono se eleva por la derecha, dem ostrando que el tam año del encéfalo tiende a aum entar a m edida que lo hace el cuerpo. (grupos de m ateria gris situados muy en el interior del encéfalo). Por tanto, el encéfalo de los m am íferos está radical Sin em bargo, p ara cualquier tam año de cuerpo, el m ente reorganizado en com paración con los encéfa los de otros vertebrados, los cuales tienen un a capa tam año del encéfalo puede v ariar sustancialm ente entre los distintos taxones. C oncretam ente, las aves y exterior de m ateria blanca que rodea un centro inte m am íferos tienen encéfalos inusualm ente grandes rior de m ateria gris. Al igual que los m am íferos, las p a ra el tam año de su cuerpo (de seis a diez veces m ás aves presen tan prosencéfalos de gran tam año. Sin g ran d es que los de reptiles de sim ilar tam año). Se em bargo, en las aves la corteza es relativam ente del gada y está poco desarrollada. Por el contrario, otras supone que los organism os con encéfalos grandes com parados con el tam año de su cuerpo, tienen m ás p artes del prosencéfalo están agrandadas, especial centros de integración y u n repertorio extenso de m ente en u n a estructura llam ada cresta dorsoventricular (DVR). Los prosencéfalos agrandados de aves y com portam ientos. La variación en el tam año del encéfalo entre m am íferos h a n evolucionado teóricam ente de form a taxones es en g ran m edida u n resultado de cambios independiente, dado que el último antepasado de las aves y m am íferos h ab ría tenido un prosencéfalo pe en los tam años relativos de diferentes p artes del encéfalo, m ás que en el desarrollo de estructuras queño, como es típico en los reptiles. La isocorteza de los m am íferos y la DVR de las aves realizan funciones com pletam ente nuevas (Figura 8.9). Por ejemplo, los osteíctios y las aves tien en un mesencéfalo y un cere sim ilares, y, según se cree, h a n evolucionado de form a belo relativam ente grandes (la p arte del encéfalo independiente a p artir de estructuras sim ilares en el encéfalo de los reptiles. Este tem a trasciende de lo aca involucrada en la interpretación de las señales sen soriales y coordinación m otora). Los peces y las aves démico, ya que tanto las aves como los m am íferos son viven en u n m undo complejo dentro del cual se m ue capaces de realizar com portam ientos complejos ven en tres dim ensiones, en contraste con los orga aprendidos, y, por lo tanto, la evolución de las estruc nism os terrestre s que se m ueven sólo po r el suelo. Se tu ras cerebrales puede arro jar luz sobre la evolución de la inteligencia, proceso gobernado po r la isocorte h a sugerido que los peces y aves usan sus m esencéfalos y cerebelos m ayores p a ra in terp retar inform ación za en los m am íferos. sensorial compleja y coordinar sus m ovim ientos cor Adem ás de esta variante, entre los principales grupos de vertebrados existe u n a diferencia su stan p orales en ese entorno tridim ensional. Sin em bargo el m esencéfalo y el cerebelo no son especialm ente cial en el tam año del encéfalo. Por ejemplo, los peces
C A P ÍTU LO 8
Mesencéfalo
Organización funcional de los sistem as nerviosos 325
Mesencéfalo
Cerebelo
Cerebelo
Prosencéfalo
Prosencéfalc
Mamífero* Hipófisis M esencéfalo^^ Hipófisis
Cerebelo
Prosencéfalo
Mesencéfalo Cerebelo
Osteíctio
Prosencéfalo
Prosencéfalo Mesencéfalo
Reptiles Hipófisis
Cerebelo Mesencéfalo/ Cerebelo
Tiburón,
Prosencéfalo Hipófisis Mesencéfalo Anfibio
ProsencéfaloLamprea
Fig u ra 8.9.
E s tru c tu ra d e l e n c é fa lo en gru p o s de v e rte b ra d o s r e p re s e n ta tiv o s .
La m ayor parte de los grupos de vertebrados tienen la m ism a estructura básica del encéfalo, aunque esas estructuras varían sig nificativa m en te en un tam año relativo.
m orm íridos p resen tan m esencéfalos inusualm ente g randes en relación con otros peces. Los m orm íridos son peces ligeram ente eléctricos que utilizan cam pos de electricidad p ara d esplazarse y com unicarse. El m esencéfalo participa en el procesam iento sensorial y el procesam iento de la inform ación electrosensorial que seguram ente req u iera circuitos neuronales sofisticados. Puede que el ejemplo m ás conocido de variación en el tam año del encéfalo dentro de un grupo de organism os sea el tam año relativam ente grande del encéfalo hum ano com parado con el de otros m am íferos (resultado de un gran increm ento del prosencéfalo).
Estructura y función del encéfalo de los m am íferos En la Tabla 8.2 se enum eran los nom bres y estructu ras de las p artes principales del encéfalo de los verte brados.
El rombencéfalo sustenta funciones básicas El rom bencéfalo se sitúa entre la m édula espinal y el resto del encéfalo, y contiene tres regiones distintas a nivel estructural y funcional: la protuberancia, el cerebelo y el bulbo raquídeo, cuya función conjunta es sostener procesos vitales corporales tales como la respiración, circulación y movimiento. El bulbo raq u íd eo (a m enudo denom inado sim plem ente “bulbo”) está situado en la p arte superior de la m édula espinal y contiene centros reflejos que regulan la respiración, la frecuencia cardiaca y el diám etro de los vasos sanguíneos, regulando por tanto la presión sanguínea, como tratam os en detalle en el Capítulo 9. El bulbo raquídeo contiene tam bién vías neurales que com unican la m édula espinal y el encéfalo. M uchas de esas vías se entrecruzan en el bulbo de modo que el lado izquierdo del encéfalo controla el lado derecho del cuerpo y el lado izquierdo del encéfalo controla el lado izquierdo del
326 SEG UN DA PARTE
Tabla 8 .2 .
Integrando sistem as fisiológicos
P a rte s del e n c é fa lo .
Estructura
Función
Prosencéfalo: telencéfalo Cerebro
Procesamiento de la información
Ganglios basales
Movimientos
Núcleo amigdalino
Emociones
Hipocampo
Memoria
Bulbo olfativo
Sentido del olfato
Bulbo olfativo accesorio
Detección de feromonas
Prosencéfalo: diencéfalo Tálamo
Integra la información sensorial
Hipotálamo, hipófisis
Regula la tem peratura del cuerpo, la alimentación, la reproducción y los ritmos circadianos
Epitálamo
Mesencéfalo Tectum (lóbulos ópticos)
Procesa información visual, auditiva y táctil
Tegmento
Reacciones reflejas a la información visual, auditiva y táctil
Cerebelo Bulbo raquídeo
Genera la respiración rítmica Regula la frecuencia cardiaca y la presión sanguínea
Protuberancia
Regula la retención de la respiración Integra las áreas
Cerebelo
Mantiene la postura corporal Coordina la locomoción Integra información de los propioceptores
cuerpo. Debido a que regula esos sistem as de super vivencia ta n im portantes, el daño bulbar es casi siem pre m ortal. La p ro tu b era n cia se localiza inm ediatam ente encim a del bulbo raquídeo y es u n a vía im portante que tran sm ite inform ación entre el bulbo, el cere belo y el prosencéfalo. La p ro tu b eran cia contiene tam b ién centros que controlan la vigilia, inician estados como dorm ir y soñar, y regula actividades reflejas como la resp iració n al influir en la actividad del bulbo raquídeo. El cereb elo se localiza en la p arte posterior del encéfalo, y consiste en dos hem isferios sum am ente plegados. El cerebelo integra señales sensoriales en tran tes procedentes de los ojos, oídos y m úsculos con com andos m otores del prosencéfalo, y es por tanto responsable de la coordinación m otora. En los hum anos, si se produce u n daño en esta región
d urante el nacim iento, puede causar parálisis cere bral, un desorden caracterizado por tem blores incontrolados. El cerebelo puede desem peñar asi m ism o un papel en el habla, el aprendizaje, las em o ciones y la atención. Aunque el cerebelo supone sólo u n 10 % del peso del encéfalo hum ano, contiene ta n tas neuronas como el resto del encéfalo en conjunto.
El mesencéfalo está muy reducido en los mamíferos En los peces y anfibios, el m esencéfalo coordina re s p u estas reflejas a los estím ulos auditivos y visuales y es el centro fundam ental p a ra la coordinación e ini ciación de las resp u estas com portam entales. Por el contrario, en los m am íferos es m ucho m enor en re lación al resto del encéfalo y sirve en p rim e r lugar como centro de transm isión. En los v erteb rad o s no
C A P ÍTU LO 8
m am íferos, el techo del m esencéfalo, llam ado t e c tum , contiene u n p a r de centros cerebrales llam ados ló b u lo s óp tico s que co ordinan la recepción senso rial de los ojos. En los m am íferos esas regiones se de n o m in an tubérculos cuadrigém icos superiores, y son m ucho m ás p eq u eñ as que en los otros v e rte b ra dos, funcionando solam ente en form a de resp u estas reflejas ópticas como o rien tar los ojos hacia estím u los visuales o enfocar la vista, m ien tra s que el p ro sencéfalo to m a a su cargo la m ayor p a rte del pro cesam ien to visual. El tectum contiene tam bién u n p a r de tubérculos cuadrigém icos inferiores, que son núcleos involucrados en la audición. Las n eu ro n a s que tran sm iten señales desde el oído interno for m an sin apsis en esta región. La p a rte p o ste rio r del presencéfalo se denom ina teg m e n to , y contiene re giones que ayudan al control afinado de los m úscu los. Las lesiones en esta región del encéfalo p ueden in d u cir la en ferm ed ad de P arkinson, u n a afección aso ciad a con los tem blores m usculares. En los m a m íferos el p resencéfalo se ag ru p a a veces junto con
Organización funcional de los sistem as nerviosos 327
la p ro tu b eran c ia y el bulbo raquídeo form ando el tron co en cefá lico .
El prosencéfalo controla procesos complejos En los m am íferos, el prosencéfalo está involucrado en el procesam iento e integración de la inform ación sensorial y la coordinación del com portam iento. El prosencéfalo com prende el cerebelo, el tálam o, el epitálam o y el hipotálam o. El cereb ro, cuya capa exterior es la corteza, se divide en dos h em isferio s c e r e b r a le s (Figura 8.10). El hem isferio izquierdo controla la m itad derecha del cuerpo y el hem isferio derecho la izquierda. Si bien los hem isferios d e re cho e izquierdo p arecen im ágenes reflejadas, no son idénticos desde el punto de vista funcional. Por ejem plo, en m uchos hum anos las regiones que con trolan el habla se localizan en el hem isferio izquierdo y las áre a s que gobiernan la percepción de las relaciones espaciales se en cu en tran en el
Hemisferio izquierdo
Corteza cerebral
Hemisferio derecho
Cuerpo calloso Epitálamo Ventrículos Tálamo Núcleos nasales
Materia
Materia blanca Hipotálamo Fig u ra 8.10.
Núcleo amigdalino
U na s e c c ió n fr o n ta l d e l c e re b ro hum a n o .
El cerebro se d ivide en dos hem isferios conectados por m edio de un cuerpo calloso. Una capa delgada de m ateria gris (la cor teza cerebral) rodea una gran masa de m ateria blanca. Incrustadas den tro de ésta se encuentran más áreas de m ateria gris (el epitálam o, el tálam o, el hipotálam o, los núcleos basales y el núcleo am igdalino).
328 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 8.1 Aplicaciones Síndrome del cerebro dividido Roger Sperry fue el prim ero en descubrir el síndrom e del cerebro dividido cuando observó lo que pasaba al cortar el cuerpo calloso y el
que la palabra llave se había m ostrado en el hem isferio derecho, aunque algunas veces afirm aron haber visto un destello o luz en el lado izquierdo de la pantalla.
quiasm a óptico en el encéfalo de un gato y com probar el
En la m ayor parte de los humanos, la capacidad para
com portam iento del animal. La intervención separa las dos
com unicarse m ediante el lenguaje se localiza en el hem is
m itades del encéfalo y perm ite a una acceder a la inform a
ferio cerebral izquierdo, m ientras que el hem isferio dere
ción del ojo derecho y a la otra a la del izquierdo. Todos los
cho carece de esa capacidad. Por tanto, el hem isferio
gatos reaccionaban de form a aparentem ente normal en el
derecho es incapaz de com unicar que la luz observada en el
transcurso de la operación, pero cuando Sperry cubrió su
cam po visual izquierdo representa una palabra. Los sujetos
ojo izquierdo y le enseñó un sim ple com portam iento condi
s om etidos al experim ento pudieron verbalizar ambas pala
cionado, el gato no pudo realizar su tarea cuando se le
bra llave y tim bre dado que el cuerpo calloso intacto pudo
cubrió el ojo izquierdo en vez del derecho. Era com o si sólo
transferir la in form ación entre am bos hem isferios. Esa d ife
un lado del encéfalo aprendiera a realizar la tarea y no
rencia entre sujetos norm ales y pacientes con "síndrom e
pudiera traspasar ese aprendizaje a la otra m itad.
del cerebro dividido" no resulta obvia en la vida cotidiana
Se han realizado observaciones sim ilares en pacientes
porque m uy pocas veces contem plam os los objetos con un
hum anos con intervenciones quirúrgicas para reducir la gra
solo ojo. Podem os m over fácilm en te los ojos o girar la
vedad de las convulsiones epilépticas. En este tipo de inter
cabeza de m odo que ambas m itades del encéfalo reciban la
vención, se corta el cuerpo calloso del paciente de form a
in form ación sensorial com pleta.
que una convulsión epiléptica en una parte del encéfalo no
Aunque el hem isferio derecho no tiene la facultad del
se pueda propagar al otro hem isferio. Aunque parezca un
habla, sí puede razonar y com unicar de otras maneras. Por
tipo de intervención radical, el corte del cuerpo calloso es,
ejem plo, Sperry pidió a sujetos con el "síndrom e del cere
de hecho, totalm ente efectivo y reduce en gran m edida la
bro dividido" que se colocaran detrás de una cortina y esco
gravedad de las convulsiones con aparentem ente m uy
gieran el objeto cuyo nom bre había sido proyectado en la
pocos efectos secundarios. Sin embargo, Sperry fue capaz de dem ostrar que esos
pantalla. No podían ver los objetos pero tenían que distin guirlos por el tacto. Si se les pedía a pacientes con el
pacientes tenían una form a sutil del síndrom e del cerebro
"síndrom e del cerebro dividido" que utilizaran su mano
dividido. Sperry m ostró im ágenes o palabras tanto en el cam po visual derecho com o en el izquierdo de esos pacien
izquierda (que está bajo el control del hem isferio derecho), elegían la llave, aunque hubieran negado haber visto la pala
tes y les planteó seguidam ente una serie de preguntas
bra. Por tanto, el hem isferio derecho había visto la palabra
sim ples o les hizo realizar tareas básicas. Por ejem plo, en
llave y reconoció su significado, pero fue sim plem ente inca
un experim ento la palabra llave se m ostró en el campo
paz de com unicar esta inform ación verbalm ente. Fue intere
visual izquierdo (que se procesa con el hem isferio derecho
sante com probar que cuando se les pidió nom brar el objeto
del encéfalo), m ientras que la palabra tim bre se m ostró
que acababan de tocar con su m ano izquierda, los sujetos
sim ultáneam ente en el cam po visual derecho (que se pro
con "síndrom e del cerebro dividido" respondían diciendo
cesa con el hem isferio izquierdo del encéfalo). Los sujetos
"tim b re " (la palabra observada por el hem isferio izquierdo).
sin lesiones declararon que veían la palabra llavetim bre.
Este estudio y otros m uchos que lo siguieron han
Los pacientes cuyo cuerpo calloso había sido cortado
dem ostrado que los encéfalos de los m am íferos, particular
declararon que veían la palabra tim bre que se había proyec
m ente los de los humanos, están altam ente lateralizados
tado en el hem isferio izquierdo. Ignoraban com pletam ente
con funciones diferentes en cada hem isferio.
hem isferio derecho. A unque los dos hem isferios tie n en com etidos algo diferentes, no funcionan del todo de form a indep en d ien te. E stán conectados por u n a m asa de m ateria b lan ca conocida com o cuerpo calloso, la cual perm ite a los dos hem isferios com u n icarse en tre sí. Los d años en el cuerpo calloso im piden la com unicación en tre los hem isferios y
pueden conducir a u n a variedad de síntom as poco com unes (véase la Caja 8.1).
El hipotálamo mantiene la homeostasis El hipotálam o se localiza en la base del prosencéfalo y (como su propio nom bre indica) exactam ente bajo
C A P ÍTU LO 8
el tálam o. El hipotálam o controla los órganos in ter nos e interactúa con el sistem a nervioso autónom o, que verem os m ás tard e en este capítulo. Además, regula la secreción de las horm onas hipofisarias (Capítulo 4), por lo que desem peña un papel en la regulación del sistem a endocrino, al servir como un enlace crucial entre los sistem as nervioso y endo crino. Por supuesto, la función prim aria del hipotá lam o es m an ten er el equilibrio hom eostático del cuerpo. El hipotálam o regula la tem p eratu ra del cuerpo, el equilibro hídrico, el peso del cuerpo, y varias sensaciones corporales como el ham bre, la sed, el placer y el im pulso sexual.
El sistema límbico afecta a las emociones El hipotálam o es p arte del siste m a lím b ico, un a red de estru ctu ras conectadas que d escan sa a lo largo del bo rd e en tre la corteza y el resto del encéfalo (Fi g u ra 8.11). E stas regiones funcionan ju n ta s p a ra afectar a varios procesos incluidas las em ociones, la m otivación y la m em oria. Así, el sistem a lím bico re cibe el n o m b re en algunas ocasiones de “cerebro em ocional” p o rq u e controla las em ociones, las deci siones y la m otivación. El sistem a límbico incluye va rias estru ctu ras ad em ás del hipotálam o, en tre ellas el núcleo am igdalino, el hipocam po y los bulbos olfa tivos. El n ú cleo am igdalino está involucrado en las respuestas emocionales, concretam ente las relativas a la agresión y al temor. La estim ulación eléctrica del núcleo am igdalino provoca un com portam iento agre sivo, m ientras que su extirpación dism inuiría la agre-
— Tálamo
Hipocampo
Hipotálamo F ig u ra 8.11.
Núcleo amigdalino
A n a to m ía d e l s is te m a lím b ic o .
El sistem a lím bico se com pone de estructuras que incluyen el tálam o, el hipotálam o, el núcleo am igd alino y el bulbo olfativo.
Organización funcional de los sistem as nerviosos 329
sividad y el miedo. Por ejemplo, las ratas con el núcleo am igdalino lesionado no tem erán acercarse a los gatos. Los m onos con lesiones en el núcleo am ig dalino están m ás ansiosos por acercarse e interactuar con objetos nuevos o m onos desconocidos, lo que sugiere que el núcleo am igdalino controla las reaccio nes de tem or en los prim ates. Sin em bargo, se observa u n a respuesta diferente en los m onos de corta edad, cuando el núcleo amigdalino se encuentra dañado. Esos m onos son incapaces de desarrollar interacciones sociales norm ales, lo que sugiere que el núcleo am igdalino desem peña otros papeles adem ás de sim plem ente regular el miedo y la agresividad, al m enos en los prim ates. Por ejemplo, los hum anos con el núcleo am igdalino dañado son incapaces de in ter p retar apropiadam ente las expresiones faciales, sobre todo las asociadas con emociones negativas como el miedo o el enfado. El núcleo amigdalino se encarga tam bién de conservar los recuerdos de los efectos emocionales de los hechos. El hipocam po convierte los recuerdos recientes en recuerdos lejanos. Por ejem plo, si usted ve un n ú m ero telefónico, podrá retenerlo en su m em oria r e ciente repitiéndolo u n as pocas veces; sin em bargo, el recuerdo de este núm ero suele d esap arecer rá p id a m ente un a vez que ha realizado la llam ada. Si se n e cesita re co rd ar el núm ero d u ran te un plazo largo de tiem po, el hipocam po deb erá convertir este recuerdo a corto plazo en otro p erdurable. Una p erso n a con el hipocam po dañado no puede desarro llar recuerdos perdurables. Puede re co rd ar nuevos hechos d urante u n tiem po, pero olvidarlos a los pocos m inutos. Sin em bargo, esto no afecta a recuerdos anteriores al m o m ento de la lesión. Al final de este capítulo exam ina rem os de qué m an era el hipocam po ayuda a la form ación de la m em oria perdurable. Elbulbo olfativo, que tam bién form a p arte del sis tem a límbico, es im portante p ara el sentido del olfato. Las neuronas sensitivas del epitelio olfativo están co nectadas directam ente con el bulbo olfativo, en lugar de dirigirse a través del mesencéfalo, como es el caso de la m ayor p arte del resto de la inform ación sensorial entrante. El bulbo olfativo integra las señales de las neuronas olfativas y las transm ite a la corteza p ara su procesam iento. Como exam inarem os m ás adelante en este capítulo, toda la inform ación sensorial restante se procesa prim ero a través del tálamo. Por el contrario, la inform ación olfativa rodea el tálam o tom ando, en cambio, u n a ru ta m ás directa. El bulbo olfativo tam bién está conectado con el núcleo am igdalino y el hi pocam po, por lo que los olores tienden a provocar fuertes emociones y recuerdos en los hum anos.
330 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
El tálamo actúa como una estación repetidora El tálam o es u n a g ran agrupación de m ateria gris localizada m uy en el interior del prosencéfalo, inm e diatam ente sobre el hipotálam o. Los núcleos talárm eos reciben inform ación del sistem a límbico y de cada m odalidad sensorial excepto el olfato. De hecho, algunos investigadores lo consideran parte del m ism o sistem a límbico. El tálam o integra y tra n s m ite esta inform ación a la corteza. El tálam o es parte de u n a estru ctu ra llam ada form ación reticular. La form ación reticular es u n a red de neu ro n as que baja desde el tálam o h asta el tronco encefálico, incluidas partes del m esencéfalo, de la protuberancia y del bulbo raquídeo. La form ación reticular actúa como un filtro p ara la inform ación sensorial entrante. De hecho, no atendem os conscientem ente a la gran m ayoría de la inform ación sensorial entrante, sino que se filtra p o r el tálam o. Todos hem os experim en tado este fenóm eno. Im agine que está en u n a fiesta, rodeado p o r el zum bido de varias conversaciones. De repente, oye que alguien pronuncia su nom bre d etrás de sí y se da cuenta de que alguien está hablando sobre usted, aunque no se haya percatado antes de la conversación. A p esar de que estuvo reci biendo inform ación sensorial sobre esta conversa ción todo el tiem po, su tálam o filtró la que no era im portante y sólo provocó su atención consciente enviando transm isiones a la corteza cuando se m en cionó su nom bre.
Córtex (a) Encéfalo de un erizo F ig u ra 8.12.
El epitálam o se sitúa encim a del tálam o y con tiene los núcleos habenulares y el com plejo pineal. El núcleo hab en u lar se com unica con el tegm ento del m esencéfalo, m ientras que el complejo pineal se encarga del establecim iento de ritm os circadianos y secreta la horm ona m elatonina (véase el Capítulo 7, apartado sistem as integradores: sistem as integradores y ritm os circadianos).
La corteza integra e interpreta información La corteza exterior del encéfalo m am ífero, la isocorteza, integra e interp reta inform ación sensorial e ini cia m ovim ientos voluntarios asum iendo, po r tanto, m uchas de las funciones que el m esencéfalo realiza en otros vertebrados. La isocorteza es necesaria p ara la cognición y otras funciones im portantes, in cluidas la habilidad p a ra la concentración, el razo nam iento y el pensam iento abstracto. En algunos m am íferos, la isocorteza es blanda, m ientras que en otras especies está plegada, de m odo que la superfi cie del encéfalo tiene u n a apariencia en form a de nuez (Figura 8.12). Las regiones exteriores visibles de estos pliegues se denom inan circu n volu cion es y las depresiones se denom inan su rcos. Estos plie gues increm entan en gran m edida el áre a superficial de la isocorteza, aum entando el núm ero de neuro nas y sus interconexiones, a la vez que la compleji dad funcional del prosencéfalo. La corteza varía de área superficial en un factor de 125 entre los m am í-
Circunvolución Córtex (b) Encéfalo de un león marino
V a r ia c ió n en la e s tru c tu ra de los e n c é fa lo s de los m a m ífe ro s .
En algunas especies la corteza está plegada en una intrincada serie de circunvoluciones y surcos, m ientras que en otro s es relativam ente liso.
C A P ÍTU LO 8
feros corticales inferiores, como los erizos, y los m a m íferos corticales superiores, como los prim ates y cetáceos. El grado de plegam iento de la isocorteza p arece estar relacionado con la com plejidad funcio n al del encéfalo y la inteligencia del organism o. La corteza se estructura en seis capas diferencia das funcionalm ente con procesos neuronales y som as distribuidos entre las capas de m an era especifica (Fi g ura 8.13). La principal diferencia visible entre las ca pas es la form a y densidad de las neuronas localizadas en cada capa. La capa m ás exterior (I) contiene pocos som as y pocas conexiones entre células. Las capas II y III participan en la integración de señales en el interior de la corteza, m ientras que las capas restantes contie nen neuronas que se com unican con otras partes del encéfalo, incluidos el tálam o, el tronco encefálico y la m édula espinal. La corteza está diseñada p a ra organi zarse en unidades funcionales llam adas columnas que están orientadas verticalm ente dentro de la corteza y se extienden a lo largo de las seis capas corticales, au n que la relevancia funcional de esta estructura vertical
Organización funcional de los sistem as nerviosos 331
es todavía un tem a de debate. Desde luego, el grado de organización de las colum nas parece variar entre las distintas partes de la corteza y entre las diferentes es pecies. Las colum nas pueden descom ponerse asim is m o form ando m inicolum nas de m enos de un milímetro de diám etro y que sólo contienen alrededor de 100 neuronas. Se dan num erosas interconexiones entre n euronas en el interior de u n a columna, y, aunque se producen m enos conexiones entre colum nas, esas co nexiones se pueden extender m ás allá de la corteza o hacia dentro de áreas subcorticales como el tálam o. Por tanto, la corteza puede actuar como un procesador paralelo m asivam ente con cada colum na actuando en calidad de una unidad sem iautónom a. Cada uno de los hem isferios cerebrales se divide en cuatro regiones o lóbulos que se definen de acuerdo con los nom bres de los huesos que cubren (Figura 8.14). El lóbulo fro n ta l se encarga del razo n a m iento, de la planificación y de algunos aspectos del habla en los hum anos. El lóbulo parietal se asocia con el movimiento, la orientación, el reconocimiento
Circunvolución Surcos-
Materia blanca
Fig u ra 8.13.
C a p a s de la c o rte z a h u m a n a .
La corteza está dispuesta en seis capas distintas, aunque la com posición celular de dichas capas varía en funció n de la zona concreta de la corteza.
332 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
(a) Lóbulos cerebrales Corteza motora primaria
Corteza somatosensitiva de asociación sensoriales de asociación visuales
Área de Broca (habla) Corteza olfativa
visual Areas de asociación límbicas
(b) Áreas corticales Fig u ra 8 .14.
Lób u lo s , c o rte z a s y á r e a s de a s o c ia c ió n
d e l e n c é fa lo hum ano. (a) El cerebro se puede d iv id ir en varios lóbulos, den om ina dos cada uno com o los huesos que revisten, (b) El cerebro tam bién se puede d iv id ir en regiones funcionales den om ina das áreas corticales, cada una de ellas involucrada en la coor dinación de una funció n diferente.
y la percepción de los estímulos. El lóbulo occipital participa en el procesam iento visual y el lóbulo tem poral está involucrado en la percepción y reconoci m iento de los estím ulos auditivos, la m em oria y el habla. A lternativam ente, el encéfalo puede dividirse entre áreas especializadas en diferentes funciones que, aproxim adam ente, coinciden con las divisiones definidas por los lóbulos del cerebro (Figura 8.14b). M uchas de las regiones funcionales de la corteza se organizan topográficam ente, de m odo que cada u n a de las p artes de la corteza se corresponde con fun ciones específicas. Esta disposición refuerza el con cepto de las líneas identificadas, con el que nos encontram os cuando tratam o s los sistem as sensoria les, y se aplica a la corteza visual, la corteza auditiva, la corteza som atosensitiva y la corteza m otora. La cor teza som atosensitiva y la corteza m otora prim aria
constituyen im ejemplo adecuado de esta disposición topográfica: cada p arte de la corteza corresponde a la p arte específica del cuerpo que rige (Figura 8.15). Es preciso ten er en cuenta que las áreas de la corteza so m atosensitiva que gobiernan varias partes del cuerpo están desproporcionadas. Por ejemplo, la cara y las m anos ocupan m ás de la m itad del m apa de la corte za sensitiva y la corteza m otora en los hum anos. El ta m año de la región cortical suele reflejar el núm ero de neuronas sensitivas o m otoras p resentes en un a zona determ inada del cuerpo, m ás que el tam año de esa zona. Por tanto, el núm ero de cortezas dedicadas a la recepción de inform ación de un a zona específica del cuerpo difiere entre las distintas especies, lo que m uestra la im portancia relativa de varias zonas del cuerpo p a ra las sensaciones y el movim iento. Por ejemplo, la nariz capta u n a p arte desproporcionada de la corteza som atosensitiva en el caso del topo es trellado. Esos anim ales viven en m adrigueras y usan sus sensibles hocicos p a ra explorar el entorno. La es tru ctu ra topográfica de la corteza se m antiene incluso a niveles m ás pequeños. Por ejemplo, las neuronas de la región de la corteza som atosensitiva del topo estre llado dedicadas al hocico están estructuradas en for m a de estrella, reflejando la form a del hocico. Adem ás de las diversas cortezas sensitivas, el en céfalo contiene tam bién varias áreas asociativas invo lucradas en procesam ientos corticales de m ás alto nivel. Las áreas asociativas reciben señales de áreas corticales adyacentes procesando m ás esta inform a ción e integrándola. No se conoce muy bien la función de estas áreas asociativas, dada la compleja naturaleza de sus tareas de procesam iento y la dificultad de estu diarlas experim entalm ente. Esta dificultad se agudiza especialm ente en lo que se refiere a la corteza prefrontal asociativa de los hum anos, responsable de varias habilidades como el lenguaje, el razonam iento lógico, la planificación y el juicio. La corteza prefrontal asocia tiva de los hum anos es seis veces m ás grande en tam a ño que la del chim pancé y su región cerebral está incluso m enos desarrollada en otros m amíferos, de modo que la experim entación en anim ales no hum anos tiene un a utilidad m ás bien lim itada p ara entender los m ecanism os que subyacen al complejo com portam ien to de los seres hum anos.
I El s is te m a n e rv io s o p e rifé ric o Las neuronas aferentes tran sp o rtan inform ación sensorial a centros de integración (como el sistem a
C A P ÍTU LO 8
Proporciones del cuerpo humano
Proporciones del cuerpo del topo estrellado
(a)
Organización funcional de los sistem as nerviosos 333
gobiernan las respuestas psicológi cas y el com portam iento. Las n e u ronas sensitivas aferentes y las n euronas eferentes que envían señales a los órganos efectores for m an conjuntam ente el sistem a n e r vioso periférico. Hemos tratado ya la ram a aferente del sistem a n e r vioso periférico en el Capítulo 7. Aquí vam os a cen tram o s en la ram a eferente. La ra m a eferente del sis tem a periférico se sep ara en dos divisiones principales: la división autónom a y la división som ática m otora. La división autónom a se divide a su vez en los sistem as n e r viosos sim pático, parasim pático y entérico (Figura 8.16). En el resto de este apartado expondrem os cada u n a de estas divisiones tam bién.
Vías neurovegetativas El sistem a nervioso autónom o se en carga de la regulación hom eostática de la m ayor p arte de las funciones, F ig u ra 8.15. M a p a s s o m a to s e n s itiv o s . entre ellas la frecuencia cardiaca, la El área de la corteza dedicada a una parte determ inada del cuerpo depende de la im presión sanguínea, la respiración y portancia de esa parte en el organism o, (a) Proporciones del cuerpo de un ser hum a otros procesos críticos vitales. Esas no y un to p o estrellado, (b} Proporción de la corteza som atosensitiva dedicada a partes específicas del cuerpo. En los seres hum anos, un área desproporcionada de funciones no se suelen realizar bajo la corteza se dedica a las señales sensoriales entrantes desde las m anos y la boca. un control consciente, por lo que el En los topos estrellados una cantidad desproporcionada de la corteza se dedica a las sistem a nervioso se denom ina a ve patas delanteras y la nariz. ces sistem a nervioso involuntario. La división autónom a se puede difenervioso central de los vertebrados), donde se pror e n d a r en tres ram as. El sistem a n ervioso sim páticesa. Los centros de integración envían a continuaco es el m ás activo d urante periodos de estrés o ción señales a través de las vías eferentes que actividad física , m ientras que el sistem a n ervioso paHomúnculo sensorial humano (b)
F ig u ra 8.16.
D iv is io n e s p r in c ip a le s d e l s is te m a n e rv io s o
p e r ifé r ic o de los v e rte b ra d o s .
El sistem a nervioso de los vertebrados se puede d iv id ir en el siste ma nervioso periférico {que contiene vías aferentes y eferentes) y el sistem a nervioso central (que contiene el encéfalo y la m édula espi nal). Las vías eferentes del sistem a nervioso periférico se pueden asim ism o d iv id ir en dos vías: la divisió n m otora que inicia m o v i m ientos al estim ula r los m úsculos esqueléticos y la divisió n autó nom a que regula las funciones fisiológicas. La divisió n autónom a se divide en sistem as nerviosos sim páticos, parasim páticos y enté ricos.
334 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
rasim p ático es el m ás activo durante los periodos de descanso. En consecuencia, la ram a parasim pática se denom ina a veces sistem a de “reposo y digestión”, porque se encarga principalm ente de la reconducción de la energía hacia actividades lentas como la diges tión. Por el contrario, la ram a sim pática se denom ina a veces sistem a de “luchar o h u ir”. La estim ulación del sistem a nervioso sim pático provoca increm entos de la frecuencia cardiaca, u n a respiración m ás profunda y la desviación de la sangre del sistem a digestivo a los músculos en acción. Aunque la acción de la ram a sim pática es m ás evidente d urante la respuesta “luchar o
h u ir”, tam bién desem peña un papel im portante en las actividades diarias, sobre todo al regular la presión sanguínea y el flujo de la sangre en los tejidos. La ram a en térica del sistem a nervioso autónom o opera inde pendientem ente de las otras dos ram as, aunque las r a m as parasim pática y sim pática pueden regular su actividad. La ram a entérica se dedica en su totalidad a la digestión e inerva el tracto gastrointestinal, el p án creas y la vesícula biliar. T ratarem os el papel del sis tem a nervioso entérico en el Capítulo 12. Por el m om ento, nos centram os en las ram as sim pática y p a rasim pática del sistem a nervioso autónom o.
Simpático
Parasimpático
Glándulas lacrimales y salivares Pulmones ProtuberanciaBulbo --------
Ganglio simpático
Ganglio ' parasimpático
V III par craneal .Vil par craneal IX par craneal X par craneal
Cervical
Nervio vago (X par craneal)
Hígado
Torácico Intestino grueso
JL
Ganglio colateral
Recto
T _L Sacro
Raquídeo
Genitales Fig u ra 8 .17.
In e r v a c ió n d u a l en e l s is te m a n e rv io s o a u tó n o m o .
La m ayor parte de los órganos reciben señales entrantes desde los sistem as nerviosos tanto parasim páticos com o sim páticos.
C A P ÍTU LO 8
Las ramas simpática y parasimpática actúan conjuntamente para mantener la homeostasis El sistem a nervioso autónom o m antiene la hom eos tasis equilibrando la actividad de los sistem as n e r viosos sim pático y parasim pático y sus efectos sobre los órganos diana. Tres im portantes características de sistem a nervioso autónom o su sten tan su habili dad p a ra m an ten er la hom eostasis: inervación dual, acción an tag o n ista y tono basal. Como se puede co m p ro b ar en la Figura 8.17, la m ayor p arte de los órganos in tern o s reciben señales tanto del sistem a nervioso sim pático como del parasim pático. A tr a vés de este proceso de inervación dual, las dos ram as pueden tra b a ja r conjuntam ente p a ra regular los órganos efectores. Los efectos de las ram as sim p ática y parasim p ática suelen ser antagonistas (uno
Tabla 8 .3 .
Organización funcional de los sistem as nerviosos 335
estim ulante y el otro inhibitorio) (Tabla 8.3). Por ejem plo, la estim ulación del sistem a nervioso p arasim pático provoca la constricción de los bronquiolos p ulm onares causando la contracción del m úsculo liso asociado. Finalm ente, tanto el sistem a sim pá tico como el parasim pático tienen tono b asal (o ac tividad tónica basal) que perm ite que, au n en condiciones de reposo, las n eu ro n as autónom as generen potenciales de acción. Como consecuencia, am bos increm entos o dism inuciones en la frecuen cia de potencial de acción p ueden alte ra r la r e s p uesta del órgano objetivo, de form a sim ilar al control de volum en en u n ap arato de radio. Estos tre s principios organizativos p erm iten al sistem a autónom o nervioso ejercer u n control preciso y m an ten er la hom eostasis al equilibrar las señales de las ram as p arasim p ática y sim pática del sistem a nervioso autónom o.
A c c io n e s de los s is te m a s n e rvio s o s s im p á tic o y p a ra s im p á tic o en los h u m a n o s.
Órgano efector
Estimulación parasimpática
Estimulación simpática
Receptor adrenérgico
Pupila del ojo
Se contrae
Se dilata
a
Glándulas lacrimales de los ojos
Estimula la secreción
Ninguna
Ninguna
Glándula salivar
Secreción líquida
Secreción gruesa
a, (32
Corazón
Frecuencia cardiaca lenta
Aumenta el ritmo y fuerza de contracción
pl
Arteriolas
Ninguna
Se contraen
a
Glándulas nasales
Estimulan la secreción
Ninguna
Ninguna
Bronquiolos de los pulmones
Se contraen
Se dilatan
(32
Tracto digestivo
Aumento de motilidad y secreción
Disminución de motilidad y secreción
a, (32
Páncreas exocrino
Aumenta la secreción de enzimas
Disminuye la secreción de enzimas
a
Páncreas endocrino
Estimula la secreción de insulina
Inhibe la secreción de insulina
a
Médula suprarrenal
Ninguna
Secreta epinefrina
Riñón
Ninguna
Aumenta la secreción de renina
(31
Vejiga
Liberación de orina
Retención de orina
a, (32
Tejido adiposo
Ninguna
Descomposición de la grasa
(31
Glándulas sudoríparas
Sudoración general
Sudoración localizada
a
Músculos piloerectores de la piel
Ninguna
Se contraen, provocando erizamiento del pelo
a
Órganos sexuales masculinos
Erección
Eyaculación
a
Útero
Depende de la fase del ciclo
Depende de la fase del ciclo
a, (32
336 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Las vías neurovegetativas comparten algunas características estructurales
La anatomía de las ramas simpática y parasimpática difiere
Todas las vías neurovegetativas contienen dos neuro n as en serie (Figura 8.18). El som a de la p rim era n eu rona, o p regan glión ica, está localizado en el interior del sistem a nervioso central. E sta neurona form a si napsis con una segunda n eu rona eferente, o postgan glión ica, en la estructura periférica denom inada g a n g lio s n eu ro v eg eta tiv o s que contienen varias de dichas sinapsis. Una n eu ro n a simple pregangliónica suele form ar sinapsis con varias neu ro n as postgangliónicas y puede incluso to m ar contacto con neuro nas intrínsecas que se localizan totalm ente dentro del ganglio, perm itiendo una integración fimcional relati vam ente com pleja dentro del m ism o ganglio. En el ór gano efector la n eu ro n a postgangliónica libera un n eu ro tran sm iso r de estru ctu ras especializadas llam a das varicosidades, como se expone en el Capítulo 5. Los axones de las neu ro n as postgangliónicas autóno m as tienen u n a serie de hinchazones en su extrem o distal, estru ctu rad as en series a lo largo de la superfi cie del órgano efector, a m odo de u n a ristra de cuen tas. Cada varicosidad actúa como u n a sinapsis con el órgano efector, liberando u n n eurotransm isor en re s p uesta a potenciales de acción. La m em brana subya cente del órgano efector no está especializada y no contiene altas concentraciones de receptores. En cam bio, la n eu ro n a sim plem ente libera el neuro tran sm iso r en el líquido extracelular. Seguidam ente el n eu ro tran sm iso r se difunde a los receptores distribui dos a través de la m em b ran a del órgano efector.
Hay tre s principales diferencias anatóm icas entre las ra m a s p arasim p ática y sim pática del sistem a nervioso autónom o. En p rim e r lugar, los som as de las n e u ro n a s p a rasim p áticas se sitúan en regiones d iferentes del sistem a nervioso central. M uchas vías sim páticas se originan en las regiones torácica y lu m b ar de la m édula espinal, m ie n tra s que la m ayor p a rte de las vías p a rasim p áticas se origi n an , ya sea en el cerebelo, o en la región sa cra l de la m édula esp in al (véase la F igura 8.17). En segundo lugar, la situación de los ganglios difiere en tre las ra m a s p a ra sim p á tic a y sim pática del sis tem a nervioso autónom o. Los ganglios parasim p áticos se en cu e n tra n en u n a cad en a que se extiende junto a la m édula espinal, m ie n tra s que los g an glios parasim p ático s se localizan m ás cerca del órgano efector. Como consecuencia, la m ayor p arte de las vías sim páticas cu en tan con n eu ro n as preganglión icas cortas y n e u ro n a s postganglió nicas largas, m ien tra s que las vías p arasim p áticas p re se n ta n n e u ro n a s pregangliónicas largas y n e u ro n a s postgangliónicas cortas (Figura 8.19). La últim a diferencia anatóm ica en tre esas vías es la relación en tre las n eu ro n as pregangliónicas y p o s tgangliónicas. En el sistem a nervioso sim pático, de m edia, u n a n e u ro n a sim pática pregangliónica form a sinapsis con diez o m ás n e u ro n a s p o st gangliónicas. Por el contrario, en el sistem a p arasim pático, u n a n e u ro n a pregangliónica tipo form a sinapsis con tre s o m enos n eu ro n as postganglióni cas. La estim ulación de u n a sola n e u ro n a sim pática p regangliónica tiene, po r tanto, m ayores efectos generalizados, m ien tra s que la estim ulación de u n a n e u ro n a p arasim p ática provoca norm alm ente u n a re sp u e sta m ucho m ás local. Los sistem as nerviosos sim pático y parasim pático se p u ed en distinguir tam bién en función del neu ro tran sm iso r que libera en la sinapsis con el ó r gano efector. Tanto en la división sim pática como en la parasim pática, la n eu ro n a pregangliónica li b era el n eu ro tran sm iso r acetilcolina (ACh), y la neu ro n a postgangliónica cuenta con receptores n i cotínicos que enlazan el ACh (véase el Capítulo 4: señalización horm onal y celular). Los receptores n i cotínicos de acetilcolina son canales iónicos dep en dientes del ligando y el enlace de ACh perm ite la e n trad a de N+ y la rá p id a despolarización de la cé lula postgangliónica. Los efectos de los receptores nicotínicos son siem pre estim ulantes.
F ig u ra 8.18.
E s tru c tu ra de una v ía n e u ro v e g e ta tiv a .
Las vías neurovegetativas constan de una cadena de dos neuronas. La neurona pregangliónica se origina en el sistema nervioso central y form a una sinapsis en el gan glio periférico. La neurona postgangliónica se origina en el gan glio p eriféri co y form a una sinapsis en el órgano efector.
C A P ÍTU LO 8
(a) Sistema nervioso parasimpático F ig u ra 8.19.
Organización funcional de los sistem as nerviosos 337
(b) Sistema nervioso simpático
E s tru c tu ra y n e u ro tra n s m is o re s de los s is te m a s n e rv io s o s s im p á tic o y p a ra s im p á tic o .
El sistem a nervioso parasim pático tiene una neurona pregangliónica larga y una neurona postgangliónlca corta, m ientras que el nervio sim pático tiene una neurona pregangliónica corta y una neurona postgangllónica larga.
En el sistem a nervioso parasim pático, la célula posgangliónica libera ACh, pero el órgano objetivo tiene receptores m uscarínicos m ás que nicotínicos. Los receptores m uscarínicos se asocian con las pro teínas G y, p o r tanto, suelen provocar respuestas algo m ás lentas que las que producen los receptores nico tínicos. Hay tam bién varios tipos de receptores m us carínicos y el enlace de ACh puede ser tanto estim ulante como inhibidor, en función del tipo de receptor p resente en la célula diana. Por el contrario, en el sistem a nervioso sim pá tico, las células postgangliónicas suelen liberar el neu ro tran sm iso r norepinefrina que se enlaza con los receptores adrenérgicos a o p en el órgano efector. Los diversos tipos de receptores adrenérgicos operan a través de diferentes vías secundarias y provocan u n a v ariedad de resp u estas en la célula diana (véase el Capítulo 5). Las diferencias entre los subtipos de receptores de los distintos órganos efectores, expli can los efectos diversos de la estim idación sim pática y parasim pática de varios tejidos. Tal y como expone m os en la Caja 8.2, esas diferencias son im portantes clínicam ente al pred ecir los efectos de m uchos m edi cam entos. En general, el enlace de la norepinefrina con los receptores a es estim ulativo, m ientras que el enlace con los receptores p es inhibidor. Algunos
tipos de neuronas sim páticas postgangliónicas, incluidas las que inervan las glándulas sudoríparas de la piel, liberan ACh en vez de norepinefrina, pero dichas neuronas son m ucho m enos num erosas que las neuro nas adrenérgicas. La Tabla 8.4 resum e algunas de las sim ilitudes y diferencias entre los sistem as nerviosos sim pático y parasim pático.
Algunos efectores reciben sólo inervación simpática Aunque el principio de la inervación dual se aplica a la m ayor p arte de los órganos diana del sistem a n e r vioso autónom o, algunos órganos, entre los que se encuentran las glándulas sudoríparas, los músculos erectores pilosos, la m édula suprarrenal, los riñones y la m ayor p arte de los vasos sanguíneos, se inervan exclusivam ente po r las neuronas sim páticas (véase la Tabla 8.3). Los efectos de la estim ulación sim pática en las glándulas de la sudoración y los músculos piloerectores son evidentes. Los hum anos sudan norm al m ente d urante situaciones de estrés y, en varios m am íferos, el m iedo hace que el pelo (o pelaje) se erice a causa de las acciones de los músculos piloerectores.
338 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 8 .2
A p lic a c io n e s
Subtipo de receptor
y
El asma es una afección respiratoria que
diseño de fárm acos
fuerza de la contracción cardiaca, redistribuyendo la co
padecen hasta 15 m illones de personas en
rriente sanguínea a los m úsculos en acción, aum entando la
los Estados Unidos, m uchas de ellas niños. Los síntom as
atención y dejando listo el cuerpo para actuar. Por tanto, la
del asma incluyen respiración sibilante, tos y dificultad res
efedrina y la epinefrina pueden tener sustanciales efectos
piratoria. Durante un ataque de asma, los m úsculos lisos de
secundarios cuando se utilizan com o fármacos. Por ejem
alrededor de los bronquiolos se contraen y estrechan los
plo, la efedrina puede provocar ansiedad, tem blores, irritabi
conductos que norm alm ente conducen a los pulmones.
lidad, som nolencia, taquicardia y arritmia. No en vano varios
Las causas del asma no son conocidas, pero existe una
países han prohibido recientem ente la efedrina com o ingre
gran variedad de tratam ientos disponibles para reducir la
diente en los com prim idos para dietas y suplem entos ali
gravedad de un posible ataque.
m enticios debido a estos efectos secundarios peligrosos.
Hasta m ediados de los años ochenta, la adm inistración
Recientem ente, se han desarrollado fárm acos antiasmáti
de epinefrina o efedrina era el principal tratam iento para el
cos que tienen específicam ente com o objetivo los recepto
asma. A m bos fárm acos se fijan a los receptores adrenérgi
res adrenérgicos (32 que se m anifiestan en los m úsculos
cos (3, estim ulando esos receptores en los m úsculos lisos
lisos de los bronquiolos. Por ejem plo, el albuterol (que se
de los bronquiolos, lo que provoca su relajación. Cuando el
comercializa bajo marcas com o Ventolin) se fija al receptor
m úsculo liso se relaja, los bronquiolos se dilatan y abren los
adrenérgico (32 con aproxim adam ente unas 500 veces
conductos a los pulmones, contrarrestando los efectos de
m ayor afinidad que lo hace a los receptores adrenérgicos (31
un ataque de asma. Desafortunadamente, tanto la efedrina
y apenas se fija, si es que lo hace, a los receptores adrenér
com o la epinefrina se fijan a muchas clases de receptores
gicos a. La utilización de fárm acos com o el albuterol reduce
adrenérgicos, incluidos los subtipos a1, a2, (31 y (32 de los
el riesgo de graves efectos secundarios cardiacos relativos
receptores adrenérgicos que se encuentran en m uchos teji
a la epinefrina, porque el corazón expresa sobre todo recep
dos de todo el cuerpo. Recuérdese que la epinefrina se
tores adrenérgicos (3, al m ism o tiem po que proporciona un
libera com o parte de la respuesta "luchar o hu ir" del sis
gran alivio a los ataques de asma por sus efectos en los
tem a nervioso sim pático, increm entando la frecuencia y la
receptores (32 de los m úsculos lisos de los bronquiolos.
Ta b la 8 .4 .
S im ilitu d e s y d ife re n c ia s e n tre los s is te m a s s im p á tic o y p a ra s im p á tic o .
Característica
Simpático
Parasimpático
Número de neuronas en cadena
Dos
Dos
Situación de los somas
Regiones torácica y lum bar de la m édula espinal
Cerebelo Región sacral de la m édula espinal
Situación de los ganglios
Cerca de la m édula espinal
Cerca del órgano efector
Neurona pregangliónica
Corta
Larga
Neurona postgangliónica
Larga
Corta
Sinapsis por neurona pregangliónica
Muchas
Pocas
Neurotransmisor liberado por la neurona pregangliónica
ACh
ACh
Neurotransmisor liberado por la neurona postgangliónica
NE
ACh
La m édula su p rarren al, corazón de la glándula su p rarren al, tam b ién form a p arte de la resp u esta a situaciones ten sas. Las glándulas su p rarre n ales son p arejas de glándulas situ ad as inm ediatam ente sobre
los riñones. La m édula su p ra rre n a l es de hecho un ganglio sim pático altam ente modificado. Las n eu ro n as sim páticas pregangliónicas acab an en la m édula su p rarren al, pero las n eu ro n as postgangliónicas no
C A P ÍTU LO 8
Organización funcional de los sistem as nerviosos 339
s u p r a r r e n a l.
F ig u ra 8.21.
R e g u la c ió n d e l s is te m a n e rv io s o a u tó n o m o
La m édula suprarrenal recibe inervación desde una neurona pregangliónica sim pática, por lo que equivale a u n ganglio sim pático.
por e l e n c é fa lo .
F ig u ra 8.20.
In e r v a c ió n s im p á tic a de la m é d u la
van a in erv ar u n órgano objetivo (Figura 8.20), sino se tran sfo rm an en células neurosecretoras que libe ra n epinefrina y n o repinefrina directam ente a la cir culación y producen efectos de alta excitación. Podem os com probar fácilm ente los orígenes de las glándulas su p rarre n ales como ganglios sim páticos, observando a los peces, los cuales carecen de una glándula su p rarre n al sep arada. En los elasm obranquios (tiburones y rayas), estas células neurosecreto ras se asocian directam ente con los ganglios neurovegetativos. En los osteíctios, estas células se disp ersan a través de la p arte an terio r del riñón, de form a sim ilar a la localización de m am íferos, aunque no están ag ru p ad as en u n a glándula separada. Esta progresión desde u n a estru ctu ra claram ente ganglio n a r en las células d ispersas, a un tejido no ganglionar (m édula su p rarren al), sugiere el probable origen evo lutivo de esta inusual estru ctu ra (véase el Capítulo 4 p a ra un posterio r exam en sobre las glándulas suprarenales).
El sistema nervioso central regula el sistema nervioso autónomo El sistem a nervioso central ejerce control sobre el sistem a nervioso autónom o en varios niveles, inclui dos la m édula espinal, el tronco encefálico, el hipotá lam o y la corteza. La relación entre estas p artes del
M uchas regiones principales del encéfalo pueden m odular la actividad del sistem a nervioso autónom o. La form ación reticular en el tron co encefálico procesa y com unica la m ayor parte de la in form ación descendente de los centros superiores del encéfalo al sistem a nervioso autónom o. El hipotálam o es la más im portante de estas regiones cerebrales y puede entrar en contacto con el sistem a nervioso autónom o ya sea directam ente o por m edio de la form ación reticular.
encéfalo y el sistem a nervioso autónom o se destaca en la Figura 8.21. M uchas de las señales del sistem a nervioso central alcanzan el sistem a nervioso autó nom o po r medio de la form ación reticular, un con junto de neuronas localizadas a través del tronco encefálico, que m encionam os en relación con el tálam o. Aunque la form ación reticular puede asi m ism o actuar como un centro de integración, su principal papel es transm itir señales desde la cor teza, el bulbo raquídeo y el hipotálam o. El hipotá lamo desem peña un papel dom inante al regular el sistem a nervioso autónom o y se puede com unicar directam ente con el sistem a nervioso autónom o o a través de la form ación reticular. El hipotálam o inicia la respuesta “luchar o h u ir”, la cual conlleva una am plia activación de las neuronas sim páticas. El hipotálam o contiene tam bién centros que regulan la tem p eratu ra corporal, la ingesta de alim entos y el equilibro hídrico, todos ellos regulados hom eostáticam ente a través del sistem a nervioso autónom o. El bulbo raquídeo contiene centros que controlan la fre cuencia cardiaca, la presión sanguínea y la re sp ira
340 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
ción, al influir sobre la actividad del sistem a nervioso autónom o. Muchos de estos cam bios en la actividad del sis tem a nervioso autónom o suceden a nivel incons ciente p o r medio arcos reflejos, circuitos neurales sim ples que no involucran a los centros conscientes del encéfalo. La Figura 8.22 m uestra un ejemplo del citado arco reflejo involucrado en la regulación de la p resión sanguínea. Cuando la presión sanguínea desciende, unos receptores localizados en varias p a r tes del cuerpo detectan esta dism inución. Dichos receptores envían u n a señal al centro de control car diovascular situado en el bulbo raquídeo a través de n eu ro n as sensitivas aferentes. A continuación, el centro de control cardiovascular influye en la activi dad del sistem a nervioso autónom o, al increm entar la actividad sim pática y dism inuir la parasim pática. Estos cam bios resultantes en la em isión autónom a provocan ajustes en la frecuencia cardiaca, volum en sistólico y vasoconstricción, al volver la presión san guínea a su flujo norm al en u n bucle de retroalim en tación negativa. El sistem a límbico, que gobierna las emociones, tiene tam b ién u n profundo efecto sobre la actividad del sistem a nervioso autónom o. Sonrojarse, m a re a r
se al ver sangre y la sensación de “m arip o sas” en el estómago, son todos ellos ejem plos de la resp u esta del sistem a nervioso autónom o ante las emociones.
Vías m otoras somáticas Las vías m otoras som áticas controlan los m úsculosesqueléticos, los cuales se controlan norm alm ente de form a consciente. Por tanto, las vías m otoras reciben a veces el nom bre de “sistem a nervioso voluntario”. Sin em bargo, algunas vías m otoras eferentes no están bajo un control consciente, representando, en cambio, respuestas reflejas (movimientos involuntarios rá p i dos en resp u esta a estímulos). Por ejemplo, si se sien ta con las p iernas cruzadas y golpea suavem ente la rótula, su piern a d a rá u n a patad a por el efecto del re flejo rotuliano. Las vías m otoras eferentes se pueden distinguir de las autónom as en siete aspectos: 1. Las neu ro n as m otoras eferentes controlan sólo un tipo de órgano eferente (músculoesquelético). 2. Los som as se localizan en el sistem a nervioso central, nunca en ganglios fuera de éste. 3. Las vía m otoras eferentes son m onosinápticas (se produce u n a sola sinapsis entre el sistem a n e r vioso central y el órgano efector). Como conse cuencia, las n euronas m otoras eferentes pueden estar entre las neuronas m ás largas del cuerpo. Sus axones pueden llegar desde la m édula espi nal h asta la periferia del cuerpo, u n a distancia que puede a b arcar varios m etros en m am íferos de gran tam año. 4.
F ig u ra 8.22.
E je m p lo de un a rc o a u tó n o m o re fle jo :
c o n tro l r e fle jo de la c o r r ie n te s a n g u ín e a .
La morfología de u n a sinapsis difiere entre las vías neurovegetativas y las m otoras. En la in ter sección neurom uscular, u n a neurona m otora se divide en un grupo de term inales de axones que se ram ifican sobre la placa m otora term inal, a diferencia de las neuronas m otoras que tienen diversas varicosidades sinápticas estructuradas en serie como un a ristra de cuentas.
5. La h endidura sináptica entre la n eu ro n a m otora y la m em b ran a de la célula m uscular es m ucho m ás estrecha entre las neuronas autónom as y sus células efectoras. Como consecuencia, los neurotransm isores norm alm ente se difunden a lo largo de la unión neurom uscular m ás ráp id a m ente que a través de la h endidura sináptica de las neuronas autónom as, y las n euronas m otoras tienden a transm itir m ás rápidam ente a través de sus efectores.
C A P ÍTU LO 8
6 . Todas las n eu ro n as m otoras liberan acetilcolina
Organización funcional de los sistem as nerviosos 341
Señal entrante
Señal saliente
en la intersección, m ientras que las neuronas sim páticas liberan epinefrina y las neuronas p arasim páticas liberan acetilcolina. 7.
El efecto de la acetilcolina en el músculoesquelético es siem pre excitador, m ientras que las neuronas autónom as pueden ser excitadoras o inhibidoras. La estim ulación de u n a neurona m otora eferente conduce a la contracción del músculoesquelético y los m úsculos descansan tan sólo cuando lo hacen las neuronas m otoras asociadas.
F u n c io n e s in te g ra d o ra s d e l s is te m a n e rv io s o Los neurobiólogos están tan sólo com enzando a com p ren d er el m odo en que los centros de integración como el encéfalo tom an inform ación de los sistem as sensoriales e in tegran dicha inform ación pa ra perm i tir a los anim ales resp o n d er a su entorno de form a dinám ica. En este ap artad o del capítulo analizare m os algunos de los principales aspectos sobre el fun cionam iento del sistem a nervioso, com enzando con com portam ientos sim ples y, a continuación, exam i nando algunas de sus funciones m ás complejas.
Coordinación del com portam iento Los anim ales m ulticelulares son capaces de com por tarse de diferentes form as, lo cual es posible gracias a la compleja organización y funcionam iento del sis tem a nervioso. Los com portam ientos anim ales pue den ag ru p arse en térm inos generales en tres categorías: com portam ientos reflejos, com porta m ientos rítm icos y com portam ientos voluntarios. Los com p ortam ien tos reflejos son respuestas involun tarias a los estím ulos y se encuentran entre los tipos m ás sim ples de com portam iento anim al. Muchos anim ales tienen tam bién u n a serie de com p orta m ien tos rítm icos, y esos ritm os sustentan procesos ta n im portantes como la locomoción, la respiración y la actividad cardiaca. Los com p ortam ien tos volu n ta rio s son m uy com plejos, desde actos ap aren te m ente sim ples como el apaream iento o la lucha, h asta com portam ientos complejos como leer o escri bir. En este ap artad o analizarem os cada uno de estos tipos de conducta por orden, desde el m ás simple al m ás complejo.
Neurona aferente sensitiva Fig u ra 8 .23.
Neurona eferente
A rc o r e fle jo de dos n e u ro n a s .
Los arcos reflejos controlan muchos comportamientos involuntarios La resp u esta integrada m enos com pleja del sistem a nervioso es el arco reflejo, que controla el tipo m ás sim ple de conducta anim al: reflejos o respuestas r á p idas involuntarias a los estímulos. En principio, un arco reflejo puede em plear ta n sólo dos neu ro n as (Fi gura 8.23): un a neurona sensitiva aferente que detec ta el estímulo y un a neurona eferente que transm ite la señal a un a célula efectora (como, p. ej., un músculo). Este arco reflejo se denom ina arco reflejo monosináptico, porque contiene u n a sim ple sinapsis neuro n a a neurona en la cadena desde la neu ro n a sensitiva a la neurona efectora. Un arco reflejo m onosináptico puede contener m ás de dos neuronas, siem pre que haya solam ente u n a sinapsis n eu ro n a a neurona a través de cualquier vía desde el estímulo a la resp u es ta. Desde luego, la m ayor p arte de los arcos m onosinápticos reflejos contienen m uchas neuronas. Las neuronas en un arco reflejo se pueden orde n a r de dos form as totalm ente diferentes. La Figura 8.24a ilustra el principio de con vergen cia, según el cual varias neuronas aferentes form an una sinapsis con u n a sola neurona eferente. Una disposición con vergente de neuronas perm ite un a sum a espacial. Por ejemplo, la actividad de u n a sola neurona aferente puede ser insuficiente p ara excitar la neurona eferen te, pero la actividad sim ultánea de m uchas neuronas aferentes puede ser suficiente p a ra provocar un a re s puesta. Este efecto aparece como resultado de la sum a espacial. La convergencia puede propiciar tam bién la com paración e integración de señales sensoriales desde varias p artes del cuerpo, aum entando la com plejidad del procesam iento de la inform ación. Por ejemplo, hem os analizado ya la im portancia de la dis posición convergente de neuronas en la retina de los m am íferos (véase el Capítulo 7). La Figura 8.24b ilustra un a organización alter nativa, denom inada d ivergen cia. En esta ordena ción, una sola neurona aferente form a sm apsis con m ás de u n a neurona eferente. La divergencia per-
342 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Neurona aferente
(ü>----- ^----- < jé ----<(D (a) Convergencia eferente
• — <üD «—
< d
• — <(11
(b) Divergencia F ig u ra 8.24.
C o n v e rg e n c ia y d iv e r g e n c ia en un a rco
r e fle jo m o n o s in á p tic o .
ía) En una disposición convergente, m uchas neuronas presinápticas interactúan con una única neurona postsináptica. ib) En una disposición divergente, una sola neurona presináptica form a sinapsis con m uchas neuronas postsinápticas. R = receptor sensitivo; E = órgano efector.
m ite a una sola señal sensorial controlar múltiples procesos independientes y se tra ta de u n a form a de am plificar las señales sensoriales. Las disposiciones funcionales divergentes perm iten al sistem a nervioso realizar procesam ientos paralelos, lo cual facilita una ráp id a integración de las señales entrantes y las re s puestas. El sistem a nervioso autónom o m uestras grandes niveles de divergencia. Una sola via neural del sistem a nervioso autónom o puede realizar cone xiones con varios órganos objetivo, perm itiendo una resp u esta coordinada y amplificada. Hay que precisar que todos los arcos reflejos ilus trad o s en la Figura 8.24 son arcos m onosinápticos re flejos, ya que contienen una sola sinapsis en la cadena entre el estím ulo y la respuesta. La m ayor p arte de los arcos reflejos tienen im a estructura m ás compleja y se denom inan arcos reflejos polisinápticos porque con tienen sinapsis entre m ás de dos tipos de neuronas. La Figura 8.25 m u estra un arco reflejo polisináptico sim ple que com prende u n a célula sensitiva, una neurona sensitiva aferente, una interneurona, u n a neurona eferente y u n a célula efectora. Un ejemplo de este tipo de arco reflejo es la resp u esta refleja al tacto en el gu sano C. elegans, gobernado por seis receptores del tacto, cinco pares de in tern eu ronas y 69 neuronas m o toras. La adición de in tern eu ronas en un arco reflejo increm enta en g ran m edida las respuestas potencia les del arco y la com plejidad del procesam iento.
Fig u ra 8.25.
A rc o r e fle jo p o lis in á p tic o .
Un arco reflejo polisináptico incluye un receptor sensitivo (R) una neurona aferente, una interneurona, una o más neuronas eferentes y uno o más órganos efectores (E).
Los generadores de patrones inician los comportamientos rítmicos Los g en erad ores de p atrones gobiernan muchos procesos psicológicos y com portam ientos rítmicos simples como m asticar, caminar, n a d a r y respirar. Los generadores de patrones son grupos de neuronas que producen patrones autosustentados de despolari zación, independientes de las señales entrantes sen soriales. Los generadores de patrones se estructuran de dos m aneras diferentes. La form a m ás simple de organización consiste en una célu la cardiorreguladora. Una célula cardiorreguladora genera u n a des polarización rítm ica espontánea y a continuación controla el estímulo de todas las células de la red. Las células cardiorreguladoras son com unes en los siste m as biológicos. Por ejemplo, tal y como se expone en el Capítulo 9, las células espontáneas cardiorregula doras inician el latido cardiaco en m uchas clases de anim ales. Los generadores de patrones se form an tam bién a p artir de neuronas que no generan indivi dualm ente despolarizaciones rítm icas. En su lugar, el ritm o es una propiedad em ergente de la red que viene provocada por la organización de las neuronas en la red, m ás que por ser u n a propiedad intrínseca de las m ism as neuronas. P ara percibir cómo operan los generadores de patrones tom em os como ejemplo un p a r de neuro nas. N inguna de ellas genera un ritm o por sí m ism a, pero cuando la prim era neurona (A) se activa, inhibe a la otra neurona (B) de activarse hasta que p asa im determ inado periodo de tiempo, m om ento en el cual la neurona B se activa a su vez. Seguidam ente la neu ro n a B inhibe a la neurona A durante un periodo de tiem po definido, transcurrido el cual se activa y el bucle continúa. Im aginem os dos robots program ados p ara golpear si son golpeados previam ente. Si el robot A golpea al robot B, a continuación el robot B
C A P ÍTU LO 8
resp o n d erá devolviendo el golpe, lo cual h a rá que el robot A lo devuelva a su vez, y así sucesivam ente. El truco en esta clase de red es conseguir que se inicie en prim er lugar. Una vez que se establece la cadena de acontecim ientos, continuará indefinidam ente y ya no será posible determ inar cuándo com enzó el com portam iento. Varios m ecanism os pueden iniciar las oscilaciones rítm icas. A m enudo, se necesita la señal en tran te desde un receptor sensitivo p a ra com enzar el ritm o. Por tanto, la distinción entre arcos reflejos y generadores de patro n es no es precisa. En cambio, esos dos tipos de vías de control interactúan p ara producir el com portam iento complejo y las respues tas psicológicas de los anim ales.
Los generadores de patrones gobiernan el comportamiento natatorio de la sanguijuela Un enfoque p ara com prender los com portam ientos neurobiológicos complejos subyacentes es el estudio de los com portam ientos sim ples en organism os con sistem as nerviosos m enos complejos que los que se en cuentran en los m am íferos. Uno de esos organism os es la sanguijuela m edicinal, Hirudo medicinalis. Al igual que otros m iem bros del filo Anélidos, las sanguijuelas son gusanos con encéfalo, tronco nervioso ventral y se rie de ganglios situados en cada segm ento del cuerpo. Cada ganglio segm ental contiene aproxim adam ente 400 neuronas, y esta sencilla organización nerviosa hace de la sanguijuela un modelo experim ental exce lente. Las sanguijuelas son ectoparasíticos (atacan a huéspedes vertebrados y se alim entan de su sangre). Cuando la sanguijuela m uerde la piel, inyecta en ella u n anestésico local y un anticoagulante p ara m antener
Organización funcional de los sistem as nerviosos 343
la sangre circulando librem ente y a la vez evitar ser de tectada po r el huésped. Una sanguijuela puede consu m ir h asta 15 m i de sangre durante una simple ingesta, es decir, 10 veces su m asa corporal. Hacia la m itad del siglo xix, las sanguijuelas se utilizaban norm alm ente en un tratam iento médico llamado “sangría” m edian te el cual los médicos aplicaban sanguijuelas en la piel, perm itiendo que succionaran la sangre de los pacien tes. Se pensó que esta terapia era útil p ara una am plia gam a de enferm edades, entre ellas la fiebre, la cefalea e incluso la obesidad. La sangría ha dejado de ser una terapia norm al, pero las sanguijuelas se utilizan toda vía p a ra procedim ientos quirúrgicos, como los injertos de piel o tejidos. Por ejemplo, la terapia con sanguijue las resulta de especial utilidad durante un reinjerto quirúrgico de un dedo o im a oreja p a ra prevenir la acu m ulación local de sangre, que puede dañar el tejido que se acaba injertar. En su hábitat natural, una sanguijuela detecta a su presa sintiendo las ondas que ésta em ite m ientras se m ueve en el agua. Después, la sanguijuela n ada hacia la posible presa, usando un movimiento ondulante. Du rante los treinta últimos años los neurobiólogos han desvelado m uchos com ponentes de la red neural que regulan este com portam iento (Figura 8.26). El movi m iento natatorio com ienza cuando los m ecanorrecep tores en la piel sienten un estímulo, como las ondas producidas por la presa. Estos m ecanorreceptores transm iten una señal sensitiva aferente a la interneurona desencadenante del movimiento natatorio, la cual realiza una conexión sináptica con la intem eurona que regula dicho movimiento. Una vez estim ulada, la interneurona que regula del movimiento natatorio activa u n a red de neuronas que form a un generador de p a trones central llam ado oscilador natatorio. Este gene
reguladora del nado Fig u ra 8.26.
Efector (musculatura natatoria)
El c ir c u ito n e u ra l g o b ie rn a e l c o m p o rta m ie n to n a ta to rio de la s a n g u iju e la .
Una señal sensorial de los m ecanorreceptores de la piel estim ula una interneurona desencadenante del nado que estim ula una interneurona reguladora del nado y una interneurona excitadora del nado. Esas interneuronas activan el grupo de neuronas que configuran el generador de patrones central del oscilador natatorio. El generador de patrones central envía a continuación una señal rítm ica a la m usculatura natatoria. Las interneuronas excitadoras de la natación procesan tam bién in form ación descenden te desde el encéfalo de la sanguijuela, perm itiend o que ésta inicie el nado aun cuando no haya un estím ulo táctil.
344 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
rad o r transm ite señales rítm icas a las neuronas m oto ra s que estim ulan los m úsculos de la pared corporal p a ra iniciar los movimientos natatorios rítmicos. El diagram a del circuito del oscilador natatorio aún no se h a desarrollado del todo, pero implica al m enos siete in tem eu ro n as osciladoras y cuatro neuronas motoras. Las sanguijuelas pueden tam bién iniciar un com porta m iento natatorio en ausencia de estímulos táctiles. Una n eu ro n a adicional en el circuito, denom inada en oca siones interneurona estim ulante de la natación, puede m odular la actividad de la neu rona que sincroniza el m ovimiento natatorio o del mismo generador de p a trones central, en respuesta a señales del encéfalo de la sanguijuela, pero las vías involucradas en este amplio nivel de control aún no se com prenden.
Figura 8.27.
El c ir c u ito n e u ra l g o b ie rn a la lo c o m o c ió n
en los m a m ífe ro s .
Los generadores de patrones y reflejos están Involucrados en el movimiento de los tetrápodos Los vertebrados tetrápodos (de cuatro extrem idades) se m ueven balanceando sus p iernas en patrones este reotipados que denom inam os m archas (correr, cam i n a r o trotar). Un tipo de m arch a como cam inar, conlleva m ovim ientos rítm icos de las p iernas hacia adelante y hacia atrás. Incluso los aparentem ente sim ples m ovim ientos necesarios p a ra cam inar o correr req u ieren la contracción coordinada de m uchos m ús culos, de m odo que cada articulación se m ueva ju sta m ente la distancia correcta en el m om ento justo. En cierto modo, los m ecanism os subyacentes a la loco m oción en los cuadrúpedos presen tan un parecido sorprendente con el com portam iento natatorio de las sanguijuelas. El tronco encefálico (en concreto la pro tub eran cia y el bulbo) suele iniciar la orden p a ra co m en zar el movim iento (Figura 8.27). El tronco encefálico envía u n a señal a la red de neu ro n as de la m édula espinal que actúa como un generador de p a tro n es central en los ganglios de la sanguijuela. El ge n erad o r de p atro n es tran sm ite a continuación señales m otoras coordinadas a los m úsculos que controlan el m ovim iento de las extrem idades, iniciando movi m ientos rítm icos. Al contrario que el generador de p a tro n es que controla la natación en las sanguijuelas, la estru ctu ra y conexiones neu rales de este generador de p atro n es todavía se desconocen, e incluso su situación en la m édula espinal sigue siendo difícil de localizar. Sin em bargo, varios experim entos h a n dem ostrado que debe existir un g en erad o r de patrones en el inte rio r de la m édula espinal. Adem ás de g en erar los m ovim ientos rítm icos de las extrem idades, los anim ales deben estar capacita-
El tron co encefálico envía una señal al generador de patrones central de la m édula espinal. El generador de patrones central envía a continuación una señal m otora rítm ica a los m úsculosesquelétlcos. La in form ación sensorial desde los proplorreceptores y la visión viaja al generador de patrones, el cerebelo y la corteza cerebral (por m edio del tálam o), m o d ifi cando la señal saliente del generador de patrones central.
dos p a ra resp o n d er a obstáculos m ientras cam inan o corren, cam biando dinám icam ente sus m ovimientos en resp u esta a cam bios en los contornos del suelo. Los receptores de estiram iento y los propiorreceptores en las extrem idades perciben inform ación sobre la posi ción de las extrem idades y el im pacto de las patas sobre el suelo m ientras se cam ina o corre. Esos re ceptores transm iten inform ación sensorial al gen era dor de patrones perm itiéndole m odificar su señal en resp u esta a las dem andas cam biantes del entorno. Por tanto, los arcos reflejos desem peñan un papel im portante al regular m ovim ientos de locomoción. Sin em bargo, estas señales aferentes en tran tes no son n e cesarias p a ra iniciar u n a locomoción rítm ica. Por ejemplo, si se aplica un fárm aco como el curare, que p araliza los m úsculos sin interferir en la actividad del sistem a nervioso y registra a continuación la actividad eléctrica de las n euronas m otoras que conducen a la m usculatura de las extrem idades, se observará un fe nóm eno llam ado locomoción ficticia. Si se estim ula el generador de patrones central, las neuronas m otoras producirán tantos patrones rítm icos de activación como lo h arían durante la locomoción norm al, aun en ausencia total de cualquier inform ación relacionada con el m ovim iento por p arte de los m úsculos p arali zados. La reacción sensorial no es necesaria p ara ge n e ra r patrones rítm icos locom otores, pero modifica la señal del generador de patrones.
C A P ÍTU LO 8
El encéfalo regula y coordina la actividad de los g eneradores de patro n es de la m édula espinal, con trolando la velocidad y suavidad de la locomoción en resp u esta a los estím ulos visuales. Tres p artes del encéfalo (el tronco encefálico, la corteza y el cerebelo) d esem peñan un im portante papel en la regulación de la locomoción. D eterm inados centros del tronco encefálico regulan la velocidad. Al colocar electrodos en los encéfalos de anim ales experim entales, los neurocientíficos h an sido capaces de d em ostrar que esti m ulando débilm ente esa p arte del encéfalo, se inicia la acción de cam inar. A um entando la intensidad del estím ulo se increm enta la velocidad al cam inar, p ara acab a r provocando el trote y, seguidam ente, el galope. La corteza desem peña un im portante papel guiando la locomoción en entornos complejos y coor dinando las señales visuales con la locomoción. Por ejemplo, u n gato con lesión en la corteza prem otora puede todavía cam inar sobre un terreno suave o incluso sobre u n a superficie inclinada, pero no puede p isar objetos. La inform ación sensorial procedente de los m úsculos en acción y de otros sentidos, como la vista, se introduce en la corteza cerebral por medio del tálam o. La corteza cerebral transm ite a continua ción señales al tronco encefálico y la m édula espinal p ara m odificar la locomoción. El cerebelo ajusta la locomoción regulando la ca dencia e intensidad de las señales al generador de p a tro n es de la m édula espinal. Los hum anos o anim ales utilizados en experim entación con lesión en el cere belo cam inan de form a descoordinada, como u n a p e r sona ebria; sus m ovim ientos son entrecortados y descoordinados y pueden tropezar. En los anim ales norm ales el cerebelo recibe señales de los receptores de estiram iento y propiorreceptores en las extrem ida des, com para esas señales con el movimiento in ten ta do y acto seguido envía señales al tronco encefálico p ara corregir el m ovim iento si es necesario, coordi nando de esta m an era la locomoción.
El encéfalo coordina movimientos voluntarios Aunque las resp u estas reflejas y los generadores cen trales de patro n es desem peñan un papel im portante en el com portam iento anim al, la m ayor p arte de los v ertebrados (y m uchos invertebrados) pueden reali zar tareas con com portam ientos m ucho m ás comple jos. Esos com portam ientos voluntarios se planean y coordinan conscientem ente a través del encéfalo y se pueden reg u lar con precisión en respuesta a circuns tancias del entorno. La Figura 8.28 m uestra un dia
Organización funcional de los sistem as nerviosos 345
gram a esquem ático de las p artes del sistem a n e r vioso de los vertebrados que participan en la regula ción de m ovim ientos voluntarios. En prim er lugar, el anim al debe decidir realizar im movim iento. Esta decisión se tom a en la corteza cerebral e incluye señales en tran tes procedentes de la corteza m otora suplem entaria, la corteza de asociación, la corteza visual y el sistem a límbico. La decisión de m ovi m iento se desarrolla seguidam ente a un program a m otriz en la corteza m otora prim aria. Este program a m otriz es independiente de los m úsculos que en r e a lidad ejecutan el program a. Por ejemplo, u n a p e r sona que sepa escribir su nom bre puede fácilm ente (aunque con un poco de torpeza) escribirlo soste niendo un lápiz entre los dedos del pie. En cada caso se activan zonas sim ilares del encéfalo, con lo que se dem uestra que el “p ro g ram a” p a ra escribir el nom b re es independiente de los controles específicos de los m úsculos de las m anos (o pies). La corteza m otora prim aria ejecuta el program a m otor al enviar señales a través de series de haces (grupos de axones) a la m édula espinal. Dos vías p rin cipales están involucradas en los m ovimientos volun tarios. Los haces piram idales son vías directas de la corteza m otora prim aria a la m édula espinal y se de nom inan así porque p asan a través de una porción del bulbo denom inada “pirám ides del bulbo”. Los haces piram idales desem peñan el papel m ás im portante en la dirección de los m ovim ientos voluntarios. Esos trac tos se entrecruzan en el bulbo, con lo cual el lado iz quierdo del encéfalo controla el lado derecho del cuerpo, y viceversa. Los haces extrapiram idales son vías indirectas a las neuronas m otoras que, al contra rio que los haces piram idales, efectúan num erosas co nexiones sinápticas en el interior del encéfalo, antes de introducirse en la m édula espinal. Controlan los gru pos m usculares que regulan la postura y el equilibrio. Por ejemplo, cuando usted firm a su nom bre, los haces piram idales controlan los movim ientos precisos de sus m anos y brazos, m ientras que los extrapiram ida les m antienen su posición corporal y orientación, au n que haya cierta superposición entre am bos sistem as. Los axones de los haces piram idales y extrap ira m idales form an sinapsis con las neuronas m otoras en el interior de la m édula espinal y éstas hacen que los m úsculos apropiados se contraigan p a ra iniciar m ovim ientos. Al igual que con la locomoción rítm ica, las neuronas sensitivas aferentes devuelven la infor m ación de los receptores de estiram iento y proprioceptores m usculares al cerebelo. El cerebelo recibe tam bién inform ación sensorial de otros receptores sensitivos como el sistem a vestibular del oído, que
346 SEG UN DA PARTE
Fig u ra 8 .28.
Integrando sistem as fisiológicos
C o n tro l d e l m o v im ie n to v o lu n ta rio en los m a m ífe ro s .
La corteza cerebral inicia los m o vim ien tos voluntarios. La corteza m otora inicia seguidam ente un program a m o to r enviando se ñales eferentes por m edio del haz piram idal directo y el haz e xtra piram idal indirecto. Las neuronas del haz piram idal van directa m ente de la corteza a la m édula espinal sin fo rm a r ninguna sinapsis interm edia, enviando una señal por m edio de neuronas m otoras a los m úsculos de las extrem idades para con tro la r el m ovim ien to. El haz extrapiram idal es una cadena m ultine uro nal que form a sinapsis en m ucha áreas cerebrales antes de alcanzar la m édula espinal y envía señales por m edio de neuronas m o to ras a los m úsculos de la postura y equ ilibrio.
participa en el sentido del equilibrio. El cerebelo inte gra estas señales en tran tes y envía un a señal a la cor teza (por medio del tálam o) p ara regular y aju star la señal m otora descendente y com pletar satisfactoria m ente el movim iento planeado.
Aprendizaje y m em oria Adem ás de realizar com portam ientos complejos, la m ayor p arte de los anim ales pueden reco rd ar expe riencias y m odificar su com portam iento en conse cuencia. Aunque el aprendizaje y la m em oria son conceptos relacionados, estas expresiones describen dos tareas diferentes. El aprendizaje se refiere al proceso de adquirir nueva inform ación, m ientras
que la m em oria se refiere a la retención y recu p era ción de esa inform ación aprendida. La gran m ayoría de los anim ales tienen la capacidad de m em orizar y aprender. El aprendizaje y la m em oria se hacen posi bles gracias a la p lasticid ad del sistem a nervioso (habilidad p a ra m odificar tanto las conexiones sináp ticas como las propiedades funcionales de las n eu ro nas en respuesta a los estímulos).
Los invertebrados presentan capacidades de aprendizaje y memoria de nivel elemental La fisiología del aprendizaje y la m em oria se puede apreciar h asta el m ás m ínim o detalle en el caracol de m a r A plysia californica. Al igual que otros moluscos
C A P ÍTU LO 8
la A p lysia tiene u n sistem a nervioso simple bien defi nido basado en alrededor de 20.000 neuronas organi zadas en series de ganglios, ha, A plysia p resen ta una clase de aprendizaje simple denom inada h ab itu a ción (descenso en la tendencia a la respuesta a im es tímulo debido al contacto repetido). Los hum anos tam bién m u estran habituación. Por ejemplo, si vive cerca de u n sitio donde se está construyendo, al prin cipio, el ruido de las obras puede resu ltar m uy m oles to y es posible que tenga dificultades de concentración o p a ra estudiar, pero transcurrido un tiem po puede “aco stu m b rarse” al ruido y llegar a ignorarlo con faci lidad (se h a habituado al estímulo). La habituación es u n a propiedad im portante de los sistem as nerviosos, porque perm ite a los anim ales ignorar estím ulos ruti nario s poco im portantes y p restar m ás atención a los nuevos, que pueden ser potencialm ente peligrosos. Si se presio n a suavem ente el sifón de la A plysia (tubo carnoso sobre la b ran q u ia que expele el agua m arina), el anim al retrac ta rá sus b ranquias y el sifón a la cavi dad del m anto (Figura 8.29). Sin em bargo, después de varios estím ulos táctiles, la A plysia reducirá en alre dedor de u n tercio sus retracciones. Si se estim ida re petidam ente el sifón 10 o 15 veces en el transcurso de pocos m inutos, la resp u esta de habituación ta rd a rá en producirse h asta alrededor de un día, fenóm eno que se denom ina habituación a corto plazo. Si se repite el protocolo de habituación d urante varios días conse cutivos, la habituación ta rd a rá tres o cuatro sem anas, fenóm eno que se denom ina habituación a largo plazo. La habituación se produce por cam bios funciona les en la sinapsis entre la n eurona sensitiva y la neu ro n a m otora. En la habituación a corto plazo, se inactiva im canal Ca2+ en la m em brana de la term inal axónica presináptica de la neurona sensitiva. Al tocar el sifón se sigue generando un potencial de acción en la n eu ro n a sensitiva, pero cuando el potencial de acción alcanza la term inal axónica, fluye m enos Ca2+ en ésta, debido a la inactivación parcial de los canales de Ca2+ dependientes de voltaje. La liberación del n eurotransm isor depende de la en trad a de Ca2+ en las term inales axónicas y, po r tanto, los anim ales habituados liberan m enos neurotransm isor. Además, existen algunos cam bios morfológicos en la term inal axónica presináptica, incluidos los relativos al núm ero y situación de las vesículas que contienen neurotransm isor. La habituación a largo plazo se tr a duce en cam bios sim ilares en la term inal axónica presináptica, pero en u n grado mayor. Aunque los m ecanism os m oleculares involucrados en la inactiva ción de los canales de Ca2+ dependientes de voltaje y los cam bios en la distribución vesicular no son cono-
Organización funcional de los sistem as nerviosos 347
Neurona sensitiva Piel del sifón
A.
1
7
Neurona motora
Branquia
(b) Circuito neural que gobierna el reflejo de retracción branquial Fig u ra 8.29.
El r e fle jo de r e tr a c c ió n b r a n q u ia l en la
A p ly s ia c a lif o r n ic a . (a) Vista anterior de la A p lysia californica. (b) C ircuito neural que gobierna el reflejo de retracción branquial. Las neuronas sensitivas detectan en la piel del sifón un estím ulo mecánico. Dichas neuronas sensitivas form an sinapsis con las interneuronas y las neuronas m otoras. Las neuronas m otoras envían una señal eferente que provoca la retracción branquial. La ha bituación del reflejo sucede a causa de los cam bios funcio na les en la sinapsis entre la neurona sensitiva y la m otora com o resultado de estim ulación repetida.
cidos todavía, está claro que los cam bios en la term i nal axónica presináptica de las neuronas sensitivas que en tran en contacto con las neuronas m otoras, provocan habituación en la Aplysia. La A plysia p resen ta tam bién im a clase de a p re n dizaje denom inada sen sib ilización (Figura 8.30). Al contrario que la habituación, la sensibilización es un aum ento en la respuesta a un estímulo suave tras una exposición a un estím ulo fuerte. Por ejemplo, im agí nese que está solo en su casa a m edianoche. De re pente oye un fuerte ruido que procede del sótano. D urante algún rato estará m uy pendiente de todos los ruidos a su alrededor (estará sensibilizado a su entor no). Se puede d em ostrar el fenóm eno de sensibiliza ción en la A plysia enviándole u n a descarga eléctrica a la cola. Si toca suavem ente el sifón de la A plysia des pués de esta descarga eléctrica, elreflejo de retracción b ranquial será m ucho m ayor y d u ra rá m ás que en un anim al insensibilizado. Los efectos de un a sola des-
348 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Neurona sensitiva
Branquia Fig u ra 8 .30.
Red n e u ra l in v o lu c ra d a en la s e n s ib iliz a c ió n de la A p ly s ia .
La sensibilización de la retracción branquial conlleva un segundo circuito neural desde la piel de la cola. Un im pulso eléctrico en la cola envía una señal aferente a lo la rgo de una neurona que realiza una conexión sináptica con una interneurona de facilitación . Esta interneurona realiza conexiones sinápticas con las neuronas que participan en el reflejo de retracción branquial, m odifica ndo su respuesta ante el e stím ulo táctil.
carga se acab an en alrededor de u n a hora, pero varias descargas fuertes afectarán a la resp u esta de retracción b ran q u ial durante una sem ana o más. De m an era sim ilar a la habi tuación, durante la sensibiliza ción se dan cam bios fisiológicos en la term inal axónica presináptica de la neurona sensitiva del sifón. Sin em bargo, en el caso de la sensibilización existe un aum ento en la en trad a de Ca2+ y un aum ento en la liberación de neurotransm isor, en vez de una reducción. El m ecanism o subya cente al aum ento de la liberación de neurotransm isor implica a un segundo circuito neural: u n a n eu ro n a sensitiva de la cola que form a sinapsis con varias in ter neuronas (en la Figura 8.30 sólo se m uestra una interneurona a efectos de claridad). A su vez, esas interneuronas form an conexiones sinápticas sobre la term inal axó nica de la n eurona sensitiva invo lucrada en el reflejo de retracción branquial. Un estímulo eléctrico en la cola envía una señal afe
rente a las interneuronas, las cuales seguidam ente liberan el neurotrans m isor serotonina hacia la term inal axónica de la neurona sensitiva invo lucrada en el reflejo de retracción branquial (Figura 8.31). La seroto nina se une a un receptor enlazado a una proteína G que activa la enzim a adenilato ciclasa, la cual cataliza la form ación del segundo AMPc m ensa jero. El aum ento de monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) activa la protein quinasa A (PKA), que, al acti varlos, fosforila los canales de K+ regulados por voltaje en la m em b ran a de la term inal axónica. Estos canales son los responsables de la repolarización de la célula después de la fase de despolarización de un potencial de acción (véase el Ca pítulo 5 p a ra obtener los detalles de este proceso). Cuando estos canales
Terminal axónico de la neurona de facilitación
Terminal axónico de la neurona sensitiva Canales de Ca2+ dependientes de voltaje Canales de K+ dependientes de voltaje
Neurotransmisor
F ig u ra 8.31.
M e c a n is m o m o le c u la r de s e n s ib iliz a c ió n en la A p ly s ia .
La interneurona de facilitación libera serotonina en el term in a l axónico de las neuronas sensitivas involucradas en el reflejo de retroacción branquial. La serotonina se fija al receptor unido a la proteína G que aum enta la síntesis de AM Pc in tracelular, activando protein quinasa A (PKA), la cual inactiva los canales de K+ regulados por voltaje. Cuando estos canales se desactivan, los potenciales de acción duran más, conducien do a una m ayor entrada de Ca2+ por m edio canales de Ca2+ dependientes de voltaje y una m ayor liberación de neu rotransm isor desde la neurona sensitiva al som a de la neurona m otora.
C A P ÍTU LO 8
de K+ están desactivados, los potenciales de acción d uran m ás, induciendo u n a m ayor entrada de de Ca2 a través de los canales de Ca2 dependientes de voltaje y u n a m ayor liberación de neurotransm isor. Las vías del segundo m ensajero, activadas cuando la serotonina se fija a su receptor, aum entan tam bién el núm ero y ubicaciones de las vesículas de n eu ro tran s m isor y activan otro canal de Ca2, perm itiendo que se introduzca m ás en la célula, y aum entando la libera ción de neurotransm isor. Estos efectos directos de la serotonina tienen u n a duración relativam ente corta y explican la sensibilización del reflejo de retracción branquial. La sensibilización a largo plazo, tal como ocurre a continuación de las rep etidas descargas eléctricas, conlleva cam bios m ás d u raderos en las neu ro n as y el circuito neuronal. Con repetidas descargas eléctricas (y, p o r tanto, repetidas em isiones de serotonina en la term inal axónica de la n eu rona sensitiva en el reflejo de retracción), los niveles de AMPc en la term inal axónica se amplifican, aum entando los niveles de PKA. Alguna de las PKA activadas se introduce en el núcleo y fosforila u n factor de transcripción denom i nado CREB-1 (proteína ligada a la resp u esta del AMP cíclico), que se fija a secuencias sensibles al AMPc en los activadores de m uchos genes, aum entando su transcripción. Esos genes activados cifran productos proteínicos que se clasifican en dos tipos: proteínas involucradas en la conform ación de nuevas sinapsis y proteínas que au m en tan la actividad PKA. En con junto, dichas proteínas au m entan el núm ero de cone xiones sinápticas y su reactividad, conduciendo a la sensibilización a largo plazo del reflejo de retracción branquial.
El hipocampo es importante para la conformación de la memoria en los mamíferos La conform ación de la m em oria se ha estudiado tam bién am pliam ente en los m am íferos. Por ejemplo, las ra ta s y rato n es pueden en tren arse p a ra realizar sim ples tareas tales como localizar un objeto oculto. Si se sitúa un rató n en im receptáculo lleno de agua turbia, pero con u n a plataform a oculta bajo su superficie, el rató n n a d a rá de form a aleatoria h asta que encuentre la plataform a, m om ento en el cual se subirá a ella y p erm an ecerá allí. Si se repite la experiencia, el ratón ap ren d erá a en co n trar la plataform a m uy ráp id a m ente, recordando su situación en relación con las p ared es del receptáculo. Un rató n con lesión en el hipocam po no puede ap ren d er a realizar esta tarea;
Organización funcional de los sistem as nerviosos 349
sin em bargo, si aprendió la ta re a con anterioridad a su lesión cerebral, la realizará ta n bien como un rató n ileso. Los experim entos de este tipo dem ues tra n que el hipocam po participa en la conform ación de la m em oria a largo plazo, pero los recuerdos p a re cen estar asentados en otra parte. Los m ecanism os celulares y m oleculares que subyacen a la conform ación de la m em oria en el hipocam po han sido exam inados in vitro m ediante de electrodos de registro situados en capas delgadas del tejido del hipocam po. La repetición de estímulos de u n a n eurona presináptica en particular conduce con el tiempo, en esas preparaciones, a un aum ento en la reacción de la m ism a, fenóm eno que se deno m ina p oten ciación a largo plazo. Con el tiempo, un nivel determ inado de estim ulación presináptica se convierte en u n a señal saliente postsináptica mayor. Se cree que la potenciación a largo plazo es clave en la conform ación de la m em oria porque proporciona un m ecanism o m ediante el cual la repetición de acti vidad de un a vía neu ral puede dejar un registro de sí m ism a, incluso después de que haya cesado dicha actividad. Aunque la potenciación a largo plazo puede darse en varias partes del encéfalo, es m ás fácil que se dem uestre en el hipocam po, lo que sugiere, po r otra parte, su im portancia en la confor m ación de la m em oria. La potenciación a largo plazo se da probablem ente por medio de varios m ecanism os, pero el m ejor estu diado conlleva cambios en determ inadas neuronas postsinápticas delhipocam po, las denom inadas células CAI (véase la Figura 8 .3 2). Hay que tener en cuenta que esto contrasta con la habituación y la sensibilización en A plysia, que conlleva cambios en las neuronas presinápticas. Estas células postsinápticas CAI expresan dos tipos diferentes de receptores p ara el neurotrans m isor glutamato: los receptores AMPA y NMDA (a los cuales nos referim os porque fijan selectivamente los fárm acos AMPA y NMDA). Los receptores NMDA son canales de Ca2+ dependientes de ligando, de modo que cuando el glutam ato se fija a los receptores NMDA, el Ca2+ se introduce en la célula. Los receptores AMPA son canales de Na+ regulados por ligando, de m odo que cuando el glutam ato se fija a los receptores AMPA, el Na+ se introduce en la célula. La estimulación de baja frecuencia de la neurona presináptica provoca u n a li beración m oderada de glutam ato en la sinapsis y sólo se abren los receptores AMPA, ya que el Mg2+ bloquea los canales iónicos NMDA (Figura 8.32a). La estim ulación de alta frecuencia de la neurona presináptica provoca un a m ayor liberación de gluta m ato, a la vez que la resultante m ayor despolariza
350 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Receptor AMPA
Receptor NMDA
(a) Estimulación a baja frecuencia Fig u ra 8 .32.
(b) Estimulación a alta frecuencia
P o te n c ia c ió n a la rg o p lazo en la s n e u ro n a s d e l h ip o c a m p o .
(a) La estim ulación a baja frecuencia de la célula presináptica provoca una m oderada liberación de glutam ato. El g luta m ato libe
rado de la célula presináptica se fija a los receptores AM PA y N M D A en la célula postsináptica. El Na+ se in troduce a través de re ceptor AMPA, provocando despolarización, pero la presencia de M g2 en el receptor NM D A evita que se introduzca Ca2+ en la célula, (b) La estim ulación con alta frecuencia de la célula presináptica provoca m ayor liberación de glutam ato. El g luta m ato se fija a am bos tipos de receptor en la célula postsináptica. El increm ento de gluta m ato provoca una m ayor entrada de Na+ a través de los receptores AMPA, provocando una m ayor despolarización. La m ayor despolarización desplaza el M g2+ del receptor NMDA, perm itiend o que entre Ca2+ en la célula. La entrada de Ca2+ activa las proteincinasas (CaMKII y PKC), fo s fo rila n d o el receptor AM PA y aum entando su sensibilización al glutam ato, y produciendo la liberación de los factores de paracrina hacen que la célula presináptica libere más glutam ato.
ción de la m em b ran a postsináptica, desplaza los iones de m agnesio desde el canal del receptor NMDA (Figura 8.32b). Una vez desplazado el Mg2+ y abierto el canal iónico, el Ca2+ se introduce en la célula pos tsináptica por medio del receptor NMDA. El aum ento de los niveles de calcio intracelulares activa la protein quinasa dependiente de calcio-calm odulina tipo II (CaMKII) y la protein quinasa C (PKC), que fosforila diversas proteínas. Por ejemplo, en las células CAI, la CaMKII fosforila el receptor AMPA, haciéndolo m ás sensible al glutam ato, y tam bién aum enta el núm ero de receptores AMPA en la m em brana postsináptica al reubicar los receptores de los depósitos intracelula res. La PKC activa una vía de señalización paracrin a que increm enta la producción de glutam ato de la célula presináptica. Como consecuencia de esos cam bios, se produce u n a m ayor acción del glutam ato sobre n eu ro n as postsinápticas m ás sensibles y un aum ento de la reacción a estím ulos posteriores a la vez que m ejora la conform ación de m em oria.
Se h an utilizado ratones transgénicos p ara d em ostrar este m ecanism o de potenciación a largo plazo y su relación con la conform ación de m em oria. Por ejemplo, los ratones transgénicos que carecen del gen CaMKII no m uestran potenciación a largo plazo y tienen m ás dificultades p a ra encontrar una plataform a oculta bajo el agua turbia que los ratones norm ales, m ientras que los ratones transgénicos que producen exceso de CaMKII m uestran un a potencia ción m ayor y se obtienen m ejores resultados en las pruebas de la plataform a oculta y otras pruebas sobre aprendizaje y m em oria. De m an era similar, los ratones transgénicos que carecen de la expresión del receptor NMDA en las neuronas del hipocam po, tie nen m ás dificultad p a ra ap ren d er cómo orientarse en un laberinto, o encontrar una plataform a oculta debajo del agua. Estos resultados indican de form a clara que la potenciación a largo plazo está presente en al m enos algunas form as de conform ación de m em oria en los vertebrados.
C A P ÍTU LO 8
Organización funcional de los sistem as nerviosos 351
d e s viando sang re de órgano s no esen ciales a los m ú s
S is te m a s in te g ra d o re s
culos, encé falo, corazón y p u lm o n e s e in c re m e n ta n d o la presión sanguínea. Las c a tecolam inas dilatan los
El estrés y el encéfalo
bron q u io lo s de los p u lm o n e s y a u m e n ta n el ritm o e in ten sidad de la respiración, dejando al babuino listo
Im ag ine que uste d es un babuino s e n ta d o bajo una aca
para la acción. La corteza s ensitiva envía ta m b ié n una
cia, y se e n cu entra acariciando tra n q u ila m e n te el pelo
señal a la corteza m o to ra del encé falo, to m a n d o la deci
de un m ie m b ro de su grupo. De re pente, una hiena
sión de que la m e jo r acción al e n fre n ta rs e a una hiena
surge de la m aleza. Sus s is te m a s n ervio so y end o c rin o
es huir. La corteza m o to ra envía una señal a los m ú s c u
le hacen saltar a ctivan do la respuesta de "lu c h a r o h u ir"
los y el babuino escapa de la hiena tre p a n d o al árbol.
que a su vez activa los s is te m a s cardio vascula res, respi
Una vez que el peligro ha pasado, el s is te m a nervio so
rato rios y m u s c u lo e s q u e lé tic o s que le hacen e m p re n
s im p á tic o d is m in u y e su descarga y el babuino com ienza
d e r la huida. Pero ¿cóm o operan c o n ju n ta m e n te ese
a calm arse.
co n ju n to de s iste m a s fis io ló g ic o s para que se realice
A l m is m o tie m p o que el núcleo am igd alino está
esa com p le ja reacción? En p rim e r lugar, el babuino deb e
activan do el s is te m a n ervio so sim p á tico , otra parte del
p e rcib ir el e stím u lo , utilizand o sus órganos s enso riales
s is te m a lím bico, el hipotálam o, e m ite la horm ona libera
para oír u o le r la hiena. Los re c e p to re s s e n s itiv o s e s ti
dora de c o rtic o tro p in a (CRH) en el s is te m a porta hipotá-
m ulad os
tra n s m ite n
s e g u id a m e n te
la
in fo rm a c ió n
lá m o-hipofisario,
provocan do
(quizás
cin c o
o
diez
e n tra n te al e n cé fa lo en fo rm a de pote n c ia le s de acción
s e g u n d o s m ás tarde) que la hip ó fis is libere la horm ona
c o n d u cid o s a lo largo de las neu ron as a fe re n te s p rim a
co rtic o tro p in a (ACTH) a la circulación . La AC TH se fija a
rias. El e n cé fa lo in teg ra la in fo rm a c ió n p o r m e d io de dos
los re c e p to re s en la corteza suprarrenal (una parte de la
vías d ife re n te s ; en una vía, la in fo rm a c ió n sensorial
glándula suprarre nal que rodea la m édula suprarrenal).
e n tra n te viaja d esd e el tá la m o hasta la corteza sensitiva
La corteza suprarrenal libera se g u id a m e n te horm onas
don d e se integra. El e ncé falo llega a la co n clu sió n de
g lu c o c o rtic o s te ro id e s , c o m o el c o rtis o l, en la sangre. El
que la in fo rm a ció n senso rial re presenta una hiena y de
c o rtis o l d e se m pe ña un papel c rític o en la regulación del
que las hienas son peligrosas y envía una señal al sis
m e ta b o lis m o de carb o h id ra to s y proteínas, haciendo
te m a lím bico, y, m ás co n cre ta m e n te , al núcleo am igda
q ue los m ú s c u lo s liberen a m ino ácido s y que el hígado
lino (el lugar de la reacción del m iedo ). A l m is m o
co n v ie rta esos a m ino ácido s en glucosa y g lucógeno . El
tie m p o , por m e d io una segu nda vía, el tála m o pue de
c o rtis o l es una horm ona e s te ro id e que realiza m uchas
enviar seña les d ire c ta m e n te al s is te m a lím bico sin nin
de sus acciones a lterand o tra n s c rip c io n e s gen é tic a s en
gún p ro ce sa m ie n to m u y s o fis tic a d o , circunva land o la
sus células diana. Por ta n to , el c o rtis o l actúa le nta
corteza sensitiva. Por ta n to , el bab uino pue de e xpe ri
m e n te , d urante el tra n s c u rs o de a p ro x im a d a m e n te una
m e n ta r una reacción de m ie d o in c lu s o antes de que
hora, m u c h o d e s p u é s de que el bab uino haya tre p a d o al
decida que el e s tím u lo re presenta una hiena. Por e je m
árbol y v u e lto a sus a c tividades norm ales. D e bido al
plo, u ste d se pue de a su sta r y a terroriza r p o r un ruido
tie m p o g e n e ra lm e n te le n to de la reacción del co rtiso l, el
re p e n tin o d urante la noche y d e s p u é s darse cu e n ta de
papel de las h o rm onas g lu c o c o rtic o s te ro id e s en la reac
que era sólo el v ie n to , pero su corazón ya habrá palpi
ción in m ed iata al e s tré s no se c o m p re n d e del to d o . El
ta d o y usted podría te n e r algún problem a para v o lv e r a
c o rtis o l puede, sin e m bargo, s e r im p o rta n te en la prepa
conciliar el sueño.
ración de un anim al para reaccionar ante un fa c to r e s tre
Una vez activad o, el núcleo am ig d a lin o envía una
sante p o s te rio r o recuperarse del anterior.
señal a la m édula espinal, a ctivan do el s is te m a nervio so
La reacció n de "lu c h a r o h u ir" es una h erram ienta
a u tó n o m o . En poco s segu n d o s , las neu ron as postg a n
de s u p e rv iv e n c ia v ita l que p e rm ite a los v e rte b ra d o s
gliónicas del s iste m a n ervio so s im p á tic o com ien zan a
re s p o n d e r a nte
liberar n o repinefrina de sus v a ricosidade s sobre los te ji
rápida y eficaz. Pero ¿qué o c u rre si una situ a c ió n e s tre
dos obje tivo . Las neu ron as sim p á tica s pregan gliónica s
s a n te se prolo nga? En el S e re n g u e ti, los b a b uinos se con
s itu a c io n e s
e s tre s a n te s
una gran v aried ad
de
fo rm a
que fo rm a n sin apsis con la m édula suprarrenal liberan
en cu e n tra n
acetilcolina, haciendo que la m édula suprarrenal libere
te n s a s , p e ro uno de los fa c to re s e s tre s a n te s m ás
de s itu a c io n e s
las cate co la m in a s (epin efrin a y norepinefrina) en el sis
im p o rta n te s pu e d e s e r social (c o m o re s u lta d o de in te r
te m a
Las ca tecolam inas de la m édula
a cciones con o tro s babuinos). Los b a b uinos viv e n en
suprarrenal y d el s iste m a ne rvio so s im p á tic o se fija n a
g ru p o s de e n tre 20 y 2 0 0 e je m p la re s , con una jerarquía
circulato rio.
sus re c e p to re s en m u c h o s te jid o s o b je tiv o , a u m e n
social m u y com p le ja . Las h e m b ra s hereda n su posición
ta n d o la fre cu e n cia cardiaca y la fuerza de contracción ,
en la jerarquía (si una m adre bab uino es de clase alta,
352 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
su desce n d e n cia lo será ta m b ié n ). Por el con tra rio , los m achos luchan p o r o b te n e r una p o s ic ió n je rárquica d o m in a n te . La vida pue de se r dura para un babuino m a ch o de cla se baja. Los m a ch o s de clase alta m o le s ta n a los de clase baja y les roban com ida , y los m achos pue d e n m e jo ra r su posició n sólo p o r m e d io de la lucha. Por ta n to , los b a b uinos de clase baja están p e rm a n e n te m e n te e x p u e s to s a una situ a c ió n social e s tre s a n te . De hech o, los b a b uinos de clase baja p ose en elevados nive le s de h o rm o n a s g lu c o c o rtic o e s te ro id e s en su san gre, in clu so en situ a c io n e s de " r e p o s o ", y su reacción fis io ló g ic a al fa c to r e s tre s a n te d ifie re de la de los babui nos de clase alta. El e stré s cró n ico de esta clase pue de te n e r varios e fe c to s nocivos, e n tre ellos un s is te m a in m u n o ló g ic o de b ilita do, elevados niveles de co le s te ro l, presión san guínea
alta
e
in clu so
pro b le m a s
de
c re c im ie n to .
A d e m á s, el e s tré s cró n ico a fecta al encé falo. Sobre to d o , la elevación crónica de las h o rm onas del e s tré s in te rfie re en la pote n cia ció n a la rgo plazo del h ipocam po (un pro ce so que es clave en el aprendizaje y la m e m o ria). D esde luego, la expo sició n d urante un la rgo perio do a niveles altos de g lu c o c o rtic o e s te ro id e s pue de causar una atro fia del hipocam po, d is m in u y e n d o el n ú m e ro to ta l de neuronas en esta zona del e n c é fa lo y pro vo cand o fin a lm e n te una pérdida irreversible de m em o ria. ¿Qué puede, e n to n ce s, hacer un babuino? Los in v e s ti gad ore s han d e m o s tra d o que los bab uinos de clase baja con fu e rte s relaciones sociales han re d u c id o sus nive les de g lu c o c o rtic o e s te ro id e s en com paració n con los bab uinos con relaciones sociales pobres. Q uizá el hacer am ista d e s y te n e r bue nas relaciones e n tre con g é n e re s es una estra te g ia e fe ctiva para tra ta r los e fe c to s del e s tré s crónico . ! !
Resumen Los recep to res sensitivos tran sm iten inform ación p o r m edio de n eu ro n as aferentes a los centros de integración, donde la inform ación se procesa. Los centros de integración envían seguidam ente señales p o r m edio de n eu ro n as eferentes a los órganos efec to res p a ra m odular el com portam iento y la fisiolo gía. Los centros de integración varían enorm em ente en com plejidad en tre los distintos anim ales, desde las red es nerviosas relativam ente sim ples de los cnidarios h asta los com plejos encéfalos de los h u m a nos. En el curso de la evolución, h a habido una tendencia generalizada hacia la cefalización o agrupam iento de órganos sensoriales y centros de in te gración en el extrem o an terio r del cuerpo. Los
centros de integración varían entre los in v erteb ra dos pero suelen incluir uno o m ás ganglios y un encéfalo. El sistem a nervioso de los vertebrados tiene un sistem a nervioso central claram ente d em ar cado que consta del encéfalo y la m édula espinal, revestidos po r u n a cubierta cartilaginosa u ósea. Se pueden localizar centros de integración adicionales en el sistem a nervioso periférico en form a de g an glios. Sin em bargo, el encéfalo es el centro de in te gración principal en la m ayoría de los vertebrados. El tam año del encéfalo v aría m ucho entre los princi pales grupos de vertebrados, aunque la organiza ción global del encéfalo es sim ilar entre todos ellos e incluye tre s regiones prim arias: el prosencéfalo, el m esencéfalo y el cerebelo. De m an era sim ilar a los sistem as nerviosos cen trales de otros vertebrados, el sistem a nervioso cen tral de los m am íferos incluye la m édula espinal y el encéfalo. La m édula espinal actúa como un centro de integración reflejo. El cerebelo controla funciones esenciales que incluyen la respiración y la frecuencia cardiaca. El mesencéfalo está m uy reducido en los m am íferos en relación con otros vertebrados y actúa en gran p arte en calidad de centro repetidor. Por el contrario, el prosencéfalo h a asum ido m uchas de las funciones sensoriales de integración del m esencéfalo y tam bién controla procesos m ás complejos incluidos el razonam iento y el control del com portam iento voluntario. El prosencéfalo consta del cerebro, el tálam o y el hipotálam o. Este últim o m antiene la hom eostasis y ayuda en la coordinación de m uchos aspectos del sistem a endocrino. El hipotálam o es parte del sistem a límbico, un grupo de estructuras relacionadas con él que participan en las emociones y la m em oria. La corteza es la capa delgada exterior de los hem isferios cerebrales que se encarga de la integración e interpretación de la inform ación senso rial. Los hem isferios cerebrales se dividen en lóbulos que se denom inan en función de los huesos que revisten. A lternativam ente, los hem isferios cereb ra les se pueden dividir en un núm ero de cortezas y áreas de asociación que corresponden aproxim ada m ente a las p artes funcionales del encéfalo. Muchas de esas cortezas se organizan de form a topográfica, con áreas concretas que tra ta n partes específicas del cuerpo. El encéfalo in terp reta e integra inform ación sen sorial y transm ite señales po r medio de vías eferen tes a los órganos efectores. Las vías eferentes se pueden dividir en la parte som ática m otora y la parte autónom a. Las vías neurovegetativas se encargan de m an ten er la hom eostasis y se pueden dividir en los
C A P ÍTU LO 8
sistem as nerviosos sim pático, parasim pático y enté rico. Los sistem as nerviosos sim pático y p arasim p á tico operan conjuntam ente, m ientras que el sistem a nervioso entérico es m ás autónom o. El sistem a n er vioso sim pático es m ucho m ás activo en periodos de estrés o actividad física, m ientras que el sistem a n e r vioso parasim pático es m ucho m ás activo durante periodos de descanso. Ambos sistem as, sin em bargo, p resen tan u n tono b asal y tienen algo de actividad en todas las condiciones. Todas las vías neurovegetativas contienen dos neu ro n as en serie {una pregangliónica y otra postgangliónica), pero los som as de las neu ro n as pregangliónicas están localizados en dife ren tes zonas del sistem a nervioso central. En am bas divisiones, la sim pática y la parasim pática, la neu ro n a pregangliónica libera acetilcolina. Las neuronas sim páticas postgangliónicas liberan norepinefrina, m ien tras que las p arasim páticas postgangliónicas liberan acetilcolina. Las vías som áticas (m otoras) son m ucho m ás sim ples en el sentido de que sólo hay una única n eu ro n a entre la m édula espinal y el efector; dichas neu ro n as liberan sólo acetilcolina. Adem ás, el m úsculo esquelético es el único efector p a ra las vías m otoras, m ien tras que las vías neurovegetativas inervan casi todos los órganos del cuerpo. Las vías aferentes, los centros de integración y las vías eferentes del sistem a nervioso operan con ju n tam en te p a ra co o rd in ar el com portam iento y m a n te n e r la hom eostasis fisiológica. Los arcos refle jos controlan m uchos com portam ientos involunta rios y los g en erad o res de p atro n es inician los com portam ientos rítm icos, incluidos los com porta m ientos ap aren tem en te com plejos como n a d a r en anim ales como las sanguijuelas y la locom oción en los m am íferos. Los m ovim ientos voluntarios, sin em bargo, req u iere n coordinación p o r p a rte de los cen tro s de integración m ás com plejos como los centros su p erio res del encéfalo. Los anim ales son tam b ién capaces de m odificar su com portam iento basándose en su experiencia. En o tras p alab ras, incluso anim ales m uy sim ples cuen tan con aprendizaje y m em oria. La base m ole cular del aprendizaje y la m em oria se h a elaborado p a ra u n a v aried ad de sistem as m odelo y parece im plicar cam bios tan to en las n eu ro n as p resin áp ti
Organización funcional de los sistem as nerviosos 353
cas como las postsinápticas de los arcos reflejos o de regiones del encéfalo como el hipocam po, el cual es im portante p a ra la conform ación de la m em oria en los m am íferos.
P reguntas de revisión 1. ¿Qué es un generador central de patrones? Expli que cómo un circuito neu ral puede form ar un generador de patrones. 2. ¿Qué es un sistem a límbico? ¿Cuál es su im por tancia con respecto al com portam iento? 3. Describa algunas de las form as en las que el encéfalo de los vertebrados se puede subdividir. 4. Com pare y contraste los sistem as nerviosos som ático y autónom o. 5. Com pare y contraste los sistem as nerviosos parasim pático y simpático.
6 . ¿Cómo interactúan los sistem as nerviosos parasim pático y sim pático? 7. Compare y contraste la habituación y la sensibili zación.
8 . Com pare y contraste un a n eu ro n a con un nervio.
P reguntas de síntesis 1. Se pueden extirpar quirúrgicam ente grandes partes del prosencéfalo de un m am ífero y el ani m al sobrevivirá. Sin em bargo, la destrucción de partes incluso relativam ente pequeñas del cere belo provocan a m enudo la m uerte. ¿Cómo se explica? 2. ¿Cuál es la im portancia funcional de la ap arien cia altam ente plegada y estriada de la superficie del encéfalo en algunos m am íferos? 3. ¿Por qué el sistem a nervioso autónom o se deno m ina algunas veces sistem a nervioso involunta rio y el sistem a nervioso som ático, voluntario? 4. ¿Cuál es la im portancia del tono basal en el sis tem a nervioso autónom o? 5. Compare el papel de los m ecanism os presináptico y sináptico en la habituación y la sensibiliza ción.
C a p í tu lo 9 Sistem as circulatorios
L
os sistem as c ircu la to rio s han e volu cion a do en m uchas líneas de anim ales, y pueden ser a biertos, caso en el que la sangre está en con ta cto d ire cto con los te jid o s, o cerrados, caso en el que la sangre perm anece d en tro de va sos sanguíneos. Los sistem as c ircu la to rio s abiertos v a Figura de resina del sistem a circulatorio de una jaiba azul adulta. rían en co m p le jid a d desde los sistem as sim p le s de los Callinectes sapidus(Imagen cortesía de Ian J.M cGaw yCarl L. Reiber). insectos, que tie n e n pocos vasos sanguíneos, hasta el
e laborado sistem a de los crustáceos decápodos com o los cangrejos, que poseen vasos sanguíneos con n u
c o n tin u o ". A hora sabem os que el corazón bom bea
m erosas ra m ificaciones. A sim ism o , los sistem as circu
sangre a tra vé s del sistem a arte ria l y hacia los ca pila
la to rio s cerrados pueden te n e r re la tiva m e nte pocos
res, donde se lleva a cabo el in te rca m b io de sustancias
vasos sanguíneos, co m o en el caso de la lom b riz, o
con los te jid o s. A co ntin u a ció n , la sangre regresa al co
m uchos vasos sanguíneos, co m o en el caso de los m a
razón a tra vé s del sistem a venoso. D ebido a que en
m íferos.
aquella época no se contaba con m icrosco p io s c o m
A pesar de su d iversidad e structural, los sistem as circ u la to rio s com parten m uchas características. Los
capilares que conectan las arterias y las venas; sin e m
sistem as c ircula to rio s tra n sp ortan oxígeno y nutrientes a los te jid o s m etabolizantes a ctivos y elim ina n d ió xid o de ca rbono y otros prod u cto s de desecho. A yudan a co
bargo, planteó la hipó te sis de su existencia basándose en los resultados de sus expe rim e ntos. Tres décadas m ás tard e , y cu atro años después de
o rd in a r los procesos fis io ló g ic o s tra n sp o rta n d o m o lé
la m uerte de Harvey, el m édico y a natom ista italiano
culas de señalización de un lugar a o tro del cuerpo, y
M arcelo M a lp ig h i u tilizó el entonces nuevo m ic ro s c o
ayudan a la defensa del cuerpo tra n sp o rta n d o in m u n o -
pio co m pu e sto para id e n tific a r d im in u to s vasos san
c itos al sitio inva d ido por o rga n ism os extraños.
guíneos en los p ulm o n es y los riñones, a los que
A u n qu e ahora dem o s p o r sentada esta fu n ció n de tra n s p o rte , la estructura y fu n ció n del sistem a c ircu la to rio se desconoció d ura n te m uchos siglos. No fue hasta p rin c ip io s del siglo xvii cuando el m e ticulo so tra bajo e xpe rim e ntal de W illia m H arvey d e m o stró que el
354
puestos, H arvey no p udo o bse rva r d ire cta m e n te los
d e n o m in ó capilares. Este d e s c u b rim ie n to c o m p le tó y c o n firm ó el tra bajo p io n e ro de H arvey y sentó las bases para nuestra concepción m oderna de los sistem as circu la to rio s. C onsecuente con la im p o rta n cia del sistem a circu
corazón hace circula r la sangre a tra vé s de vasos san
la to rio , el corazón es uno de los p rim e ro s órga n o s que
guíneos a las d ifere n te s partes del cuerpo. En palabras
se fo rm a en el e m b rió n en d e s a rro llo de los v e rte b ra
de Harvey: "Es to ta lm e n te necesario lle g a r a la co n clu
dos. Por e je m p lo , en el pez cebra (Brachydanio rerio),
sión de que la sangre en el cu erp o se encuentra im p u l sada en un círculo y está en estado de m o v im ie n to
evolu cion ista s), el corazón se fo rm a y com ienza a la tir
un sistem a m o de lo c o m ún utiliza d o p o r los b ió lo g o s
m ente no se d esarrollaron. Del m ism o m odo, otros in vestigadores dem o stra ro n que la fuerza ejercida p o r la sangre pulsátil de los extre m os de los vasos sanguí neos en desa rro llo p rovocó el cre cim ie nto y s u rg im ie n Los experim entos de W illiam H arvey sobre la circu lació n de la sangre.
to de los vasos, co n trib u ye n d o a la fo rm a c ió n del sistem a circula to rio . A lgu n o s de estos procesos siguen apareciendo en anim ales a dultos, lo que dem uestra que un sistem a c irc u la to rio no es sólo un sistem a de
rítm ica m e nte desde el p rim e r día p o ste rio r a la fe rtili zación del huevo. Sin em ba rg o , los e m brio n es del pez cebra de un
pasivo de tuberías que tra n sp ortan sustancias p o r el cuerpo. Por el co ntra rio , los sistem as circ u la to rio s son sistem as fis io ló g ic o s din á m ico s cuya estructura y fu n
día son d im in u to s , lo que sugiere que la d ifu sió n debe
ción se regulan co m o respuesta a las dem andas siem
ser m ás que su ficie n te para tra n s p o rta r o xígeno y nu
pre cam biantes de los te jid o s del cuerpo. •
trie n te s a los te jid o s. De hecho, v a rio s e xp e rim e ntos han d em o stra d o que el pez cebra no necesita un siste ma c irc u la to rio en fu n c io n a m ie n to para tra n s p o rta r o xíg e no durante el d e sa rro llo te m p ra n o . Pero, si el sis tem a c irc u la to rio no es necesario para el tra n sp o rte de oxígeno, ¿por qué el corazón com ienza a la tir tan p ro n to? Hace poco, los fis ió lo g o s e vo lu cio n ista s han a po r ta d o una respuesta parcial a este inte rro g a n te . Han d em o stra d o que el latid o del corazón es fu n d a m e n ta l para el d e sa rro llo adecuado del sistem a circu la to rio . Por m e dio del im pla nte de una pequeña perla en la entrada o en la salida del corazón en desa rro llo , los in ve stiga d o res p udieron re du cir la co rriente sanguínea en el sistem a circula to rio . Bloquear la corrie n te sanguí nea a través del corazón in te rfirió en su d esarrollo: las cavidades cardiacas no estaban alineadas o no se fo r m aron correctam ente, y las vá lvu la s cardiacas dire cta
Arterias coronarias del corazón de un mamífero.
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356 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I P re s e n ta c ió n Los organism os unicelulares pueden obtener oxígeno y nutrientes y elim inar productos de desecho por difusión. Sin em bargo, debido a que la difusión es m uy lenta a través de g randes distancias, la m ayoría de los m etazoos que su p eran las pocas células de espesor utilizan un siste m a circu latorio p ara traer oxígeno y n u trientes a las células del interior de sus cuerpos y elim inar los residuos. Todos estam os fam i liarizados con los sistem as circulatorios de los verte b rad o s como el nuestro, que está com puesto por la sa n g re, la vascu la tu ra (vasos san gu ín eos) y el corazón. De hecho, los sistem as circulatorios de los v ertebrados (y otros sistem as circulatorios con dise ños sim ilares) suelen denom inarse siste m a s card io v a scu la res por la im portancia del corazón (cardio: “corazón” en griego) y la vasculatura. No obstante, no todos los sistem as circulatorios pueden ser deno m inados sistem as cardiovasculares (Figura 9.1). Los anim ales sim ples como las esponjas y los cnidarios carecen de u n sistem a circulatorio especializado, p ero son capaces de p ro p u lsar agua a través de una cavidad in tern a por medio del movimiento de los fla gelos o las contracciones de la pared corporal. Esta agua tran sp o rta oxígeno y n u trientes hacia casi todas las células del anim al y, p o r lo tanto, cumple las fun ciones de u n sistem a circulatorio. Los anim ales como los insectos poseen sistem as circulatorios sim ples com puestos p o r un corazón, un núm ero limitado de vasos sanguíneos, y pequeños espacios abiertos lla m ados senos, m ientras que los vertebrados poseen sistem as circulatorios complejos com puestos por un circuito completo que incluye vasos sanguíneos. Los diversos sistem as circulatorios de los anim a les desem peñan papeles sim ilares, ya que transportan oxígeno, dióxido de carbono, nutrientes, productos de desecho, inm unocitos y moléculas de señalización desde una parte del anim al hacia otra. En algunos anim ales, el sistem a circulatorio desem peña adem ás u n papel en la regulación de la tem peratura, llevando calor desde los músculos que trabajan hacia la super ficie del cuerpo, donde desaparecen en el entorno. Debido a su im portante papel en el transporte, el sis tem a circulatorio influye en casi todos los procesos fisiológicos que realiza u n animal.
I S is te m a s c irc u la to rio s Los sistem as circulatorios se desarrollaron p ara tra n sp o rta r ráp id am en te sustancias como el oxígeno
Circulación de líquido externo a través de una cavidad corporal abierta
Circulación de líquido interno a través de un sistema circulatorio abierto
Circulación de un fluido interno a través de un sistema circulatorio cerrado
Vasos sanguíneos
Fig u ra 9.1.
P la n g e n e r a l de s is te m a s c ir c u la to r io s .
A lguno s anim ales m ulticelulares com o las esponjas y los cnidarios carecen de sistem as circulato rios y en su lugar m ueven el líquido externo por el flu jo global a través de una cavidad interna del cuerpo. A lguno s anim ales, com o los insectos, hacen circular un líquido in terno a través de un sis tem a circulato rio abierto, utilizando el corazón u otra es tructura de bom beo para m over el líquido a través de una serie de vasos sanguíneos y espacios abiertos llam ados senos. A lguno s anim ales, com o los vertebrados, hacen circular un líquido interno a través de un sistem a circulato rio cerrado com puesto tota lm e n te de vasos sanguíneos.
C A P ÍTU LO 9
y los n u trientes a través del cuerpo. Los organism os unicelulares y algunos pequeños m etazoos carecen de sistem as circulatorios y en su lugar dependen de la difusión p a ra tra n sp o rta r m oléculas de un lugar a otro. A p esar de que la difusión puede ser ráp id a en distancias cortas (como, por ejemplo, a través de una m em b ran a celular dentro de un a célula simple), es lenta en distancias largas. De hecho, como apuntó Einstein h ace casi 100 años, el tiem po (t) necesario p a ra que u n a m olécula se difunda entre dos puntos es proporcional al cuadrado de la distancia (x) sobre la que ocurre la difusión (t ~ x 2). Esta relación es una fórm ula sim plificada de la ecuación de difusión de Einstein, o la segunda ley de difusión. Aplicándola, podem os calcular que si la distancia de la difusión se duplica, el tiem po necesario p a ra la difusión au m en ta cuatro veces. Por ejemplo, a 37 °C una peq u eña m olécula de glucosa en un a solución acuosa tard a alrededor de 5 segundos en difundirse a través de 100 |xm (el tam año de u n a célula media). Sin em bargo, tard a 20 segundos en difundirse a través de 200 nm, m ás de 2 m inutos en difundirse a través de 500 |xm, y m ás de 8 m inutos p a ra difundirse a tr a vés de 1 mm. Es evidente que u n anim al grande que dependa únicam ente de la difusión como transporte vivirá a u n ritm o extrem adam ente lento. En lugar de depen d er de la difusión, los anim ales m ayores m ueven los líquidos a través del cuerpo po r m edio de un proceso llam ado flujo global, o transporte convectivo. El movim iento de este líquido tran sp o rta oxígeno, nutrientes, productos de desecho y m oléculas de señalización alrededor del cuerpo m ucho m ás rápido de lo que se m overían por difusión solam ente. Por ejemplo, el sistem a circulatorio hum ano puede des plazar un m ilím etro de sangre desde el corazón a los pies y volver (una distancia de casi 2 m) en aproxi m adam ente 60 segundos, m ientras que ta rd a ría m ás de 60 años p ara que las sustancias reco rrieran esa distancia p o r difusión. Los anim ales deb en g astar energía p a ra m over los líquidos m ediante flujo global. Como establece la segunda ley de Newton del m ovim iento (fuerza = m asa x aceleración), si ejercem os la fuerza sufi ciente sobre u n objeto, éste com enzará a m overse (o a acelerarse, si estuviera ya en movim iento). En el caso de los líquidos, esta fuerza se expresa general m ente en térm inos de presión. Si se ejerce presión sobre u n líquido, fluirá de la zona de alta presión hacia cualquier zona adyacente de m enor presión. La resisten cia debido a la fricción se opone a este m ovim iento. Podem os cuantificar la relación entre
Sistem as circulatorios 357
flujo, presión y resistencia en u n a ecuación llam ada ley del flu jo global-, Q = AP/R donde Q es el flujo, AP es el gradiente de presión y R es la resistencia. Se debe observar que el flujo se define como el volum en de líquido que se m ueve por u n punto determ inado po r unidad de tiem po, y se m ide en unidades como litros por m inuto. El fenó m eno del flujo global es fundam ental p a ra m uchos procesos fisiológicos, incluidas la respiración, diges tión y excreción.
Com ponentes de los sistemas circulatorios Los sistem as circulatorios m ueven los líquidos por m edio de un aum ento de la presión sobre el líquido en u n a p arte del cuerpo. A continuación, el líquido fluye a través del cuerpo por el gradiente de presión resultante, de acuerdo con la ley de flujo global. P ara lograr esta función, los sistem as circulatorios utilizan tres com ponentes principales: (1 ) bom bas u otras estructuras de propulsión que p uedan crear una zona local de presión alterada dentro del cuerpo, (2) un sistem a de tubos, canales u otros espacios a través de los cuales el liquido puede fluir y (3) un líquido que circule por el sistema.
Las bombas propulsan líquidos a través de los sistemas circulatorios Los sistem as circulatorios utilizan u n a o m ás bom bas p a ra desarrollar gradientes de presión. Estamos fam iliarizados con la acción de bom beo de las cavi dades contráctiles como el corazón, pero el corazón no es el único tipo de estructura de bom beo que se encuentra en los sistem as circulatorios de los anim a les (Figura 9.2). Los órganos no asociados estric tam ente con el sistem a circulatorio, como los m úsculos esqueléticos, pueden utilizarse p a ra de sarrollar gradientes de presión. Por ejemplo, en los vertebrados terrestre s las acciones de los músculos de las p iernas em pujan la sangre de vuelta al cora zón. Del m ism o modo, en los artrópodos, los movi m ientos corporales norm ales propulsan la sangre alrededor del cuerpo. Los vasos sanguíneos pulsátiles y los corazones en form a de tubo, que se encuentran en algunos ver tebrados y en los em briones tem pranos de los verte brados, desplazan la sangre por p eristaltism o. Las
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Integrando sistem as fisiológicos
Válvula unidireccional
Válvula unidireccional
(a) Bombeo externo
Onrla Ha f'nntrar>/'ión
Vaso sanguíneo contráctil o corazón OerÍStáltÍCO
Los corazones con cavidades se encuentran tanto en los vertebrados como en los invertebrados. Las contracciones m usculares del corazón aum entan la presión dentro de sus cavidades, forzando el flujo de la sangre hacia fuera, hacia el interior del sistem a circulatorio. Las válvulas unidireccionales ayudan a asegurar el flujo en una única dirección. Este tipo de corazón está com puesto generalm ente de m últiples cavida des. Una o m ás cavidades o au rícu las funcionan como depósitos, y una cám ara m uscular o v en trí culo actúa como la bom ba.
Los sistemas circulatorios pueden ser abiertos o cerrados Todos los sistem as circulatorios contienen espacios, canales o tubos a través de los cuales el líquido puede fluir. Según la estructura de estos canales, los siste m as circulatorios de los anim ales se h a n clasificado tradicionalm ente en abiertos o cerrados (Figura 9.3). En un sistem a circu latorio cerrado, el líquido d r contracción (c) Cámara contráctil Fig u ra 9.2.
T ip o s de e s tru c tu ra s de bom b e o en
los s is te m a s c ir c u la to r io s de los a n im a le s .
(a) Las estructuras com o los m úsculoesqueléticos pueden ac tu a r com o bombas. La contracción y distensión de los múscu loesqueléticos com prim en y expanden alternativam ente los vasos sanguíneos, forzando el flu jo de líquido a lo largo del vaso. Las válvulas unidireccionales aseguran el flu jo en una única dirección, (b) Los vasos sanguíneos contráctiles y los co razones peristálticos em pujan la sangre por m edio de ondas de contracciones rítmicas. Estos vasos pueden contener vál vulas que aseguren el flu jo unidireccional, pero la dirección de la contracción suele ser suficiente para hacer que el flu jo sea en gran parte unidireccional, (c) Las cavidades contráctiles com o el corazón de los vertebrados aum entan la presión san guínea en una cavidad cerrada por m edio de las contracciones de sus paredes m usculares. Las válvulas unidireccionales son necesarias para asegurar el flu jo en una única dirección.
contracciones peristálticas son ondas rítm icas de contracción m uscular que se desarrollan de m an era coordinada desde u n extrem o del tubo al otro. Como al ap retar el tubo de la p asta dentífrica, las contrac ciones peristálticas oprim en la sangre a través de la estructura de bom beo y hacia el interior del sistem a circulatorio. Debido a que las contracciones peristál ticas se producen generalm ente en u n a dirección específica, estas bom bas pueden provocar un flujo unidireccional au n cuando no existan válvulas.
ía) Sistema circulatorio abierto
F ig u ra 9.3.
S is te m a s c ir c u la to r io s a b ie rto s
y c e rra d o s .
ía) En un sistem a circulato rio
abierto, la sangre fluye desde los vasos sanguíneos hacia el Interior del hem ocele abierto (o seno sanguíneo) y baña los te jid o s directam ente, (b) En un sistem a circulato rio cerrado, la sangre perm anece dentro de los vasos sanguíneos y las sustancias se difun den a los te ji dos a través de las paredes de los capilares.
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culatorio perm anece dentro de un sistem a especiali zado de v a so s san g u ín eos, y por lo tanto nunca en tra en contacto directo con los tejidos. En cambio, las sustancias deben difundirse a través de las p are des de los vasos sanguíneos p ara p en etrar en los teji dos. En u n siste m a circu latorio ab ierto, el líquido circulante está en contacto directo con los tejidos en espacios llam ados se n o s que carecen de un revesti m iento especializado, perm itiendo que el líquido cir culante se m ezcle con los líquidos extracelulares. Los sistem as circulatorios abiertos varían am pliam ente en estructura, pero la m ayoría contiene vasos san guíneos y senos en proporciones variables. La diferencia entre los sistem as circulatorios abiertos y cerrados no es absoluta. Por ejemplo, los sistem as circulatorios de los crustáceos decápodos como los cangrejos y las langostas suelen describirse como abiertos, porque contienen senos. Sin em bargo, estos anim ales poseen pequeños vasos san guíneos que son sim ilares a los capilares, y en los senos la sangre fluye a través de canales bien defini dos dentro de los tejidos al reg resar al corazón. Por lo tanto, desde el punto de vista funcional, podem os cla sificar los sistem as circulatorios de los decápodos como cerrados, a p esar de que, si nos basam os en su estructura, son sistem as abiertos.
Los sistemas circulatorios mueven un líquido interno Existe desacuerdo entre los fisiólogos com parativos acerca de la term inología utilizada p a ra los líquidos circulatorios, pero a los efectos de este libro distin guim os cuatro tipos principales de líquidos. Utiliza m os la expresión líquido in tersticia l p a ra el líquido extracelular que b añ a directam ente los tejidos de los v ertebrados o invertebrados. Incluso los anim ales que carecen de sistem as circulatorios especializados suelen ser capaces de p ro p u lsar líquido intersticial a todo el cuerpo m ediante el flujo global. Definimos sa n g re como u n líquido que circula dentro de un sis tem a circulatorio cerrado, como el de los v erteb ra dos. Algunos fisiólogos com parativos prefieren utilizar la p alab ra sangre como térm ino m ás general p ara el líquido circulante de am bos sistem as circula torios, abierto y cerrado, pero aquí utilizam os la defi nición m ás restringida. La m ayoría de los vertebrados poseen un segundo sistem a circulatorio, adem ás del sistem a cardiovascu lar, que hace circular u n líquido llamado lin fa por todo el cuerpo. La linfa se form a a p artir de la sangre por medio de un proceso llamado ultrafiltración. La
Sistem as circulatorios 359
presión sanguínea fuerza los fluidos hacia el exterior de los vasos sanguíneos del sistem a circulatorio cerrado y hacia el espacio de los tejidos, donde se m ezcla con el líquido intersticial. Las moléculas de gran tam año no pueden p asar a través de los capilares pero las m oléculas pequeñas pasan con facilidad, por lo que la linfa es sim ilar en su composición a la sangre, pero contiene pocas proteínas o células. El sistem a linfático bom bea este ultrafiltrado a través del cuerpo y lo hace regresar al sistem a circulatorio. Adem ás de la pérdida del líquido recirculante del sistem a cardio vascular, el sistem a linfático desem peña un papel im portante en el sistem a inmunológico y en la diges tión y metabolización de las grasas. La hem olin fa es un líquido circulante de los sis tem as circulatorios abiertos. En un sistem a circulato rio abierto, la hem olinfa fluye a través de los vasos sanguíneos, pero está en contacto directo con los teji dos, m ezclándose con el líquido instersticial m ientras fluye por los senos. Como resultado, com bina las fun ciones de sangre y linfa (hem a es la raíz griega de sangre). Los senos de los sistem as circulatorios abiertos se denom inan en conjunto h em ocele.
Evolución de los sistemas circulatorios La m ayoría de los sistem atistas concuerdan en que los anim ales se desarrollaron de protistas flagelados que se asem ejan a los coanoflagelados. Estos peque ños organism os unicelulares carecen de sistem as cir culatorios y se b asan en la difusión p a ra tran sp o rtar sustancias a través del cuerpo. Sin em bargo, debido a las lim itaciones de la difusión, todos los anim ales m ayores de alrededor de un m ilímetro de diám etro poseen algún tipo de sistem a p a ra desplazar líquidos a través de su cuerpo m ediante el flujo global. La Figura 9.4 resum e las propiedades de los sistem as circulatorios de los principales grupos de anim ales. Se piensa que los sistem as circulatorios se desarro llaron en prim er lugar p ara tra n sp o rta r nutrientes y otras pequeñas m oléculas por todo el cuerpo, pero m uy tem prano en la evolución de los anim ales el sis tem a circulatorio com enzó a cum plir im a función respiratoria, ayudando a tra n sp o rta r oxígeno hacia los tejidos m etabolizantes activos. En la m ayoría de los grupos de anim ales, estas funciones respiratorias h a n sido un m otor im portante en la evolución de los sistem as circulatorios. A pesar de que los prim eros grupos de animales carecen de sistem as circulatorios, muchos animales los poseen. Los sistem as circulatorios abiertos se encuen-
360 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Sin sistema circulatorio ^ (sistema vascular acuático utilizado para mover 0 2 los nutrientes)
Y '
/ r * vi l
Sistemas circulatorios abiertos (excepto los cefalópodos)
Sistemas circulatorios cerrados
Sistemas circulatorios abiertos
(las contracciones musculares mueven el líquido intersticial)
Sistemas circulatorios abiertos
Sistemas circulatorios abierto y cerrado
Sin sistema circulatorio (las células ciliadas [•. mueven el líquido intersticial por flujo global)
Sin sistema circulatorio (el agua es bombeada a través de la cavidad gastrovascular por las contracciones musculares)
Sin sistema circulatorio (el agua es bombeada a través de la cavidad corporal por medio del movimiento de las células flageladas)
F ig u ra 9.4.
E vo lu c ió n de los s is te m a s c ir c u la to r io s de los a n im a le s .
tran presentes en por lo m enos algunos representantes de la m ayoría de los grupos de animales. Los sistemas circulatorios cerrados se desarrollaron de form a inde pendiente a estos sistem as circulatorios abiertos ances trales en varias líneas de animales, incluidos los vertebrados gnatostomados, los moluscos cefalópodos y los gusanos anélidos. Estos sistem as circulatorios cerrados difieren en su estructura pero son funcional m ente similares y son, por lo tanto, ejemplos de la evo lución convergente. Los sistem as circulatorios cerrados se encuentran generalm ente en organismos muy acti vos, o en aquellos que viven en entornos con oxígeno limitado. Los sistemas circulatorios cerrados se des arrollaron en combinación con moléculas especializa das en el transporte de oxígeno, y esta combinación perm ite a los anim ales transportar volúmenes relativa m ente pequeños de líquidos, m ientras que a la vez pro porcionan un suministro de oxígeno adecuado.
Algunos animales carecen de verdaderos sistemas circulatorios Las esponjas, los cnidarios y los platelm intos carecen de verdaderos sistem as circulatorios, pero todos estos anim ales poseen m ecanism os p ara propulsar líquidos
por su cuerpo (Figura 9.5). Por ejemplo, las esponjas propulsan agua por el cuerpo por medio de coanocitos, células especializadas con flagelos que se mueven de form a rítm ica. Los cnidarios propulsan agua desde el medio exterior a través de la boca hacia un a cavi dad gastrovascu lar por medio de contracciones m usculares y bom bean el agua hacia los tentáculos, transportando oxígeno y comida digerida con ella. Los platelm intos tam bién poseen una cavidad gastrovas cular, que en m uchas especies está recubierta de célu las flam ígeras ciliadas cuyo movimiento propulsa agua que contiene partículas de comida a todas las partes del cuerpo. En todas estas especies, el flujo glo bal de los líquidos es parte de un sistem a respiratorio, digestivo y circulatorio combinado. Los nem atodos y nem atom orfos tam bién carecen de sistem as circulatorios especializados, pero pu e den desplazar el líquido intersticial a través de la cavidad de su cuerpo (denom inada pseudocelom a) p or medio del flujo global im pulsado por las contrac ciones de los m úsculos en las p aredes de su cuerpo. Los nem atodos y nem atom orfos r a ra vez son m ayo res de un m ilímetro de espesor (a p esar de que algu n as especies puedan alcanzar los 30 m de largo) y obtienen oxígeno por difusión a través de toda la
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Sistem as circulatorios 361
Ósculo Coanocito
Espongocele
(a) Esponjas (Poríferos) Fig u ra 9.5.
(b) Cnidario
(c) Platelmintos
Flujo g lo b a l en a n im a le s que c a r e c e n de s is te m a c ir c u la to r io .
(a) La pared corporal de una esponja está llena de poros que conducen a una cavidad in te rio r denom inada espongocele. El
m o v im ie n to de los coanocitos flage lados propulsa agua a travé s de los poros hacia el espongocele y hacia afuera del ósculo. (b) Los cnid a rio s utilizan contracciones m usculares para pro p u ls a r agua hacia la boca y a través de la cavidad gastrovascular. (c) Los p la te lm in to s y los nem átodos utilizan contracciones de la fa rin g e m uscula r para pro p u ls a r líquido a través de la cavidad gastrovascular.
superficie de su cuerpo. Como resultado, estos ani m ales probablem ente tienen poca necesidad de im sistem a circulatorio p a ra tra n sp o rta r oxígeno. En lugar de eso, el flujo global del líquido intersticial es m ás im portante p a ra tran sp o rtar m oléculas señali zadoras e inm unocitos.
Muchos anélidos poseen sistemas circulatorios cerrados El filo Anélidos se divide en tres ram as principales: la clase Poliquetos (p. ej., los poliquetos tubícolas), la clase Oligoquetos (p. ej., las lom brices) y la clase H irudíneas (las sanguijuelas). Los sistem as circulato rios de las sanguijuelas son diferentes de los de otros anélidos, pero no los tratarem os aquí. Todos los poli quetos y oligoquetos son capaces de hacer circular el líquido intersticial utilizando sus cilios o las con tracciones m usculares de las paredes de su cuerpo. Algunos poliquetos dependen únicam ente de este sis tem a, pero la m ayoría de los poliquetos y oligoquetos poseen u n sistem a de vasos sanguíneos que tra n s p o rta un líquido especializado con proteínas p o rta doras de oxígeno. Este sistem a puede ser un diseño abierto, como en algunos poliquetos (Figura 9.6a), pero la m ayoría de los anélidos poseen sistem as cir culatorios cerrados que hacen circular sangre po r el cuerpo (Figura 9.6b).
Vaso sanguíneo dorsal
(b) Sistema circulatorio cerrado de anélldo (Oligoquetos) F ig u ra 9.6.
S is te m a s c ir c u la to r io s de los a n é lid o s .
ía) A lguno s poliqu etos poseen sistem as circulato rios abier tos. (b) Los o ligoq ueto s poseen sistem as circulato rios
cerrados.
362 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Los oligoquetos como las lom brices poseen una serie de pequeños vasos sanguíneos que conectan los grandes vasos sanguíneos dorsales y ventrales que reco rren longitudinalm ente el cuerpo del anim al. El vaso dorsal es contráctil y m ueve la sangre hacia la cabeza utilizando ondas de contracción peristáltica. A continuación, la sangre fluye a través de cinco pares de tubos m usculares contráctiles (o sim ples corazones con form a de tubo) que bom bean sangre desde el vaso sanguíneo dorsal al ventral. La sangre viaja de regreso a través del cuerpo po r el vaso sa n guíneo ventral. Los pequeños vasos sanguíneos conectores tran sp o rtan la sangre desde los tejidos de regreso al vaso dorsal.
La mayoría de los moluscos poseen sistemas circulatorios abiertos Los sistem as circulatorios de los moluscos son extre m adam ente diversos, de acuerdo con la inm ensa diversidad de form as corporales dentro de este filo. Todos los m oluscos cuentan con corazones y órganos contráctiles de algún tipo, la m ayoría de los grupos posee al m enos algunos vasos sanguíneos, y algunas especies disponen de extensas redes vasculares. Sin em bargo, casi todos los moluscos poseen sistem as circulatorios abiertos (Figura 9.7). Sólo los cefalópo dos (el calam ar, el pulpo y la sepia) poseen sistem as circulatorios com pletam ente cerrados. Esta tra n si ción evolutiva hacia u n sistem a circulatorio cerrado se asocia con el m odo de vida ta n activo de estos ani m ales. Los sistem as circulatorios cerrados de los cefaló podos se d esarrollaron a p artir de un sistem a circu latorio abierto, como el de los cefalópodos antiguos como el N autilus. En los nautiloides, la sangre que reg resa de las b ranquias p en etra en la aurícula del corazón y a continuación es bom beada por el ventrí culo a través de los vasos sanguíneos que se vacían en un g ran seno. Los vasos sanguíneos contráctiles luego bom bean la sangre a través de las branquias de nuevo al corazón. Por el contrario, el calam ar y el pulpo poseen un sistem a circulatorio cerrado y un corazón con tres cavidades m usculares (Figura 9.7b). El corazón sistém ico bom bea sangre oxigenada al cuerpo. Tras p asar a través del tejido del cuerpo, la sangre desoxigenada fluye por los dos corazones branquiales que bom bean sangre a través de las branquias. Desde las branquias, la sangre desoxige n ad a fluye de regreso al corazón sistém ico. Como tratarem o s m ás adelante en el presente capítulo, dicha organización circulatoria es sim ilar al sistem a
(b) Sistema circulatorio cerrado de un molusco cefalópodo (calamar) F ig u ra 9.7.
S is te m a s c ir c u la to r io s de los m o lu sc o s .
(a) Sistema circulato rio de un bivalvo com o ia almeja. La m a yoría de los m oluscos poseen sistem as circulatorios abiertos. (b) Los sistem as c irculato rios de un m olusco cefalópodo (ca lamar). M uchos cefalópodos poseen sistem as circulatorios cerrados. El corazón sistém ico bom bea sangre oxigenada al cuerpo. El corazón branquial bom bea sangre desoxigenada desde el cuerpo a través de las branquias.
circulatorio cerrado de las aves y los m am íferos, en el que un lado del corazón bom bea sangre a los pulm o nes, m ientras que el otro bom bea sangre al cuerpo.
Todos los artrópodos poseen sistemas circulatorios abiertos Casi todos los artrópodos poseen uno o m ás corazo nes y por lo m enos algunos vasos sanguíneos, pero ningim a línea de artrópodos ha desarrollado siste m as circulatorios com pletam ente cerrados. Aquí consideram os dos de las principales líneas de a rtró podos: los crustáceos y los insectos. Los sistem as circulatorios de los crustáceos varían desde considerablem ente sim ples en una especie de poco tam año y m enos activa, h asta extre
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m adam ente complejos en especies m ayores y m ás activas (Figura 9.8). Los crustáceos braquiópodos como los anostráceos (tam bién conocidos como “m onos de m a r” por varias generaciones de niños de E stados Unidos) poseen un corazón tubular simple que puede ocupar casi la longitud com pleta del cuerpo y relativam ente pocos vasos sanguíneos. Por el contrario, los crustáceos decápodos como las lan gostas, los cangrejos y los cangrejos de río, cuentan con u n corazón muy m uscular que actúa como una cám ara contráctil, y con u n a red extensa de vasos sanguíneos (Figura 9.8b). Estos anim ales poseen un único corazón recubierto p o r u n a bolsa denom inada seno pericardial. M uchas arterias de ramificación conducen al exterior del corazón hacia m uchas p a r tes del cuerpo, y por último se vacían en senos y lagu n as m uy en el interior de los tejidos. Tras p asar por los tejidos, la sangre dren a en un seno ubicado a lo largo del lado ventral del cuerpo. Este seno conduce
Corazón
Sistem as circulatorios 363
a las branquias, donde la sangre se reoxigena antes de reg re sar al corazón. La sangre p asa a las venas que se vacían en el seno pericardial, penetrando en el corazón a través de pequeños orificios denom inados ostia. Los decápodos poseen uno de los sistem as circu latorios abiertos m ás sofisticados de todos los inver tebrados, y m uchos de sus vasos sanguíneos poseen válvulas m usculares que pueden utilizar pa ra contro la r la cantidad de sangre que fluye a cada uno de los tejidos. Los senos son m uy reducidos en algunas especies, y actúan funcionalm ente como vasos sa n guíneos. Por lo tanto, a p esar de que los sistem as cir culatorios de los crustáceos son estructuralm ente abiertos, pueden actu ar funcionalm ente como siste m as cerrados. A p esar que los insectos pueden ten er tasas m etabólicas extrem adam ente altas, poseen sistem as circulatorios abiertos relativam ente sim ples (Figu r a 9.9). Este patrón se opone po r completo al obser vado en otros grupos en los que los sistem as circulatorios cerrados o prácticam ente cerrados se asocian a estilos de vida altam ente activos. Sin em bargo, los insectos no utilizan los sistem as circu-
(a) Crustáceos braquiópodos (anostráceo)
F ig u ra 9.8.
S is te m a s c ir c u la to r io s de los m o lu sc o s .
F ig u ra 9.9.
S is te m a c ir c u la t o r io de los in s e c to s .
A pesar de sus estilos de vida m uy activos, los insectos po seen sistem as c irculato rios abiertos relativam ente sim ples. El vaso sanguíneo contráctil dorsal está form a d o por una serie de corazones que se encuentran a lo la rgo del cuerpo, a m e nudo con uno en cada segm ento del cuerpo. Estos corazones y el vaso sanguíneo contráctil dorsal em pujan la sangre u tili zando contracciones peristálticas desde el extrem o posterior hacia el extrem o anterior del cuerpo. El líquido circulato rio a c ontinuación descarga en el hem ocele abierto y se filtra nue vam ente hacia los senos del cuerpo, ayudado por los m o v i m ientos corporales norm ales.
364 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
latorios como su principal medio de tran sp o rte ga seoso. En lugar de ello, como explicarem os en el Capítulo 10, los insectos poseen un sistem a traqueal com puesto p o r u n a serie de tubos sin salida y llenos de aire que conducen el oxígeno directam ente a los tejidos en form a gaseosa, evitando el sistem a circu latorio. Por lo tanto, en los insectos, el sistem a cir culatorio sirve principalm ente p a ra tran sp o rtar n utrientes, inm unocitos y m oléculas de señalización, en lugar de ser fundam ental p a ra la distribución de oxígeno. En m uchos insectos, la única estructura evidente en el sistem a circulatorio es u n gran vaso dorsal que se extiende a lo largo de la m ayor p arte del cuerpo. La p arte posterior del vaso dorsal es contráctil y suele estar dividido en varios órganos discretos de bom beo que funcionan como corazones, uno por cada segm ento abdom inal. La p arte anterior del vaso dorsal es m enos m uscular y se denom ina aorta. Las contracciones del corazón bom bean hem olinfa hacia la cabeza. La hem olinfa se vacía en un seno en la región cerebral, y luego se filtra nuevam ente hacia el abdom en, a través de otro seno. Los movim ientos norm ales del cuerpo ayudan a m over la hem olinfa a través de los senos, haciendo reg resar la sangre al corazón a través de las ostia, como en otros artrópo dos. Muchos insectos tam bién poseen órganos pulsá tiles accesorios (corazones simples) en sus antenas, alas y extrem idades. De hecho, algunas especies poseen docenas de estos pequeños corazones, que ayudan a p ro p u lsar la hem olinfa a través de sus lar gos y estrechos apéndices.
Los cordados invertebrados poseen sistemas circulatorios abiertos Los v erteb rad o s p erten ecen al filo Cordados, que incluye tam b ién a los in v erteb rad o s u rocordados (los tunicados) y los cefalocordados (los peces la n ceta). Los u ro co rd ad o s po seen u n corazón tu b u lar sim ple que p ro p u lsa el líquido a trav és de u n a serie de canales bien definidos en los tejidos. E stos ca n a les carecen de p ared es, p o r lo que el sistem a circu latorio de los u ro co rd ad o s se clasifica como abierto. El corazón se ubica en la base del tracto digestivo en la p arte p o ste rio r del cuerpo y bom bea el líquido p o r el cuerpo u tilizando contracciones p eristálticas. En algunos tu n icados como la Clona, la dirección de estas contracciones se invierte p ro vocando u n cam bio de dirección de la corriente san g u ín ea. No se co m p ren d e aú n el significado p si cológico de este p a tró n de corriente, a p e s a r de que
algunos au to res h a n sugerido que sirve p a ra dis p e rs a r las células recolectoras de n u trie n te s por todo el cuerpo. Los cefalocordados como el pez lanceta (conocido anteriorm ente como anfioxo) carecen de un corazón con cavidades evidente y en su lugar disponen de un largo corazón tu b u lar o un vaso sanguíneo contráctil ubicado en la base del tracto digestivo y de vasos sa n guíneos pulsátiles adicionales en otras ubicaciones dentro del sistem a circulatorio, que ayudan a bom b ear la sangre po r el sistem a circulatorio. El sistem a circulatorio es en su m ayor p arte cerrado, con vasos sanguíneos que se vacían en los senos sólo en algu n as ubicaciones en el cuerpo.
La lamprea y el mixino poseen sistemas circulatorios abiertos Los peces agnatos (lam preas y mixinos) poseen un sistem a circulatorio parcialm ente abierto en el que u n corazón sistém ico ubicado en el centro bom bea sangre a través de una serie de vasos sanguíneos. En algunos tejidos la sangre perm anece en los vasos sanguíneos y en otros se vacía en unos senos abier tos. Adem ás del corazón sistémico, el mixino posee varios corazones accesorios ubicados en varias p a r tes del cuerpo, m ientras que las lam preas carecen de ellos. Los vasos sanguíneos están recubiertos por u n a capa especializada de células denom inada en d otelio, como en el caso de los vertebrados gnatostom ados. El plan circulatorio general de las lam preas com parte m uchas similitudes con el plan circulatorio de otros peces. El ventrículo del corazón sistém ico bom bea sangre a u n a a rteria denom inada la aorta v en tral, que luego se ram ifica p a ra form ar las arterias que abastecen a las branquias. Se debe observar que arteria es un térm ino general p a ra los vasos sanguí neos que tran sp o rtan sangre hacia el exterior del corazón. La sangre sale de las b ranquias a través de varios vasos sanguíneos que se unen p a ra form ar la aorta d orsal que viaja a lo largo de la espalda del pez, ram ificándose en sucesivos vasos m ás pequeños denom inados arterio la s y los ca p ila res que perfunden los tejidos. La sangre regresa al corazón a través de las venas.
Los vertebrados gnatostomados poseen sistemas circulatorios cerrados Todos los vertebrados gnatostom ados poseen siste m as circulatorios cerrados, pero la estructura del
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sistem a circulatorio varía entre los grupos de verte brad o s en función de la estrategia respiratoria del organism o (Figura 9.10). En los peces que respiran en el agua, la sangre fluye en un circuito simple desde el corazón a través de las b ranquias y los teji dos corporales. Debido a que el corazón debe bom b ear sangre a través de las b ranquias y los tejidos en series, algunos peces poseen un pequeño corazón accesorio o caudal en la cola que ayuda a la corriente sanguínea a volver de regreso al corazón. En otras especies, los m ovim ientos norm ales del cuerpo con tribuyen al retorno venoso hacia el corazón. En con traste, los tetrápodos (anfibios, reptiles, aves y m am íferos) poseen dos circuitos dentro de su sis tem a circulatorio. El lado derecho del corazón im pulsa la sangre a través de los pulm ones hacia el circuito pulm onar, m ien tras que el lado izquierdo del corazón im pulsa la sangre a través de los tejidos
Sistem as circulatorios 365
del cuerpo hacia el circuito sistém ico del sistem a circulatorio.
El circuito pulmonar se desarrolló en los peces pulmonados
Como verem os m ás detalladam ente en el Capítulo 10, la respiración aérea se desarrolló independientem ente varias veces en los peces, y se utiliza una gran variedad de estructuras p ara la respiración aérea. En casi todas estas especies, el órgano de respiración aérea se encuentra en paralelo con los otros tejidos en el cir cuito sistémico del sistem a circulatorio (Figura 9.11a). Como resultado, la sangre oxigenada del órgano de respiración aérea se mezcla con la sangre desoxige n ada de los dem ás tejidos antes de regresar al corazón. Los peces pulm onados son los m ás especializa dos de los peces de respiración aérea. Las seis espe cies existentes de peces pulm onados m uestran diferentes grados de respi ración aérea, pero todos los peces pulm onados se diferencian de los Tejidos dem ás peces ya que poseen un cir cuito pulm onar separado de vasos sanguíneos que conduce hacia los pulm ones (Figura 9.11b). La sangre desoxigenada del cuerpo y la sangre oxigenada de los pulm ones penetran en la aurícula del corazón a través de vasos sanguíneos separados, y gra cias a la arquitectura del corazón de los peces pulm onados, sólo se pro duce u n a m ezcla lim itada de sangre oxigenada y desoxigenada. Cuando la Circuito Circuito sangre oxigenada abandona el cora pulm onar zón, viaja a través de u n a p arte de las b ranquias que se m odifica p a ra no participar en el intercam bio gaseoso. — Pulmones Esta p arte de las branquias no con Vi1 / C u erpo — V i l / tiene capilares y la sangre p asa a tr a vés de grandes vasos sanguíneos h asta la aorta dorsal, que la tra n s p orta a la circulación sistém ica. Si el pez pulm onado está respirando agua, (b) Sistema circulatorio de doble circuito la sangre desoxigenada viaja a través de la p arte respiratoria de las agallas F ig u ra 9.10. S is te m a s c ir c u la to r io s de los v e rte b ra d o s . y a continuación por el conducto, Los sistem as circulato rios de los vertebrados varían en funció n de la estrategia respiratoria, la) En los peces que respiran en el agua, la sangre viaja desde el cora hacia los tejidos. Si el pez pulm onado zón a través de las branquias y los tejidos del cuerpo y regresa al corazón, (b) Los está respirando aire, el conducto se tetrápodos de respiración aérea poseen un sistema circulato rio doble con dos cierra y la sangre fluye a través de la bom bas organizadas en serie. La sangre viaja a por el lado izquierdo del corazón al a rteria pulm onar que va hacia los circuito sistém ico a través del cuerpo y regresa al lado derecho del corazón, que bom bea la sangre a través del circuito pulm o nar de los pulm ones. pulm ones.
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i l
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366 SEG UN DA PARTE
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Muchos tetrápodos poseen circuitos pulmonares y sistémicos completamente separados Como los peces pulm onados, los anfibios poseen cir cuitos sistémicos y pulm onares separados y un cora zón no dividido com pletam ente (Figura 9.11c). De esta m anera, es posible que se m ezclen la sangre des oxigenada del circuito sistémico y la sangre oxige n ad a del circuito pulm onar. Sin em bargo, en m uchas especies las dos corrientes sanguíneas que regresan al corazón p erm anecen bastante separadas, a pesar de que no se com prenda m uy bien el m ecanism o por el que se m antiene esta separación. Todos reptiles, m enos los cocodrilos (tortugas, serpientes y lagarti
jas), poseen un patrón de circulación muy sim ilar en varios aspectos al de los anfibios (Figura 9 .lid ) . Debido a que las cavidades del corazón están interconectadas, la sangre puede desviarse desde el circuito sistémico al pulm onar o viceversa. Estos reptiles poseen algo de control sobre estos procesos y desvían la sangre entre los circuitos sistémicos y pulm onares en respuesta a las necesidades m etabólicas cam bian tes. Por ejemplo, la derivación puede ocurrir m ientras se contiene la respiración, perm itiendo a estos ani m ales desviar la sangre fuera del pulm ón inactivo. Al contrario que en el caso de otros reptiles, los cocodrilos poseen un ventrículo com pletam ente divi dido que im pide que la sangre se desvíe entre las cir culaciones sistém icas y pulm onares po r medio de un
A rcos branquiales m odificados
(a) Pez de
(c) Rana F ig u ra 9.11.
respiración aérea
(d) Lagartija P a tro n e s c ir c u la to r io s en p e c e s de re s p ir a c ió n a é r e a , a n fib io s y r e p tile s .
ía) En la m ayoría de los peces de respiración aérea, el órgano de respiración aérea se encuentra ubicado en paralelo con los otros tejidos sistém icos, y la sangre oxigenada del órgano de respiración aérea se mezcla con la sangre desoxigenada antes de regre sar al corazón, (b) Los peces pulm onados poseen una circulación separada y pueden d irig ir la corriente sanguínea desde las branquias al te jid o a través de los conductos, o a los pulm ones a través de la arteria pulm onar, (c) La circulación en las ranas. La sangre desoxigenada fluye a la arteria pulm ocutánea que conduce a la piel y a los pulm ones, y la sangre oxigenada fluye a través de la aorta a los tejidos, a pesar de que pueden mezclarse en el corazón, (d) En los reptiles, la sangre desoxigenada de los tejidos se introduce en la aurícula derecha y se d irige preferentem ente a los pulm ones. La sangre oxigenada de los pulm ones entra en la aurícula izquierda y se dirige preferentem ente a los tejidos.
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movim iento entre los ventrículos. Sin em bargo, como discutirem os m ás adelante en este capítulo, otras estru ctu ras perm iten a los cocodrilos desviar la san gre entre los circuitos pulm onar y sistémico. Por lo tanto, a p esar de que el corazón está com pletam ente dividido, las circulaciones sistém ica y pulm onar no lo están.
Pulm ones
Circuito pulmonar
Las aves y los m a m íferos poseen c ircu ito s p u lm o n a re s y s istém icos c o m p le ta m e n te separados Los sistem as pidm onares y sistém icos están com ple tam en te sep arad o s en las aves y en los m am íferos (Figura 9.12). Estos anim ales poseen un corazón con cuatro cavidades (com puestas de dos aurículas y dos ventrículos sin conexión entre ellos) que sep aran com pletam ente la sangre oxigenada y desoxigenada. La san g re oxigenada de los pulm ones fluye hacia la aurícula izquierda. La aurícula izquierda bom bea sangre oxigenada hacia el ventrículo izquierdo, que bom bea la san g re oxigenada al cuerpo. La sangre desoxigenada que reg re sa al cuerpo fluye a la au rí cula derecha. La aurícula derecha luego bom bea esta sangre desoxigenada hacia el ventrículo d ere cho, que bom bea la san g re desoxigenada a los pul m ones. Los sistem as circulatorios de los m am íferos y de las aves son m enos flexibles que los de anfibios y reptiles, debido a que la sangre no puede desviarse alred ed o r de los pulm ones d u ran te la contención de la respiración. Sin em bargo, los m am íferos y las aves resp iran m ás o m enos continuam ente y en re a lidad no necesitan esta capacidad. El sistem a circu latorio com pletam ente separado tiene u n a única v entaja im portante: p erm ite que la presión sea dife ren te en el circuito pu lm o nar y en el sistémico. Pero ¿p o r qué es u n a ventaja ten er distintas presiones en am bos circuitos? En los pulm ones, los capilares deben se r m uy delgados p a ra perm itir un buen intercam bio gaseoso, pero si la sangre fluye por estos capilares delgados bajo alta presión, los fluidos se filtrarán a través de las p ared es de los capilares aum entando la distancia de difusión y reduciendo la eficacia del intercam bio gaseoso. Por lo tanto, los sistem as circulatorios de baja presión a través de los pulm ones p u ed en ser ventajosos. Por el contrario, las p resiones altas son necesarias p a ra im pulsar la sangre a través de los largos sistem as circulatorios sistém icos. Tener los circuitos pulm onares y sistém i cos sep arad o s perm ite satisfacer estas dos diferen tes necesidades.
Sistem as circulatorios 367
Sangre oxigenada
A u r íc u la ^ ^ Id e re c h ^ ^ jk
7\urícula ] izquierda]
Ventrículo derecho
Ventrículo izquierdo
Circuito sistémico
CO2 O2 Tejidos F ig u ra 9 .12.
La c ir c u la c ió n en m a m ífe ro s y a ves.
En los m am íferos y aves, la sangre desoxigenada de los te ji dos penetra en la aurícula derecha y va al ventrículo derecho y al circuito pu lm o n a r del sistem a circulato rio. La sangre o x i genada procedente de los pulm ones penetra en la aurícula iz quierda y va al ventrículo izquierdo y al circuito sistém ico del sistem a circulatorio.
I C o razo n es La acción de bom beo de las cám aras contráctiles (o el corazón) se denom ina ciclo cardiaco, y se divide en dos fases: contracción cardiaca (sístole) y distensión (diástole). D urante la sístole, el corazón se contrae e im pulsa la sangre al exterior, hacia la circulación. D urante la diástole, el corazón se distiende y la san gre puede e n trar desde el sistem a circulatorio. Debido a que las cavidades del corazón se des arrollaron a p artir de vasos sanguíneos pulsátiles sim ples o de corazones peristálticos tubulares de
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form a independiente m uchas veces en diferentes grupos de anim ales, no sorprende encontrar diferen cias sustanciales en la estructura y fimción de los corazones entre los anim ales. Sin em bargo, pruebas recientes obtenidas por la biología del desarrollo señalan a un nivel sorprendente de sim ilitud en el p ro g ram a de desarrollo de los corazones en grupos de anim ales relacionados de form a muy distante (véase la Caja 9.1), lo que sugiere que existe un a uni dad fundam ental en estas diferentes estructuras de bom beo.
(a) sístole
Los corazones de los artrópodos A p esar de que la form a y el tam año del corazón v aría am p liam en te en los artrópodos, sus corazo n es co m p arten n u m ero sas características. Los co razo n es de los artró p o d o s suelen b o m b ear la h em olinfa h acia la circulación a través de las a rte rias, y la san g re re g re sa al corazón a través de u n a serie de orificios u ostia. Las válvulas dentro de los ostia se a b re n y cierran , regulando activam ente el flujo de la hem olinfa. El corazón se en cu en tra su s pendido d entro de la cavidad corporal po r m edio de u n a serie de ligam entos. La F igura 9.13 ilu stra el ciclo cardiaco en los cru stáceos decápodos, que p o seen corazones p articu larm en te fuertes y m uscu lares. Los co razo n es de la m ayoría de los a rtró p o dos, incluidos los crustáceos, son neurógenos, es decir, se co n traen com o re sp u e sta a las señales del sistem a nervioso (v éa se el Capítulo 6). Las n e u ro n a s del ganglio cardiaco, ub icadas en la superficie del corazón y en tre los cardiom iocitos, son el p rin cipal g en erad o r de ritm o. E stas n e u ro n a s experi m en tan d espolarizaciones rítm icas espontáneas que inician la contracción rítm ica del corazón (véase el Capítulo 8 p a ra co n sultar u n a explicación acerca de los g en erad o res de ritm o neurales). Las n eu ro n as del ganglio cardiaco envían u n a señal p a ra c e rra r los ostia del corazón e iniciar los lati dos. Cuando se co n traen los cardiom iocitos, d is m inuyen el volum en de la cavidad cardiaca, ejerciendo p resió n en el líquido circulatorio. Este aum ento de la p resió n h ace que la san g re salga del corazón al sistem a circulatorio a través de las a rte rias. Las válvulas cerrad as p rotegen las ostia e im piden el flujo en la o tra dirección. La contracción del corazón tam bién tira de los ligam entos que conectan el corazón a la p ared cor poral, dilatándolos. D urante la diástole, cuando el corazón se distiende, los ligam entos se retraen , sepa-
Fig u ra 9.13.
El c ic lo c a r d ia c o en los c ru s tá c e o s
decápodos. ía) Sístole. Cuando el corazón se contrae, los ostia se cierran, y la sangre fluye a través de las arterias. La contracción tira de los ligam entos elásticos suspensorios, que almacenan esta energía potencial, (b) Diástole. Cuando el corazón se d istien de, los ligam entos suspensorios se retraen, aum entando el volum e n del corazón. Los ostia se abren y la baja presión succiona la sangre hacia el in te rio r del corazón a través de los ostia abiertos.
rando las paredes del corazón. El retroceso elástico aum enta el volum en del corazón, reduciendo la p re sión en las cám aras internas. En este punto, las vál vulas de los ostia se abren, y la dism inución en la presión aspira el líquido hacia el corazón a través de las ostia. Por lo tanto, los corazones de los artró p o dos actúan como bom bas aspirantes e im pelentes. Se llenan po r succión y se vacían como resultado del increm ento de la presión.
Los corazones de los vertebrados El corazón de los v erteb rad o s cuenta con p ared es com plejas con cuatro p a rte s principales (Figu r a 9.14). Un saco denom inado p erica rd io que ro d ea al corazón. En algunas especies, como en los elasm obranquios, el pericardio es relativam ente rígido m ien tra s que en otras el pericardio se ad ap ta, y se expande fácilm ente m ien tra s late el
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Todos los corazones realizan funciones simi
Los nem átodos con un gen ceh-22 d efectuoso no des
lares, pero se diferencian enorm em ente en su
arrollan una faringe adecuada. Sin embargo, si se introduce
estructura entre los taxones, ya que van desde vasos sanguí
una copia del gen Nkx2.5 de los ratones en un nem atodo
neos contráctiles sim ples hasta corazones peristálticos tubu
con una versión defectuosa del ceh-22, la faringe se des
lares y cámaras contráctiles musculares. Durante muchos
arrolla norm alm ente. Este experim ento dem uestra clara
años los biólogos asumieron que estos diferentes corazones
m ente que los genes que controlan el desarrollo de la
tenían m uy poco en com ún además de su función de bom
faringe de C. elegans y el corazón de los vertebrados son
beo. Sin embargo, el trabajo reciente con sistem as de m ode
estructural y funcionalm ente similares.
los ha revelado una unidad sorprendente a nivel molecular.
Probablemente, la función ancestral de ceh-22/Nkx/Tinman era especificar el desarrollo de una estructura contráctil
M ediante la tecnología de genomanipulación, los investi gadores están comenzando a desentrañar el programa gené
rítmica. Este programa de desarrollo fue luego elegido
tico que subyace al desarrollo del corazón en una gran
durante la evolución para form ar los órganos de bombeo
variedad de organismos. En las drosófilas, un gen denomi
estructuralm ente diferentes de los nemátodos, moscas de la
nado Tinman controla el desarrollo del corazón. Los investiga
fruta y vertebrados. De hecho, un gen relacionado con Nkx
dores denominaron a este gen por el personaje del hombre
se ha detectado en un cnidario, la hidra (Hydra magnipapi-
de hojalata de El mago de Oz, que no tenía corazón. Las mos
llata). La expresión de este gen se ubica alrededor de la base
cas que carecen del gen Tinman nunca desarrollan corazón.
de la cavidad gastrovascular, en una región que está involu
En los ratones, se necesita un gen en una familia denominado
crada en el bom beo de líquidos a través del cuerpo. Estas
Nkx para el desarrollo del corazón. Los ratones que poseen versiones mutadas de los genes Nkx poseen defectos en el desarrollo cardiaco. Nkx y Tinman producen proteínas muy
observaciones sugieren que los genes involucrados en el
similares y estos genes comparten claramente el m ism o ori
turas de bom beo desde la época de los primeros metazoos.
desarrollo del corazón preceden a la evolución del sistema cir culatorio, pero han participado en el desarrollo de las estruc
gen evolutivo. De la misma manera, un homólogo de Nkx/Tin-
man ha sido descubierto en el pez lanceta (anteriormente denominado anfioxo), un cordado invertebrado. Este gen se expresa en el corazón en desarrollo con form a de tubo de estos animales. Este alto grado de conservación sugiere el origen evolutivo común de estos corazones tan diferentes. Los nem átodos com o los Caenorhabditis elegans care cen de un corazón y un sistem a circulatorio com plejo, pero poseen una estructura digestiva denominada faringe que se contrae rítm icam ente y ayuda en la alim entación. La faringe de los nem átodos guarda ciertas sim ilitudes con los corazones de otros organism os. Com o el corazón de los insectos y los vertebrados, los m úsculos faríngeos son biógenos: se contraen sin in form ación por parte del sistem a nervioso. Adem ás, el desarrollo de la faringe está contro lado por el gen ceh-22, cuya secuencia m olecular es sim ilar a Tinman y Nkx, lo que sugiere que es el hom ólogo evolu tivo de estos genes.
corazón. La firm e cap a exterior del pericardio (el p ericardio p a rie ta l) está form ada por u n tejido conjuntivo que protege al corazón y lo sujeta a las estru ctu ras que lo ro d ean . El p ericard io está lleno de u n a p eq u eñ a can tid ad de líquido que actúa como lub rican te, red u cien d o la fricción a m edida que late el corazón.
* Bodmer, R. 1993. The gene tinm an is required for specification of the heart and visceral muscles in Drosophila. D evelopm ents 18:719-729. * Haun, C., J. Alexander, D. Y. Stanier, and P. G. Okkema. 1998. Rescue of C aenorhabditis elegans pharyngeal development by a vertebrate heart specification gene. Proceedings o f th e N ational A c a d e m y o f Sciences U S A 9 5 : 5072-5075. ►Holland, N. D., T. V. Venkatesh, L. Z. Holland, D. K. Jacobs, and R. Bodmer. 2003. A m phiN k2-tin, an amphioxus homeobox gene expressed in myocardial progenitors: Insights into evolution of the vertebrate heart. D e v e lo p m e n ta lB io lo g y 2 5 5 : 128-137. ►Lints, T. J., L. M. Parsons, L. Hartley, I. Lyons, and R. P. Harvey. 1993. Nkx-2.5: A novel murine homeobox gene expressed in early heart progenitor cells and their myogenic descendants. D e v e lo p m e n t 119: 419-431. ►Shimizu, H., andT. Fujisawa. 2003. Peduncle of Hydra and the heart of higher organisms share a common ancestral origin. Genesis 36: 182-186.
La capa in tern a del pericardio (el pericardio vis ceral) es continua con el tejido conjuntivo externo del corazón, denom inado epicardio. Si están presentes, los nervios que regulan el corazón y las arterias coron arias que aportan sangre al m ism o se encuen tra n ubicados en el epicardio. Estos vasos se extien den en la siguiente capa del corazón; el m úsculo del
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corazón o m iocardio. El m iocardio está dividido en v arias capas que pueden distinguirse según la orien tación de los card iom iocitos (o células de los m úscu los cardiacos) en cada capa. El recubrim iento m ás profundo del corazón se denom ina endocardio, y está com puesto p o r u n a capa de tejido conjuntivo cubierta por u n a capa de células epiteliales que recu b ren las cám aras del corazón. Por razones históricas esta capa celular se denom ina endotelio.
El m io ca rd io puede ser e sp o n g ifo rm e o com p actad o El m úsculo ventricular puede estar com puesto de dos tipos diferentes de m iocardio: un a capa exterior de
m iocardio com pactado, form ado po r células fuer tem ente agrupadas y dispuestas de form a regular, y un a capa in tern a de m iocardio espon giform e que consiste en un a m alla de células conectadas de form a laxa. Sin em bargo, la proporción relativa de estos dos tipos de m iocardio varía entre las especies. En los m am íferos el m iocardio es casi com pletam ente com pactado (Figura 9.14a), m ientras que en m uchos peces y anfibios es com pletam ente espongiform e (Figura 9.14b). El m iocardio com pactado en la parte externa del corazón está vascularizado (contiene vasos sanguíneos), pero en m uchas especies el m io cardio espongiform e no contiene vasos sanguíneos. En estas especies, la capa in tern a del corazón obtiene el oxígeno de la sangre de las cavidades del
Miocardio
Pericardio Líquido pericardial en la cavidad pericardial
Pericardio parietal Endocardio
E picardio (epicardio visceral)
(a) Miocardio
Pericardio
Arteria coronaria
(b) Fig u ra 9 .14.
E s tru c tu ra d e l c o ra zó n de los v e rte b ra d o s .
El corazón de los vertebrados cuenta con paredes com plejas que constan de pericardio, epicardio, m iocardio y endocardio, (a) El m iocardio de los m am íferos consiste en su m ayor parte en un m iocardio com pactado, (b) En los peces y anfib ios el m iocardio está com puesto en su m ayor parte por un m iocardio espo ngiform e rodeado por una delgada capa de m iocardio com pactado. El m iocardio espongiform e se encuentra escasamente vascularizado y recibe oxígeno de la sangre que flu y e por el corazón, m ien tras que el m iocardio com pactado está abastecido de oxígeno por m edio de las arterias coronarias.
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corazón. El m iocardio espongiform e suele estar dis puesto en tra b écn la s que se extienden a las cám aras del corazón. De hecho, en algunas especies, las cám aras del corazón están tan llenas de trabéculas que se asem ejan a u n a esponja m ás que a las cám a ras ab iertas del corazón de los m am íferos.
Atrio Bulbo arterioso
Los corazones de los peces se dispo nen en serie El corazón de los peces que resp iran en el agua está com puesto de cuatro cavidades dispuestas en serie. (Figura 9.15a). La sangre p en etra en el corazón a tr a vés de u n a cám ara de p ared delgada denom inada sen o ven oso y fluye al interior de la aurícula y luego al ventrículo m uscular. El ventrículo bom bea sangre tanto a la estructura elástica denom inada bulbo a rterio so (en la m ayoría de los peces óseos), como al cono a rterio so m uscular (en los elasm obranquios). Todas estas cám aras son contráctiles, excepto el bulbo arterioso elástico de los peces osteíctios, y se contraen en secuencia, a p esar de que el ventrículo m uscular desem peñe el papel principal de im pulsar la sangre a través del sistem a circulatorio.
Sistem as circulatorios 371
Miocardio espongiforme
Miocardio compactado ' ventrículo
(a) Corazón del osteíctlo
El corazón de los a n fib io s consta de tre s cavidades Los anfibios cuentan con u n corazón de tres cavida des con dos aurículas y un ventrículo (9.15b). El ven trículo del corazón bom bea sangre a través del cono arterioso a los circuitos pulm onar y sistém ico del sis tem a circulatorio. La sangre oxigenada de los pulm o nes reg resa a la aurícula izquierda a través de la v en a pulm onar, m ientras que la sangre desoxige n ad a del circuito sistém ico reg resa a través de varias venas que se vacían en el seno venoso y luego en la aurícula derecha. Las dos aurículas abastecen de sangre al único ventrículo. Las trabéculas dentro del ventrículo ayudan a m an ten er sep arad as la sangre oxigenada y la desoxigenada, a p esar de que los m ecanism os p o r los que trab ajan no se com prenden del todo todavía. Un pliegue espiral dentro del cono arterioso dirige la sangre desoxigenada a la arteria pulm ocutánea que conduce a los pulm ones y a la piel, y la sangre oxigenada a las arterias sistém icas. Las ra n a s pueden obtener oxígeno del aire o del agua. Cuando u n a ra n a resp ira aire, tanto los pulm o nes como la piel se pueden utilizar p a ra el intercam bio gaseoso (a p esar de que la proporción de oxígeno provista po r cada fuente varía de un a especie a otra). La sangre oxigenada de los pulm ones fluye al interior
(b) Corazón de un anfibio Figura 9.15.
A n a to m ía c a r d ia c a de los p e c e s y las ran as .
ía) El corazón de un pez está dispuesto en serie. La sangre pe netra en el seno venoso, que bom bea sangre a la aurícula y luego al ventrículo m uscular. El ventrículo bom bea sangre al cuerpo a través del bulbo arterioso (en los osteíctios) o del cono arterioso (en los peces cartilaginosos), (b) El corazón de un a n fib io posee dos a u rículasy un único ventrículo. La san gre oxigenada de los pulm ones penetra en la aurícula izquier da a través de la vena pulm onar. La sangre desoxigenada o parcialm ente oxigenada de la piel y los tejidos entra en la au rícula derecha a través del seno venoso. La aurícula bom bea la sangre al único ventrículo, pero la sangre oxigenada y la desoxigenada están am pliam ente separadas por mecanis m os que aún no se com prenden del todo. La sangre oxigena da fluye preferentem ente a las arterias sistém icas, m ientras que la sangre desoxigenada fluye preferentem ente a la arte ria pulm ocutánea.
de la aurícula izquierda. El corazón dirige p referen tem ente esta sangre oxigenada hacia la circulación sistém ica. La sangre oxigenada de la piel se mezcla
372 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
con la sangre desoxigenada de los tejidos antes de e n trar al corazón. La sangre oxigenada m ezclada de la piel puede ser m uy im portante en el abasteci m iento de oxígeno al m iocardio espongiform e del corazón. El corazón dirige p referentem ente esta san gre m ezclada hacia los pulm ones. Cuando u n a ra n a se encuentra sum ergida en agua con gas, los pulm ones proveen poco oxígeno y la m ayor parte de la obtención de oxígeno se produce a través de la piel. En estas condiciones, se bom bea m uy poca sangre a los pulm ones, y la m ayor p arte se dirige a la piel. La sangre oxigenada viaja desde la piel de vuelta al corazón (m ezclándose con la sangre desoxigenada de los tejidos) y se distribuye a los teji dos. Esta redistribución sólo es posible porque am bas aurículas conducen a un único ventrículo, lo que perm ite a las ra n a s la flexibilidad p a ra desviar la sangre en tre los circuitos pulm onar y sistém ico de la circulación según su form a de respiración.
A orta derecha
/
Aorta izquierda Vena pulm onar Aurícula derecha Aurícula izquierda
Cava venosa Cava arteriosa
Cava pulm onar
(a) Anatomía cardiaca de los reptiles excepto el cocodrilo
Arteria pulm onar
A orta izquierda
Aorta derecha
La m ayoría de los rep tile s poseen corazones de cinco cavidades Los corazones de la m ayoría de los reptiles, cocodrilos no incluidos, están form adas por cinco cám aras (Figura 9.16a). Como en el caso de los anfibios, existen dos aurículas, pero el ventrículo se encuentra dividido en tres com partimentos interconectados (cava venosa, cava pulm onar y cava arteriosa) por crestas m uscula res o tabiques. El cono arterioso se divide p ara form ar la base de las tres grandes arterias: la arteria pulm o n a r que conduce a los pulm ones y la aorta izquierda y derecha que conducen al resto del cuerpo. La arteria pulm onar conduce desde la cava pulmonar, m ientras que las aortas conducen desde la cava venosa. A p esar de que sus ventrículos no están separados por completo, los reptiles m antienen generalmente separadas la sangre oxigenada de la desoxigenada. La sangre desoxigenada entra en la aurícula derecha y fluye al interior la cava venosa y luego a través de la cresta m uscular hacia la cava pulm onar y al exterior por la arteria pulmonar. La sangre oxigenada entra a la aurícula izquierda y fluye al interior de la cava venosa y luego al exterior por las aortas izquierda y derecha. Los reptiles pueden tam bién distribuir la sangre selectivam ente entre la circulación pulm onar y sistém ica. Esta capacidad de evitar los circuitos pulm onar o sistém ico se denom ina derivación (Figura 9.16b). En u n a derivación de derecha a izquierda (D-I), una fracción de la sangre venosa desoxigenada evita la circulación pulm onar y en tra de nuevo a la circula ción sistém ica, haciendo que la sangre con poco oxí-
Ventrículo izquierdo
Aurícula derecha
Aurícula izquierda
(b) Corriente sanguínea a través del corazón de los reptiles e xcepto el cocodrilo Fig u ra 9.16.
A n a to m ía c a r d ia c a de los r e p tile s ,
c o c o d r ilo no in c lu id o . (a) Los reptiles, excepto el cocodrilo, tienen dos aurículas y tres cámaras ventriculares no tota lm e n te separadas, (b) Vista esquem ática de la corriente sanguínea a través del corazón de un reptil d is tin to del cocodrilo. En circunstancias de ausen cia de derivación, la sangre fluye desde la aurícula derecha a la arteria pulm o nar y desde la aurícula izquierda a las aortas derecha e izquierda. Durante una derivación de derecha a iz quierda (D-l), parte de la sangre de la aurícula derecha entra a las aortas, bordeando los pulm ones. Durante una derivación de izquierda a derecha (l-D), parte de la sangre de la aurícula izquierda entra en la arteria pulm onar, bordeando los tejidos.
geno circule a través del cuerpo. En u n a derivación de izquierda a derecha (I-D), u n a p arte de la sangre pulm onar vuelve a e n trar al circuito pulm onar en lugar de viajar hacia el cuerpo. Los reptiles pueden regular el grado y la sincronización de estas deriva ciones, a p esar de que los m ecanism os involucrados
C A P ÍTU LO 9
no se com prenden aún y probablem ente varían entre las especies de reptiles. Los reptiles son resp iradores interm itentes, y a m enudo contienen el aliento d urante largos períodos de tiem po. D urante estos períodos, los reptiles des arrollan u n a p ro nunciada derivación D-I, evitando la circulación pulm onar y dirigiendo la m ayor p arte de la sangre al cuerpo. Las derivaciones D-I tam bién están asociadas con la inm ersión, especialm ente cuando u n reptil se sum erge p a ra d escansar bajo el agua. Por el contrario, las derivaciones I-D sirven p a ra ayudar al sum inistro de oxígeno al m iocardio espongiform e del corazón derecho. La im portancia adaptativa de las derivaciones en los reptiles es tem a de debate entre los fisiólogos com parativos y algunas de las funciones p ropuestas de la derivación h an sido cuidadosam ente evaluadas experim entalm ente. Los reptiles como los cocodrilos (cocodrilos, ali gátores y caim anes) poseen ventrículos com pleta m ente divididos, y p o r lo tanto las cám aras del corazón están totalm ente separadas. Sin em bargo, sus circuitos pulm onar y sistém ico siguen conectados y estos anim ales pueden derivar la sangre entre ellos (véase la Caja 9.2).
Las aves y los m a m ífe ro s ! ■ I poseen cu a tro cavidades en el corazón El corazón de los m am íferos y de las aves está com puesto p o r cuatro cavi dades sin obstrucciones con paredes relativam ente lisas (Figura 9.17). El lado izquierdo del corazón (m ostrado a la derecha en esta vista ventral) está com puesto p o r u n a aurícula de p a re des delgadas, y un ventrículo de p a re des gruesas. El lado derecho del corazón tam bién consta de u n a a u rí cula y u n ventrículo, pero el ventrículo derecho posee u n a pared m ucho m ás delgada que la del ventrículo iz quierdo. El ventrículo izquierdo, que bom bea sangre a través de la circula ción sistém ica de alta resistencia, debe b o m b ear m ás fuertem ente que el ventrículo derecho, que bom bea sangre a través de la circulación pul m o n ar de m en o r resistencia. Una cresta gru esa denom inada tabiq u e in traventricular sep ara los dos ven trículos, m ien tras que el tabique
Sistem as circulatorios 373
interauricular sep ara las dos aurículas. Los tabiques están com puestos po r m úsculos reforzados por tejido conjuntivo. Las válvulas au ricu loven tricu lares (AV) se encuentran ubicadas entre las aurículas y los ven trículos y perm iten a la sangre fluir desde la aurícula h asta el ventrículo, pero no en dirección contraria. La válvula VA derecha, tam bién denom inada válvula tricú sp id e, y la válvula VA izquierda, tam bién deno m inada válvula b icúspide, se encuentran adheridas sobre el lado ventricular a cordones de colágeno denom inados cuerdas tendíneas. Estos cordones sujetan las válvulas a los m úsculos papilares e im pi den que se a b ra n hacia atrás. Las válvu las sem ilu nares, ubicadas a la salida de los ventrículos, im piden que la sangre fluya hacia atrá s a los ventrí culos. La válvula sem ilu n ar pulm onar se encuen tra ubicada entre el ventrículo derecho y la arteria pulm onar que conduce a los pulm ones. La válvula sem ilu n ar aórtica se encuentra ubicada entre el ventrículo izquierdo y la aorta, la arteria que con duce a la circulación sistém ica.
Vena cava superior
Arteria pulm onar Venas pulm onares Válvula semilunar pulm onar
A urícula izquierda
Aurícula derecha
Válvula AV izquierda Válvula semilunar aórtica
Válvula AV derecha
Ventrículo izquierdo
Ventrículo derecho
Tabique
Vena cava inferior-
F ig u ra 9.17.
A n a to m ía in te rn a d e l c o ra zó n de los m a m ífe ro s .
La sangre fluye desde las venas pulm onares a la aurícula izquierda y luego al ven trículo izquierdo. El ventrículo izquierdo bom bea sangre a la aorta y al c ircuito sis tém ico del sistem a circulatorio. La sangre de los tejidos fluye a través de las venas cavas a la aurícula derecha y al ventrículo derecho, que bom bea la sangre a la ar teria pulm o nar y a la circulación pulm onar. Dos grupos de válvulas aseguran el flu jo unidireccional a través del corazón.
374 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 9 . 2 Evolución y diversidad Las derivaciones en los cocodrilos
Los cocodrilos se diferencian de los dem ás
zación de la sangre provocada por la secreción de los áci
reptiles por disponer de cuatro cámaras en el
dos digestivos en el estóm ago. Cuando el animal está
corazón con dos aurículas y dos ventrículos que se encuen
activo y respirando aire, la presión sanguínea es alta en el
tran com pletam ente divididos por un tabique muscular. Sin
ventrículo izquierdo, comparada con el ventrículo derecho.
embargo, com o otros reptiles, poseen tres vasos sanguí
La sangre oxigenada fluye desde el ventrículo izquierdo
neos principales que conducen la corriente hacia el exterior
tanto a la aorta derecha (a través del orificio de Panizza y la
del corazón. La aorta derecha sale del ventrículo izquierdo,
anastom osis arterial), com o a la aorta izquierda debido a
m ientras que la arteria pulm onar y la aorta izquierda salen
que la presión en la aorta derecha es alta en comparación
del ventrículo derecho (véase la Figura A). La aorta derecha
con la presión en la aorta izquierda. Esto im pide que la san
envía sangre principalm ente al cerebro y a la circulación
gre desoxigenada del ventrículo derecho pase a la circula
anterior, m ientras que la aorta izquierda envía sangre princi
ción sistém ica. Por el contrario, fluye casi por com ple to a
palm ente a las visceras y las partes posteriores del animal.
los pulmones.
Las aortas se encuentran conectadas en dos puntos del
La válvula situada en la entrada de la arteria pulm onar
sistem a circulatorio: el orificio de Panizza, una pequeña
tam bién ayuda a controlar la corriente sanguínea entre dife
abertura ubicada en la base de las aortas, cerca del corazón,
rentes partes del sistem a circulatorio. A diferencia de las
y una anastom osis arterial (conexión entre dos estructuras)
válvulas a m odo de com puertas de otros vertebrados, esta
ubicada en el abdomen.
válvula posee dientes form ados por nodulos de tejido con
Debido a la separación com pleta de los ventrículos, los
juntivo. Los dientes se engranan entre ellos, form ando un
cocodrilos no pueden derivar sangre desde la circulación
cierre ajustado. El nivel de epinefrina en la corriente sanguí
sistém ica a la pulm onar (una derivación l-D), pero sí son
nea controla la posición de los dientes en esta válvula y por
posibles las derivaciones D-l (véase la Figura B). Cuando la
lo tanto la válvula se encuentra controlada activam ente en
presión de la sangre en los ventrículos izquierdo y derecho
lugar de sólo abrir y cerrar el paso en respuesta a los cam
es la m ism a, com o es de esperar en los cocodrilos que se
bios de presión del corazón. Cuando el cocodrilo se
encuentran en reposo respirando aire, la sangre oxigenada
encuentra en reposo, bajo el agua, y los niveles de epine
del ventrículo izquierdo es dirigida a través de la aorta al
frina son reducidos, los dientes se cierran, desviando la
cerebro, m ientras que la sangre desoxigenada acídica fluye
sangre fuera de la arteria pulmonar. Cuando el cocodrilo
a través de la aorta izquierda hacia los órganos viscerales,
está activo, los dientes se abren, perm itiendo a la sangre
donde contribuye a la digestión, contrarrestando la alcalini-
flu ir hacia el interior de los pulmones.
La san g re que reg resa al corazón desde el cuerpo p rim ero p a sa a través de las dos v en a s cavas su p erio r e inferior (vena cava superior y vena cava inferior) y p en etra en la aurícula derecha. A conti nuación, la san g re p a sa a través de la válvula AV derecha, o tricúspide, al ventrículo derecho. El ven trículo derecho bom bea la sangre a través de la vál vula sem ilunar pulm onar hacia el interior de la arte ria pulm onar que conduce a los pulm ones. La sangre viaja a través del lecho capilar pulm onar donde se oxigena. Sale de los pulm ones a través de las venas pulm onares que conducen a la aurícula izquierda. La sangre luego viaja desde la aurícula izquierda pasan d o p o r la válvula VA izquierda, o bicúspide, al ventrículo izquierdo. El ventrículo izquierdo bom bea la san g re a través de la válvula sem ilunar aórtica hacia la aorta. La ao rta se ram ifica
en pequeñas arterias y luego en arteriolas, y final m ente conduce a los lechos capilares de la circula ción sistém ica. Desde estos lechos capilares la sangre viaja a través de las vénulas y las venas, final m ente drenando en la vena cava y regresando a la aurícula derecha.
Ciclo cardiaco El corazón de los vertebrados funciona como im órgano integrado, por el que cada un a de las cavida des se contrae en puntos determ inados d urante el ciclo cardiaco. La Figura 9.18 ilustra el ciclo cardiaco del cora zón de un m am ífero. Como se trata de un ciclo, pode m os com enzar arbitrariam ente nu estra evaluación de
C A P ÍTU LO 9
Los coco d rilo s utilizan la válvula con die n te s para cerrar el siste m a pulm o nar cuando se s u m ergen bajo el agua a descansar, lo que les p e rm ite
perm anecer
s u m e rg id o s durante varias horas sin inundar sus p u lm o nes.
Vena cava
Orificio de Panizza
Anastomosis
R eferencias
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Vena pulm onar Arteria pulm onar
Aorta
Sistem as circulatorios 375
O rificio de Panizza
Tabique ventricular (com pleto)
F ig u ra A
los hechos en cualquier punto. Comencemos en el punto m arcado como paso 1. En este punto, la aurí cula y los ventrículos se encuentran distendidos y las válvulas VA están abiertas, pero las válvulas sem ilu n ares se encuentran cerradas. En los m am íferos y las aves, la sangre que reg resa al corazón p asa a través de las aurículas y se introduce en los ventrículos de form a pasiva, sin acción de bom beo del corazón. En el paso 2 , las aurículas se contraen, pero los ventrícu los perm anecen distendidos. El bom beo de las aurícu las em puja algo de sangre adicional a los ventrículos h asta que alcanzan el volum en teled iastólico, el volum en m áxim o de sangre en el ventrículo. A continuación, en el paso 3, los ventrículos com ienzan a contraerse. El aum ento de presión cau sado por esta contracción cierra la válvula VA. Debido a que las válvulas sem ilunares se encuentran cerra
das en este mom ento, el ventrículo pasa a ser un com partim ento com pletam ente sellado y la sangre no puede fluir fuera de él. La sangre, como otros líquidos, no se puede comprimir, por lo que el volumen del ven trículo no varía. En cambio, la presión en el interior del ventrículo aum enta. Así, se dice que los ventrícu los experim entan un a contracción isovolum étrica (también conocida como contracción isovolúmica) debido a que el volum en de las cám aras no varía. Al final, la presión en los ventrículos es ta n alta que abre las válvulas sem ilunares y la sangre fluye de los ven trículos a las arterias en el paso 4 del ciclo cardiaco: la fase de la exp u lsión ventricular. Las cuerdas tendíneas im piden que las válvulas se abran, por lo que la sangre no puede fluir “hacia a trá s” a la aurícula. Al final de la fase de expulsión ventricular, el ven trículo com ienza a distenderse y hace que la presión
376 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
( j , 1Diástole ventricular La presión en la aurícula supera la presión ventricular. Las válvulas AV se abren y los ventrículos se llenan de manera pasiva.
2) Sístole auricular La contracción auricular impulsa sangre adicional a los ventrículos.
(5 ) Diástole ventricular A medida que el ventrículo se distiende, la presión en las arterias supera la presión ventricular y cierra las válvulas semilunares.
( 3 ) Sístole ventricular (contracción isovolumétrica) La contracción ventricular cierra las válvulas AV y aumenta la presión dentro del ventrículo.
Sístole ventricular (expulsión ventricular) El aumento en la presión ventricular abre las válvulas semilunares y la sangre se expulsa.
F ig u ra 9.18.
C ic lo c a r d ia c o de los m a m ífe ro s .
en el ventrículo decrezca (paso 5). Una vez que la pre sión ventricular disminuye por debajo de la presión en las arterias, la presión trasera produce el cierre de las válvulas sem ilunares. Durante la sístole ventricular, las aurículas h an estado en diástole: se han distendido y llenado de sangre. La presión en las aurículas llenas acaba por sobrepasar la presión en el ventrículo en distensión, y las válvulas VA se abren, lo que hace que el corazón vuelva a la configuración que se m uestra en el paso 1. Las válvulas desem peñan un papel crítico en el funcionam iento del corazón, pero son pasivas: se abren y cierran en respuesta a los cambios de la pre sión en las cavidades del corazón.
El corazón de algu nos ve rte b ra d o s se llena de fo rm a activa Los ventrículos de las aves y de los m am íferos se lle n a n de de m an era pasiva d u rante la diástole, con una p equeña contribución de la contracción auricular, p ero éste no es el caso de todos los vertebrados. Por ejemplo, en los peces y en algunos anfibios, los ven trículos se llenan principalm ente po r la contracción de las aurículas. A dem ás, los elasm obranquios pue den utilizar la succión p ara llenar el ventrículo, de form a parecida a los corazones de los artrópodos.
Los elasm obranquios poseen un pericardio relativa m ente rígido. Cuando en ventrículo se contrae, el volum en del espacio pericardial ocupado por el ven trículo disminuye. Esto increm enta el volum en del pericardio y dism inuye la presión dentro de la cavi dad pericardial. El seno venoso y la aurícula son cám aras de paredes delgadas y u n a presión m uy reducida en el pericardio h a rá que se expandan, lo que reduce la presión en la aurícula y potencialm ente succiona la sangre hacia el corazón. Sin em bargo, el m ecanism o funcionará sólo si la presión del interior del pericardio dism inuye por debajo de la presión de las venas, y los fisiólogos cardiovasculares debaten si este m ecanism o funciona realm ente en los elasm o branquios en circunstancias fisiológicas norm ales, ya que es difícil m edir la presión exacta dentro del pericardio de un tiburón que está nadando.
Los ve n trícu lo s derecho e izq uie rdo d e sarro lla n d ife ren te s presiones D urante el ciclo cardiaco, am bos ventrículos se con traen de m an era sim ultánea, pero el ventrículo izquierdo se contrae con m ucha m ás fuerza que el ventrículo derecho y desarrolla u n a presión m ucho m ayor (Figura 9.19). La sangre del ventrículo iz
C A P ÍTU LO 9
/
Lado derecho del corazón
F ig u ra 9.19.
Sistem as circulatorios 377
\
Lado izquierdo del corazón
C a n a le s de p re s ió n en e l c o ra zó n y en la s a r te r ia s de m a m ífe ro s c om o los h u m anos.
El lado izquierdo del corazón, que abastece al c ircuito sistém ico, desarrolla sustancialm ente m ayor presión que el lado derecho, que abastece al circuito pulm onar.
quierdo viaja a través de la ao rta a los órganos del cuerpo, m ientras que la sangre del ventrículo dere cho viaja a través de la arteria pulm onar hacia los pulm ones. El circuito p ulm onar posee u n a resisten cia total relativam ente baja debido al gran núm ero de capilares dispuestos en paralelo y la relativam ente corta distancia recorrida. Debido a que la resistencia del circuito es baja, la p arte derecha del corazón no necesita bom bear con ta n ta fuerza p a ra conducir la sangre a través de los pulm ones, lo que protege los delicados vasos sanguíneos de los pulm ones.
C o n tro l de la co n tra c c ió n El corazón de los vertebrados es miógeno; sus cardio miocitos pueden producir despolarizaciones rítm icas espontáneas que dan comienzo a la contracción (véase el Capítulo 6). Sin em bargo, p ara que el cora zón se contraiga de m an era coordinada, los cardio miocitos deben estar enlazados eléctricam ente a través de uniones intercelulares com unicantes p ara que la despolarización en u n a célula pueda esparcirse
a las células adyacentes, lo que desencadena las con tracciones coordinadas. El índice de las despolariza ciones espontáneas varía entre los cardiomiocitos, ya que algunos p resentan im a frecuencia cardiaca ráp id a y otros se despolarizan m ás lentam ente. Las células con una frecuencia intrínseca m ás rápida se denom inan célu las card iorregu lad oras, debido a que determ inan el índice de contracción de todo el corazón. En los peces, las células cardiorreguladoras se encuentran ubicadas en el seno venoso y en otros vertebrados se encuentran ubicadas en el área de la aurícula derecha denom inada nodulo sin oau ricu lar (SA), cerca del pimto en donde la vena cava superior se introduce en la aurícula derecha. Se piensa que esta estructura es un rem anente del seno venoso de los peces.
Las células cardiorreguladoras inician el latido del corazón A p esar de derivar de las células m usculares, las célu las cardiorreguladoras son pequeñas con pocas miofribrillas, m itocondrias u otros orgánulos y no se
378 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
contraen. Las células poseen un potencial de m em b ra n a en reposo inestable (denom inado p otencial cardiorregulador) que lentam ente se dirige hacia arrib a desde el potencial de inicio de alrededor de - 6 0 mV h asta alcanzar el um bral (cerca de - 4 0 mV) e inicia un potencial de acción (Figura 9.20). Como en todas las dem ás células, existe u n a filtración continua de iones de potasio en el potencial de m em brana en reposo. En las células cardiorreguladoras, sin em bargo, esta perm eabilidad de potasio disminuye con el tiempo. La lenta dism inución en el movimiento del potasio contribuye a la lenta despolarización de la célula. Adem ás, las células cardiorreguladoras expe rim entan un lento m ovimiento interior de sodio, denom inado corriente “atípica” ilf) debido a su inusual com portam iento. La com binación de un m enor flujo de salida de K+ y un m ayor flujo de en trad a de Na+ hace que las células cardiorregulado ra s se despolaricen lentam ente. Cuando el potencial de m em brana de la célula cardiorreguladora alcanza el um bral, los canales de Ca2+ regulados p o r voltaje se abren y aum enta la en trad a de Ca2+, lo que despolariza aún m ás la célula. Estos canales de Ca2+ de tipo T dan como resultado im a fase de despolarización m ucho m enos
20
1 cCC
0
2
I -20 CD
E
o
-o 03
-40
C CD
o -60
D_
Tiempo (ms) Fig u ra 9 .20.
P o te n c ia le s de c a r d io r r e g u la c ió n
y de a c c ió n .
En corazones m iógenos, las células cardiorreguladoras po seen un potencial de m em brana en reposo inestable (el po tencial de cardiorregulación). Los canales atípicos se abren y aum enta la perm eabilidad (P) de la m em brana a Na+, lo que provoca el aum ento gradual del potencial de la m em brana. A m edida que la m em brana se aproxim a al um bral, los canales de Ca2+ tip o -T se abren y activan un potencial de acción. Transcurridos alrededor de 200 ms estos canales se cierran y los canales K+ se abren, lo que repolariza la célula y el ciclo vuelve a empezar.
pronunciada que la despolarización que se observa en las n euronas (provocada po r la en trad a de Na+ a través de canales de N a+ dependientes de voltaje), a p esar de que es m ás ráp id a que la despolarización provocada p or la corriente atípica. A lrededor de 200 m ilisegundos después de su apertura, estos canales de Ca2+ em piezan a cerrarse, y los canales de K+ se abren, iniciando la repolarización del potencial de acción en la célula cardiorreguladora.
El sistema nervioso puede modular el índice de los potenciales de cardiorregulación El índice de los potenciales de acción en los m arcapasos establece la frecuencia cardiaca. En la m ayoría de los vertebrados, los sistem as nervioso y endocrino pueden controlar la frecuencia cardiaca al alterar el índice de los potenciales de cardiorregulación en las células del nodulo sinoauricular o del seno venoso. La liberación de norepinefrina de las neuronas sim páticas y la liberación de epinefrina de la m édula su p rarre n al se un en a los receptores adrenérgicos 61 en las células cardiorreguladoras (Figura 9.21). Los receptores sim ulan u n a vía de señalización m ediada por AMPc que altera las propiedades de transporte de los canales de iones en las m em branas celulares. Los canales atípicos y de Ca2+ se abren, lo que aum enta la en trad a de iones Na+ y Ca2+ y aum enta el índice de despolarización de la célula. El increm ento del índice de despolarización aum enta la frecuencia de los potenciales de acción en las células cardiorre guladoras, lo cual finalm ente aum enta la frecuencia cardiaca. Estos efectos de epinefrina y norepinefrina de las células cardiorreguladoras explican los peli grosos efectos colaterales de fárm acos como la efe drina y la efedra (suplem ento a base de hierbas) que pueden unirse a los receptores adrenérgicos y provo car m ayor rapidez en la frecuencia cardiaca. La acetilcolina, liberada po r las n eu ro n as p a ra sim páticas, se une a los receptores m uscarínicos en las células cardiorreguladoras del corazón (Figu r a 9.22). Estos receptores estim ulan un a vía de transducción de señal que finalm ente conduce al increm ento de la perm eabilidad de K+. El incre m ento en el flujo de salida de K+ provoca la h ip er polarización de la célula cardiorreguladora. El potencial de cardiorregulación com ienza con un valor m ás negativo, y p o r lo tanto ta rd a m ás en alcanzar el potencial um bral. A dem ás, la unión de la acetilcolina a su recep to r dism inuye la p erm eab i lidad de Ca2+. lo que reduce el índice de despolari-
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 379
Centro de control cardiovascular (médula)
Fluido extraceluiar
Norepinefrina o
Canales atípleos
Neuronas simpáticas
Canal de Ca2+ tipo-T Norepinefrina
Médula suprarrenal
i Eplnefrina
i
f
ATP
cAMP
/ Na+
/
Ca2+
Receptores p1 de células autorrítmicas
L ¿ , __ ) | Flujo de entrada d e Na+ y Ca2+
T
(Protein quinasa) Despolarización
t índice de despolarización
I
A Frecuencia
Citoplasma
Fig u ra 9.21.
1 cardiaca E fe c to s de la n o r e p in e frin a en la fr e c u e n c ia c a r d ia c a .
La norepinefrina aum enta la frecuencia cardiaca al unirse a los receptores adrenérgicos |31, lo que activa la vía de transducción de la señal de adenilatociclasa (AC) que abre los canales de Na+ (atípico) y Ca2+ tipo-T, aum entando el índice de despolarización del potencial de cardiorregulación.
Líquido extraceluiar
Canal de Ca2+ de
Acetilcolina
Canal K+
Citoplasma
Fig u ra 9.22.
E fe c to s de la n o r e p in e frin a en la fr e c u e n c ia c a r d ia c a .
La acetilcolina dism inuye la frecuencia cardiaca al unirse a los receptores m uscarínicos, activando una vía de transducción de señal que cierra los canales de Ca2+ y abre los canales de K+. Esto im pide que los iones de Ca2+ penetren en las células y que los iones K+ salgan, lo que provoca una hiperpolarización de la red, que increm enta el tie m p o necesario para que el potencial de cardiorregulación despolarice la célula hasta el um bral.
380 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
zación d u ran te u n potencial de cardiorregulación. Junto con estos efectos dism inuye el núm ero de d es polarizaciones p o r u n id ad de tiem po, y po r lo tanto red u ce la frecuencia cardiaca.
SA Vías internodulares
Fascículo de His
Las vías con d u cto ra s d istrib u ye n la de spo larizació n por el corazón A dem ás de viajar de u n a célula a o tra a través de las u n iones in tercelu lares com unicantes, las despo larizacio n es en el corazón de los v erteb ra d o s se distrib u y en a trav és de vías conductoras especiali zad as. En los m am íferos, estas vías conductoras consisten en u n grupo de células que pu ed en distin g u irse fácilm ente p o r m edio del m icroscopio g ra cias a su ap arien cia alarg ad a y pálida. Las células co nductoras del corazón no se contraen, pero p u e den ex p erim en tar d espolarizaciones rítm icas, sim i lares a las células card io rreg u lad o ras. A lo largo de la m ayor p a rte de su longitud se aíslan eléctrica m en te del resto del m iocardio p o r m edio de u n a v ain a fibrosa. Todos los v erteb ra d o s p arecen ten er vías con d u cto ras sim ilares, a p e s a r de que en los v erteb ra d o s no m am íferos las células conductoras son m ás difíciles de v er utilizando un m icroscopio óptico. La Figura 9.23 m u estra cómo las señales eléctri cas se d esplazan p o r el corazón de un m am ífero. U na vez que las células cardiorreguladoras en el nodulo sinoauricular (SA) com ienzan un potencial de acción, la despolarización se distribuye rá p id a m ente por la vía in tern o d u la r a través de las p a re des de las aurículas. Al m ism o tiem po, la despolarización se distribuye m ás lentam ente a tr a vés de las células contráctiles de la aurícula po r las uniones in tercelulares com unicantes, lo que provoca la contracción de la aurícula. Tras viajar por la vía internodular, la despolarización alcanza el nodulo au ricu loven tricu lar (AV), que com unica la señal eléctrica al ventrículo. Las células contráctiles de la aurícula y el ventrículo no form an un a unión interce lular com unicante en tre sí, y, por lo tanto, no están un id as eléctricam ente, así que la despolarización no puede d istribuirse directam ente desde la aurícula al ventrículo, sino que sólo puede p a s a r a través del nodulo AV. El nodulo AV tran sm ite señales un poco m ás despacio que las otras células de las vías con ductoras, p o r lo que las señales se re tra s a n leve m ente. Este retraso en la señal perm ite a la aurícula term in a r de co n traerse an tes de que el ventrículo se contraiga. Esta señal viaja desde el nodulo AV a tr a vés del fa scícu lo de His (pronunciado con “H” aspi-
de Purkinje 1) El nódulo SA se despolariza y la despolarización se expande rápidamente a través de la vía ¡nternodular.
( 2) El nódulo AV retrasa la señal. ^ La despolarización se expande por la aurícula a través de las uniones intercelulares comunicantes, y provoca la contracción de la aurícula.
T
La despolarización se expande rápidamente a través del fascículo de His y las fibras de Purkinje.
( 4 ) La despolarización se expande ^ hacia arriba a travges del ventrículo, y provoca la contracción del mismo.
F ig u ra 9.23.
C o n d u c c ió n e lé c tr ic a en e l c o ra zó n de los
m a m ífe ro s .
rada), que se divide en dos haces, izquierdo y d ere cho, que conducen las señales eléctricas a los ventrí culos. La señal eléctrica se distribuye luego a una re d de vías conductoras denom inada Abras de P ur kinje. Desde las fibras de Purkinje, la señal se distri buye de célula a célula en el m iocardio ventricular a través de uniones intercelulares com unicantes. La contracción del m iocardio del ventrículo com ienza en la p arte posterior (o punta) del corazón y se dis tribuye a través del m iocardio, em pujando la sangre hacia arrib a, en dirección a las arterias.
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 381
Los potenciales de acción cardiacos cuentan con una fase am p lia da de despolarización Como se explicó en el Capítulo 6 , los potenciales de acción en los cardiom iocitos contráctiles difieren de los m úsculoesqueléticos. C uentan con u n a despola rización am pliada, d en o m inada fa se d e m e se ta (Figura 9.24). La fase de m eseta corresponde al periodo refractario del cardiom iocito, en el que no p uede g en erar otro potencial de acción. Este periodo refractario ta rd a casi tanto como el espasm o m uscular, lo que im pide que se produzcan nuevas contracciones h asta que las p rim e ras hayan finalizado. Por lo tanto, a diferencia de los m úsculoesqueléticos, el m úsculo cardiaco no p re se n ta u n a contracción tetánica, es decir, u n a contracción sos ten id a que conduce a la fatiga del m úsculo. La form a exacta y la duración del potencial de acción v aría sustancialm ente en tre los organism os y entre las células de diferentes p a rte s del corazón (Figu ra 9.24b) como resu ltad o de la variación en la expresión de las isom orfos de los canales iónicos. Por ejem plo, los m am íferos pequeños suelen ten er u n a ráp id a frecuencia cardiaca y potenciales de acción cardiacos con fases de m eseta m ás cortas que los m am íferos m ayores cuyos corazones laten m ás lentam ente.
Tiempo (ms) (a) Potencial de acción cardiaca
La a ctivida d eléctrica integrada del corazón puede detectarse con ECG La despolarización de los m úsculos cardiacos p ro duce u n a señal eléctrica fuerte que viaja a través del cuerpo y puede detectarse utilizando un in stru m ento denom inado electro ca rd ió g ra fo . Estos in s tru m en to s utilizan electrodos que se aplican en v arias zonas de la superficie del cuerpo p a ra gene r a r u n electro ca rd io g ra m a (abreviado como EKG p o r su ortografía en alem án, o ECG). Los clínicos g eneralm ente realizan ECG utilizando 12 electro dos, p ero p u ed en g en erar un ECG in terp retab le con ta n sólo tres electrodos (uno en cada m uñeca y uno en u n tobillo). Un ECG es u n a grabación com puesta de todos los p otenciales de acción de las diversas p artes del corazón, incluidas las células card io rre g uladoras, las vías conductoras y las células con tráctiles (Figura 9.25). Los desvíos en el cuadro no son potenciales de acción, y no re p re se n ta n despo larizaciones específicas de ninguna célula en con creto. Por el contrario, son m arcad o res de la actividad eléctrica de todo el corazón. La pequeña
Tiempo (ms) (b) Potenciales en diversas partes del corazón F ig u ra 9.24.
P o te n c ia l de a c c ió n en los
c a r d io m io c ito s .
(a) Fases del potencial de acción. Fase 0: La célula alcanza el potencial de um bral y los canales de Na+ dependientes de v oltaje se abren, aum entando la perm eabilidad de Na+ (PNa) y despolarizando la célula. Fase 1: Los canales de Na+ depen dientes de v oltaje de desactivan y los canales K+ se abren, provocando una corriente externa de K+ tran sitoria, que ge nera una repolarización leve. Fase 2: El rectificador in terno de los canales de K+ y de los canales de Ca2+ dependientes de v oltaje tipo-L se abren, provocando la fase de meseta del po tencial de acción. Fase 3: Los canales de Ca2+ dependientes de v oltaje tipo-L se cierran y los canales de K1se abren, pro vocando la repolarización. Fase 4: La célula regresa a ai po tencial de la m em brana en reposo, (b) Los potenciales de cardiorregulación y de acción en varios tip o s de c ardio m ioci tos en el corazón de los m am íferos. Las form as de los poten ciales de cardiorregulación y de acción difieren según las partes del corazón com o resultado de la expresión de las dife rentes iso m orfos de los canales.
382 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
El corazón fu n cio n a co m o un órg an o in te g ra d o
Normal
JU
—
—
QS
Taquicardia sinusal (con onda T invertida)
Bradicardia sinusal
Bloqueo cardiaco, tercer grado
- j ' A l -----------
Contracción auricular prematura (PAC) PAC
PAC
—
A
—
Fibrilación ventricular
F ig u ra
9.25.
In d ic a d o r e s de
ECG en
c o ra zo n e s
n o rm a le s y a rrítm ic o s .
La onda P indica la despolarización auricular. El com plejo QRS indica la despolarización v e n tric u la ry la onda T indica la repolarización ventricular.
onda P es el resu ltad o de la distribución de la d es polarización a trav és de las aurículas. El g ran com p lejo QRS es el resu ltad o de la despolarización ventricular. La o n d a T es producto de la rep o lariza ción ventricular.
Los episodios m ecánicos y eléctricos en el corazón se sincronizan, lo que perm ite que el corazón funcione como un órgano integrado. El diagram a al final de la Figura 9.26 describe las contracciones y distensiones en el ciclo cardiaco, concretam ente en el ventrículo izquierdo. El ECG que se en cuentra justo sobre el dia gram a m uestra la sincronización de los episodios eléctricos del corazón. Los sonidos del corazón, que pueden detectarse con un estetoscopio, rep resen tan la ab ertu ra y el cierre de las válvulas. Los gráficos del centro y de la p arte superior m uestran los cambios de presión y volum en en el interior del ventrículo izquierdo en el curso del ciclo cardiaco. Al com ienzo del ciclo cardiaco, el ventrículo se llena pasivam ente. A continuación, la d esp o lariza ción del nodulo SA se distribuye p o r la aurícula, ini ciando la contracción au ricu lar y bom beando algo de san g re adicional al ventrículo, que alcanza su volum en telediastólico. La despolarización se d is tribuye al ventrículo, que com ienza a contraerse. La p resió n au m en tad a cau sad a por esta con tracción cierra la válvula VA. Luego, la p resión au m en ta ráp id am en te d u ran te la fase de co n trac ción ven tricu lar isovolum étrica y se vuelve lo su ficientem ente alta como p a ra a b rir las válvulas sem ilunares. El p rim e r sonido del corazón es el resultado del desvío de las válvulas AV y la a b e r tu ra de las válvulas sem ilunares. En este punto, el ventrículo com ienza a vaciarse y la p resió n a ó r tica aum enta. Inicialm ente, la p resió n en el ven trículo sigue au m en tan d o a p e s a r de la reducción de volum en, debido a que la contracción m uscular continúa, pero la p resió n ven tricu lar alcanza rá p i dam ente un pico y com ienza a descender. Justo después, el ventrículo com ienza a d istenderse en tran d o en diástole ventricular. Cuando la p resión v en tricu lar desciende p o r debajo de la presió n en la aorta, la válvula aó rtica se cierra. El cierre de la válvula aó rtica provoca u n breve episodio de flujo tu rb u len to y u n pequeño increm ento en la p resión aórtica, denom inado escro tad u ra dícrota. La p r e sión v en tricu lar desciende ráp id am en te y, u n a vez que es m ás b aja que la p resió n auricular, la válvula AV se ab re. El segundo sonido del corazón es el resultado del cierre de la válvula aó rtica y de la a b e rtu ra de las válvulas AV. En este punto, la sa n gre fluye desde la aurícula al ventrículo, lo que reduce la p resió n au ricu lar e inicia el llenado v en tricular.
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 383
En esta ecuación se puede ver clara m ente que un anim al puede m odular la frecuencia cardiaca, el volumen sistólico o am bos parám etros. Ya hem os visto que los sistem as nervioso y endocrino pueden m odular la frecuencia cardiaca cam biando las propiedades de las células card io rre guladoras del nódulo sinoauricular. La dism inución en la frecuencia car diaca se denom ina bradicardia, m ientras que el aum ento en la fre cuencia cardiaca se denom ina ta quicardia. La regulación de la frecuencia cardiaca po r medio de cam bios en el índice de despolariza ción del nódulo sinoauricular se denom ina a m enudo cronotropía. En otro caso, el sistem a nervioso sim pá tico puede aum en tar la frecuencia cardiaca increm entando la velocidad de la conducción de la despolariza ción a lo largo de las vías conductoras del corazón, fenóm eno conocido por el nom bre de dromotropía.
Los sistemas nervioso y endocrino pueden modular el volumen sistólico El sistem a nervioso y el endocrino pueden tam bién m odular la con trac tilidad (o el índice y fuerza de la con tracción) del corazón m ediante la alteración de alguna de las propie dades del acoplamiento contracciónexcitación cardiaca, fenómeno que recibe el nom bre de inotropía. Si el corazón se contrae con m ás fuerza, Fig u ra 9.26. R e su m e n de los e p is o d io s e lé c tr ic o s y m e c á n ic o s d e l c ic lo bom beará m ás sangre con cada c a r d ia c o . latido, increm entando el volum en sis tólico. La liberación de norepinefrina por las neuronas sim páticas y la libe El gasto cardiaco es el producto de la ración de la epinefrina circulante por el sistem a endo frecuencia cardiaca y el volumen sistólico crino aum entan la contractilidad (Figura 9.27). Estas La cantidad de sangre que el corazón bom bea por m oléculas de señalización se unen al receptor adreunidad de tiem po se denom ina gasto card iaco (CO), nérgico 131 en los cardiomiocitos contráctiles. La y es producto de la frecuencia cardiaca (HR) y de la unión de estas moléculas al receptor activa una vía de cantidad de sangre que bom bea el corazón en cada transducción de señal m ediada por AMPc que activa latido, o el volum en sistó lico (SV). una protein quinasa que fosforila diversas proteínas, que dan como resultado la contractilidad aum entada CO = HR x SV a través de cuatro m ecanism os.
384 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Fluido extracelular
( O La unión de norepinefrina o epinefrina cambia la forma del receptor p i, que activa una proteína G asociada.
Norepinefrina o epirefrina
Proteína G
t
La subunidad de la proteína G activa la adenilatociclasa.
t
La adenilatociclasa cataliza la conversión de ATP a AMPc.
AMPc La AMPc activa la protein quinasa A. Protein quinasa inactiva
Protein quinasa activa
La protein quinasa fosforiliza los canales Ca2+ de tipo L, lo que permite la entrada de Ca2+ a la célula, estimulando la contracción.
Actina Retículo sarcoplasmático
Miosina
Citoplasma Fig u ra 9 .27.
(§ ) La protein quinasa fosforiliza los canales de Ca2+ en el retículo sarcoplasmático, lo que permite la entrada de Ca2+ al citoplasma, estimulando la contracción.
f
La protein quinasa fosforiliza la miosina, estimulando la contracción.
(o ) La quinasa proteica fosforila la Ca2"1 ATPasa sarcoplasmática, lo que acelera la eliminación de Ca del citoplasma durante la distensión y disminuye el tiempo de distensión.
E fe c to s de la n o r e p in e frin a y la e p in e fr in a en la c o n tr a c tilid a d del c a r d io m io c ito .
La norepinefrina y la epinefrina aum entan la contractilidad al unirse a los receptores (31 en el c a rdio m iocito y activando una vía de transducción de señal m ediada por la adenilatociclasa (AC) que activa la proteincinasa, que fosforiliza varias proteínas y provoca un aum ento en el índice y la fuerza de la contracción.
• La fosforilación de los canales de Ca2+ de tipo L en la m em b ran a celular perm ite el Ca2+ aum entado en la célula en respuesta a la des polarización. • La fosforilación de las proteínas en la m em b ra n a del retículo sarcoplasm ático provoca la liberación de m ás Ca2+ en respuesta a un potencial de acción. • La fosforilación de m iosina aum enta el índice de la ATPasa de la actinom iosina, aum entando el índice de ciclo de puente cruzado y la veloci dad de contracción. • La fosforilación de Ca2+-ATPasa del retículo sarcoplasm ático aum enta el Ca2+ reabsorbién dolo en el retículo sarcoplasm ático y aum en tando el índice de distensión.
El resultado de estos cuatro m ecanism os es que los cardiom iocitos se contraen m ás rápido y con m ás fuerza en resp u esta a la estim ulación sim pática, aum entando el volum en sistólico del corazón. En com paración, la estim ulación del sistem a n e r vioso parasim pático provoca un descenso en el volu m en sistólico por medio de la activación de las vías de transducción de señal que reducen la señal intracelular de Ca2+. En los m am íferos, los efectos parasim páticos son relativam ente débiles en el ventrículo, pero tienden a ser fuertes en las aurículas.
El volumen telediastólico modula el volumen sistólico Adem ás de la regulación extrínseca de la frecuencia cardiaca y el volum en sistólico por los sistem as n e r
C A P ÍTU LO 9
vioso y endocrino, el corazón tam bién experim enta u n a au torregu lación p o r los m ecanism os regulado res intrínsecos. Si se au m enta experim entalm ente el volum en telediastólico, el ventrículo bom bea con m ás fuerza y el volum en sistólico aum enta (Figu ra 9.28), fenóm eno conocido como m ecanism o de Frank-Starling. El m ecanism o de Frank-Starling es el resultado de la relación longitud-tensión del músculo que hem os explicado en el Capítulo 6 . Al estirar un m úsculo v aría la fuerza de contracción alterando el grado de superposición entre la actina y la m iosina dentro del sarcóm ero. Los cardiom iocitos se diferen cian de otros tipos de m úsculo estriado en que suelen ser m ás cortos de la longitud n ecesaria p a ra la con tracción óptim a, de m odo que, al estirar un cardio-
(a) Mecanismo de Frank-Starling
(b) Efectos de la actividad simpática en el mecanismo de Frank-Starling Fig u ra 9.28.
Sistem as circulatorios 385
miocito, la fuerza de contracción aum enta. Cuando la sangre se introduce en el ventrículo, el increm ento de volum en provoca el estiram iento del ventrículo, y cuanta m ás sangre en tra al corazón al final de la diástole, m ayor el grado de estiram iento. Por lo tanto, el volum en telediastólico (el volum en máximo d urante el ciclo cardiaco) es un índice de la cantidad de estiram iento im puesto en los cardiomiocitos. El m ecanism o de Frank-Starling perm ite al cora zón com pensar autom áticam ente los aum entos de la cantidad de sangre que regresa al corazón. Im agínese lo que p asaría si no existiera el m ecanism o de FrankStarling. Si el volumen sistólico fuera constante al enfrentarse a un aum ento en el retom o venoso al corazón, el corazón bom bearía u n a fracción m enor de la sangre que regresa a él. Suponiendo que la fre cuencia cardiaca ha perm anecido constante, la sa n gre se dejaría en el ventrículo como “resto” y se acum ularía lentam ente en el corazón, aum entado su volumen. Al final, esto provocaría la distensión de los ventrículos h asta el punto que ya no podrían con traerse con eficacia. Por tanto, el m ecanism o de Frank-Starling protege al corazón de un aum ento anorm al en su volumen. En condiciones fisiológicas norm ales el corazón nunca se estira hasta el punto de reducir la generación de fuerza. Sin em bargo, esto puede ocurrir en algunas situaciones patológicas. Los controladores extrínsecos como el sistem a nervioso tienen m ás funciones adem ás de los m eca nism os de autorregulación del m ecanism o de FrankStarling; sim plem ente varían la posición de la relación longitud-tensión del músculo cardiaco (Figura 9.28b). El increm ento en la actividad sim pática desplaza la curva hacia arrib a (representando un aum ento de contracción en un volum en telediastólico determ i nado), m ientras que la actividad sim pática dism i nuida desplaza la curva hacia abajo (lo que representa u n descenso en la fuerza de la contracción).
I La c irc u la c ió n
M e c a n is m o de F r a n k -S ta r lin g .
(a) El volum e n sistólico aum enta a m edida que aum enta el volum e n telediastólico. Cuando el volum en teled iastólico es reducido, los cardio m iocitos son más cortos que la lo ngitud norm al necesaria para la contracción m áxim a. Al aum entar el volum e n teled iastólico se estira el m úsculo, aum enta su lo n gitu d y se increm enta la generación de fuerza. Cuanto m ayor es la fuerza generada, m ayor es el volum e n sistólico. (b) Los cam bios en la actividad sim pática alteran la posición de la curva. Un aum ento en la actividad sim pática desplaza la cur va hacia arriba, m ientras que una dism inució n en la actividad desplaza la curva hacia abajo.
Al dejar el corazón, el líquido circulatorio entra en la circulación. En un sistem a circulatorio abierto, la hem olinfa puede discurrir p arte del cam ino en el interior de los vasos sanguíneos, pero por lo m enos en u n a p arte de su recorrido p a sa rá a través de los senos, entrando en contacto directo con los tejidos. En un sistem a circulatorio cerrado, la sangre fluye a través de los vasos sanguíneos en toda su ruta. En esta p arte del capítulo, com enzam os exam inando la
386 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
física que subyace al flujo p o r los sistem as de tubos y espacios. Teniendo en cuenta estos principios, a con tinuación tratarem o s la estructura y función de los sistem as circulatorios, centrándonos en los sistem as circulatorios cerrados de los vertebrados.
La física de la corriente sanguínea A p esar de que los sistem as circulatorios abiertos y cerrados varían en su estructura, todos los sistem as circulatorios utilizan los m ism os principios físicos básicos p a ra que los líquidos fluyan po r todo el cuerpo. Por la ley del flujo global (Q = AP/R), sabem os que el flujo (Q) en un sistem a circulatorio es propor cional a la caída de presión (AP) a lo largo del sis tem a, e inversam ente proporcional a la resistencia (R) del sistem a. Ya hem os visto cómo las contraccio nes del corazón u otras estructuras de bom beo gene ra n los gradientes de presión que hacen que los líquidos fluyan. En esta p arte del capítulo observare m os cómo la arqu itectu ra del sistem a circulatorio y las propiedades del líquido circulatorio influyen sobre la resistencia de la circulación. Podem os en ten d er qué d eterm ina la resistencia de un sistem a circulatorio pensando en los factores que influyen en el flujo a través de u n a pajita. ¿Es m ás fácil b eb er líquidos con u n a pajita muy larga o con un a pajita m ás corta? ¿Cuál es la diferencia entre b eb er con u n a pajita estrecha o u n a pajita m ás ancha? ¿Cuál es la diferencia entre tom ar un batido y agua (líquidos con u n a v iscosid ad m uy diferente) con u n a pajita? Podem os cuantiflcar estas relaciones m atem áticam ente de la siguiente m anera: R = 8Iri/jtr 4 donde R es la esistencia del tubo, L es la longitud del tubo, "n es la viscosidad del líquido y r es el radio del tubo. Sustituyendo esta relación en la ley del flujo global, obtenem os la ley de Poiseuille: Q = A ftir7 8 Z .r| A p esar de que los supuestos de la ley de Poiseuille no se adecúan perfectam ente a los sistem as circulato rios anim ales (véase la Caja 9.3), igualm ente p ropor ciona u n a idea aproxim ada de cómo los líquidos fluyen a través de los sistem as circulatorios. Debido a que la resistencia es inversam ente pro porcional al radio a la cu arta potencia, pequeños cam bios en el radio del tubo ocasionan grandes cam
bios en su resistencia. Muchos anim ales (tanto verte brados como invertebrados) son capaces de contro lar el flujo a través de sus órganos cam biando el radio de los vasos sanguíneos que llevan a esos órga nos, proceso denom inado vasocon stricción o vasodilatación. D urante la vasoconstricción, el radio de los vasos sanguíneos dism inuye, aum entando la resistencia y reduciendo el flujo po r el vaso. D urante la vasodilatación, el radio de los vasos sanguíneos aum enta, reduciendo la resistencia y aum entando el flujo. Debido a que pequeños cam bios en el radio ocasionan grandes cam bios en la resistencia, u n a pequeña vasoconstricción y vasodilatación puede ocasionar grandes cam bios en el flujo.
El flujo total es constante en todas las partes del sistema circulatorio La ley del flujo global es m uy sim ilar a otro principio físico básico, la ley de Ohm, que cuantiflca el com por tam iento de u n a carga en un circuito eléctrico. La ley de Ohm se suele rep re sen tar como V = IR (donde V = voltaje, I = corriente y R = resistencia). Si reordenam os esta ecuación, podem os escribir I = V/R. La corriente eléctrica (/) es sim plem ente el flujo de elec trones y es, por tanto, equivalente al flujo de líquidos (Q). La caída de voltaje en el circuito es el m otor del movim iento de la corriente y equivale al gradiente de presión (AP). La resistencia eléctrica es análoga a la resistencia de fricción de los vasos sanguíneos. La ley de Ohm y la ley del flujo global cuantiflcan un fenó m eno físico fundam ental que se relaciona con la segunda ley de Newton. Las sustancias se m ueven debido a que u n a fuerza actúa sobre ellas y este movim iento es im pedido por la resistencia. Debido a esta sim ilitud, podem os rep re sen tar sistem as circu latorios de form a ta n simple como si fueran circuitos eléctricos (Figura 9.29). Como resistores eléctricos, los vasos sanguíneos pueden colocarse en serie o en paralelo. La resisten cia total de un circuito con resistores colocados en serie es la sum a de las resistencias individuales, o Rr = R1 +
••■
Sin em bargo, cuando los resistores están colocados en paralelo, la resistencia total se determ ina de la siguiente m anera: 1/R t = l / « , + 1/R 2 + 1/R3 ■■■ Cuando se agregan resistores en serie, la resistencia total del circuito aum enta, pero cuando se agregan
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 387
Caja 9.3
R e f u e r z o m a t e m á t ic o L e y d e P o i s e u il le
A pesar que la ley de Poiseuille constituye
se m ueve de form a lineal a lo largo de los vasos sanguíneos.
un m arco útil para considerar la física del sis
No obstante, el perfil de velocidad de la sangre no es idén
tem a circulatorio, los sistem as circulatorios reales infringen
tico en todo el diám etro del vaso. La corriente es más lenta
estos supuestos. La ley de Poiseuille supone que los tubos
cerca de las paredes debido a los efectos de la fricción. La
del sistem a no tienen ram ificaciones y son rígidos, y que el
ley de Poiseuille no tiene en cuenta este efecto. En los
flujo sólo afecta a un líquido sim ple que se desplaza de
vasos mayores, el flujo es laminar pero pulsátil, aum en
form a constante a través de los tubos. En los sistem as cir
tando cuando el corazón se contrae y dism inuyendo entre
culatorios reales, los vasos se ramifican y dilatan, cam
contracciones. El resultado final de este com plejo patrón de
biando su diám etro a m edida que la presión varía; el flujo es
flujo es que el perfil de velocidad es más uniform e y la direc
a m enudo pulsátil, aum entando y dism inuyendo con los
ción del flujo varía a medida que el corazón late.
latidos del corazón, y el líquido es una mezcla com pleja de plasma y células.
La naturaleza com pleja de la sangre tiene im portantes efe c to s sobre su viscosidad. La viscosidad del com po
El grado hasta el cual un vaso sanguíneo se expande
nente acuoso de la sangre, llam ado plasma, es reducida
com o respuesta a un aum ento de presión se denomina
(aproxim adam ente 1,8 veces la viscosidad del agua pura),
d is te n s ib ilid a d C y es igual a
pero la sangre entera tie n e una viscosidad aproxim ada m ente tres o cuatro veces m ayor que la del agua debido a
C = A I//A P
la presencia de los glóbulos sanguíneos. Debido a que se trata de una mezcla de com ponentes con diferentes visco
donde V es el volum en y V es la presión. Los vasos con una
sidades, la sangre actúa com o un líquido no new toniano:
distensibilidad alta se estiran fácilm en te cuando se expo
su viscosidad varía en función del tam año del tubo por el
nen a la presión, m ientras que los vasos con una distensibi
que fluye, fe n óm eno denom inado e fe c to d e F a h ra e u s -
lidad baja se estiran m enos. Si representam os en una
L in d q v is t. El e fecto de Fahraeus-Lindqvist ocurre debido a
gráfica la variación de volum en fre n te al cam bio de presión
que la sangre tiend e a separarse en vasos sanguíneos
de un vaso sanguíneo representativo, la pendiente de la
m enores en los que los glóbulos sanguíneos son arrastra
línea es la distensibilidad del vaso. La distensibilidad de un vaso sanguíneo no es constante: ésta dism inuye a presio
das a un flujo de m ayor velocidad en el centro del vaso, m ientras que el líquido cerca de las paredes consta m ayor
nes y volúm enes m ayores y los vasos se "en d u re ce n " a
m ente de plasma. El com pone nte de "gran visco sidad " en
presiones altas. La distensibilidad de un vaso suele eva
el centro de los vasos sólo tie n e interacciones m enores
luarse generalm ente en condiciones de equilibrio, pero los
con las paredes de los vasos, m ientras que el plasma de
vasos sanguíneos tardan un tiem po en estirarse, fenóm eno
"baja viscosidad" interactúa con las paredes del vaso,
conocido com o efecto de W indkessel. En esencia, los
reduciendo la viscosidad aparente del líquido. Por el con
vasos sanguíneos pueden almacenar la energía potencial
trario, en vasos de m uy poco tam año, los glóbulos sanguí
transm itida por la presión y liberarla posteriorm ente. Como
neos llenan casi el diám etro c om ple to del vaso y tienen
verem os más adelante en el capítulo, este efecto es im por
que cam biar de form a para caber por el reducido espacio.
tante en las arterias.
A sim ism o, en esos pequeños vasos los glóbulos sanguí
La corriente turbulenta es relativam ente rara en el sis
neos tienden a pegarse entre sí y a las paredes de los
tem a circulatorio; sólo tiene lugar en el corazón y en algunos
vasos sanguíneos, y estos tre s factores ju nto s aum entan
puntos de ramificación de los vasos. En la corriente turbu
en gran m edida la viscosidad aparente del líquido.
lenta, el líquido se m ueve en un patrón com plejo de remoli
A pesar del incum plim iento de los tres presupuestos, la
nos y espirales, orientados en diferentes direcciones con
ley de Poiseuille aún supone un m odelo conceptual ade
respecto al eje principal del flujo. En la mayoría de los vasos
cuado de flujo a través de los sistem as circulatorios y ayuda a
sanguíneos, el flujo es bastante laminar, por lo que el líquido
explicar la arquitectura de los sistem as circulatorios animales.
resistores en paralelo, la resistencia total del circuito dism inuye. En los sistem as circulatorios, los resisto res se colocan tanto en serie como en paralelo. Por ejemplo, en los sistem as circulatorios de los m am ífe
ros, las arterias están en serie con las arteriolas, capilares, vénulas y venas. Sin em bargo, dentro de u n a clase de vasos sanguíneos m uchos vasos pueden colocarse en paralelo. Por lo tanto, a p esar del radio
388 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
pequeño de u n capilar y su alta resistencia resul tante, la resistencia total de un lecho capilar puede ser baja debido a la g ran cantidad de vasos sanguí neos colocados en paralelo. Debido a la ley de conservación de la m asa, el flujo en cada uno de los segm entos de un sistem a cir culatorio debe ser igual. Por ejemplo, en la Figu r a 9.29b, el flujo total en el punto A y el punto B es el m ism o. Sin em bargo, la cantidad de flujo en cada uno de los vasos sanguíneos paralelos en el punto B no tiene por qué ser igual. La proporción de flujo que p asa por cada vaso sanguíneo paralelo depende de las resistencias relativas de los vasos sanguíneos. Tal y como indica la ley de flujo global, la sangre tiende a to m ar la vía con m enos resistencia; fluirá m ás sangre a través de u n vaso sanguíneo con resistencia baja que a través de uno con resistencia alta. Si conoce m os el flujo y la resistencia totales de cada uno de los vasos en paralelo, podem os calcular la cantidad de flujo que p asa p o r cada vaso, utilizando la ley del flujo global.
Circuito eléctrico
Vasos sanguíneos
Resistor — w v ---- ---- VA---r2 R^ :«3 R j—R-\ + R¿ + R3
O
Bomba á
fl 1
(a) Resistores en serie
R^
La velocidad del flujo está determinada por la presión y el área de sección transversal El flujo es, por definición, u n a relación: el volum en de líquido transferido po r unidad de tiempo. No obs tante, cuando el líquido fluye tam bién recorre cierta distancia por unidad de tiem po, es decir, tiene una velocidad. La velocidad de la corriente sanguínea en un vaso sanguíneo está inversam ente relacionada con el área de sección transversal del vaso sanguí neo. P ara visualizarlo, no hay m ás que p en sar en lo que le sucede a un volum en de agua m ientras fluye a través de las partes estrechas y anchas de un río. Debido al principio de conservación de la m asa, la m ism a cantidad de flujo (volumen por unidad de tiempo) debe p a s a r tanto a través de la p arte estre cha del río como a través de la p arte ancha del río, pero, como resultado, su velocidad (distancia reco rrid a por unidad de tiem po) debe ser m ayor en el canal m ás estrecho. Entonces, ¿qué sucede si un río ancho se divide en m uchos canales pequeños, tales como los que se p odrían encontrar en el delta de un río? En este caso, la velocidad del flujo en los canales pequeños depende del área total de sección transversal de los canales. El flujo se dividirá entre los canales, por lo que la m asa se conservará en el sistem a en conjunto, pero todo el flujo no tiene que p asar a través de uno cualquiera de los canales m enores. La velocidad del flujo en los canales m enores será inversam ente pro porcional al área total de sección transversal de todos los canales juntos. Si hay suficientes canales pequeños, el flujo será m ás lento que en la parte ancha del río. Podem os resum ir estas relaciones de la siguiente m anera: Velocidad de la sangre = Q/A
(b) Resistores en paralelo Fig u ra 9.29.
R e s is to re s en s e r ie y en p a r a le lo .
Los sistem as circulato rios son análogos a circuitos eléctricos con resistores colocados tanto en serie com o en paralelo, a) La resistencia to ta l (RT) de un circuito con resistores coloca dos en serie es la suma de cada una de las resistencias (ft, + R2 + R3). (b) La resistencia to ta l de un grupo de resistores co locados en paralelo dism inuye si aum enta la cantidad de re sistores. El flu jo total en cada punto de un circuito (A, B, C, D, E) es igual, pero el flu jo se divide entre los resistores coloca dos en paralelo, según la resistencia de cada ram ificación.
donde A es igual al área total de sección transversal de los canales. Exactam ente el m ism o razonam iento se aplica a los sistem as circulatorios. En las zonas donde un único vaso sanguíneo m ayor se divide en m uchos vasos sanguíneos pequeños colocados en paralelo, la velocidad del flujo seguram ente dism inuirá a m edida que la sangre entra en los num erosos vasos peque ños (suponiendo que el área total de sección tra n s versal de todos los vasos pequeños es m ayor que la del único vaso m ayor). Esta relación entre velocidad y área de sección transversal es significativa p a ra im sistem a circulatorio, ya que las sustancias ta rd a n en propagarse entre la sangre y los tejidos. Los capila
C A P ÍTU LO 9
res, que son el sitio principal de intercam bio de sus tancias, tienen u n área total de sección transversal m uy elevada y, por lo tanto, tienen velocidades de flujo m uy bajas, lo que contribuye a la difusión.
La gravedad afecta al sistema circulatorio Debido a los efectos de la gravedad, un a colum na vertical de líquido sin obstrucciones ejerce u n a p re sión, llam ada presión hidrostática, sobre los objetos que se en cu en tran p o r debajo de ella (Figura 9.30a). La p resión hidrostática ejercida po r u n a colum na de líquido es, p o r tanto, u n a función de los efectos de la gravedad y la altu ra de la columna. Podem os expre sa r esta relación m atem áticam ente de la siguiente m anera:
Sistem as circulatorios 389
superior de la colum na de líquido. Los líquidos tien den a fluir desde las zonas de energía potencial alta a las zonas de energía potencial baja. En esencia, la sangre “cae” hacia abajo en el sistem a circulatorio. Cuando la sangre vuelve a subir por el cuerpo al corazón, debe m overse contra un gradiente de en e r gía potencial gravitatorio. Este com ponente de la presión hidrostática está ausente cuando la persona está recostada (como en la Figura 9.30c). En general, m ientras trabajem os el m aterial en este capítulo, ignorarem os el com ponente gravitatorio de las fuer-
AP = pg Ah donde AP es la diferencia de presión entre dos puntos de la colum na de líquido, p es la densidad del líquido, g es la aceleración de la gravedad y Ah es la altura de la colum na de líquido (Figura 9.30a). Como se puede com probar en esta ecuación, la presión hidrostática es im a m edida de la energía potencial gravitatoria de la colum na de líquido. La Figura 9.30b m u estra la presión sanguínea en varias p artes del cuerpo hum ano cuando está de pie. G eneralm ente, la presión sanguínea observada está relacionada con la presión atm osférica circundante, p o r lo que la p resión sanguínea que se m u estra en la figura es en realidad la cantidad en la cual la presión de la sangre su p era la presión atm osférica am bien tal. Por ejemplo, del gráfico se puede observar que la presión sanguínea arterial m edia cerca del corazón hum ano es aproxim adam ente 13 kPa, pero la p re sión real es 13 kPa, m ás aproxim adam ente 101 kPa (la presión atm osférica a nivel del m ar), p ara un total de 114 kPa. Como m u estra la Figura 9.30b, la presión m edida en los tobillos es m ayor que la presión cerca del corazón. Si los líquidos fluyen desde las zonas de alta p resión a las zonas de baja presión, ¿cómo puede el corazón b o m b ear sangre hacia los pies? Esta anom alía se explica p or el hecho de que la p re sión m edida en los tobillos es la sum a de la presión ejercida p o r el corazón m ás la presión hidrostática ejercida por la sangre en el sistem a circulatorio “em pujando hacia abajo” sobre la sangre de los tobi llos. La presión hidrostática en realidad rep re sen ta la energía potencial gravitatoria de la colum na de san gre, y la energía potencial es m ayor en el extrem o
(a) Presión hidrostática kPa
mm Hg
Corazón
13,5 kPa
13,6 kPa
13,3 kPa
(c) Presión sanguínea medida al estar recostado F ig u ra 9.30.
Los e fe c to s de la g r a v e d a d s o b re la p re s ió n
s a n g u ín e a .
Generalmente, la presión sanguínea se m ide en kilopascales (kPa), la unidad SI de presión, o en m ilím etros de m ercurio (m m Hg), la unidad más com únm ente utilizada en el diagnósti co médico. 100 m m Hg equivale a 13,3 kPa. (a) La presión hi drostática es el resultado de la energía potencial gravitatoria de la colum na de líquido, (b) En un ser hum ano de pie, la presión sanguínea arterial es m ayor en los pies y m enor en la cabeza. (c) Cuando un hum ano está recostado, la presión sanguínea ar terial es más alta en el corazón y más baja en los pies.
390 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
zas que actúan sobre los sistem as circulatorios y supondrem os que estam os hablando de sistem as cir culatorios sin los efectos de la gravedad, pero volve rem os sobre este tem a al final p a ra un ir todas las fuerzas que influyen sobre los sistem as circulatorios.
Vasos sanguíneos de los vertebrados Los vasos sanguíneos de los vertebrados son estruc tu ras tubulares huecas que constan de u n a pared compleja que rodea u n a lu z central. En los v erteb ra dos, las p ared es de los vasos sanguíneos están com p uestas de h asta tres capas (Figura 9.31). La capa m ás in tern a del vaso sanguíneo es la tú n ica íntim a o
túnica interna. Consta de un revestim iento interior llam ado el en d otelio vascular, com puesto por una lám ina lisa de células epiteliales y u n a m em brana basal llam ada la capa subendotelial, que sostiene el endotelio vascular. La tú n ica m edia, o capa interm e dia, de un vaso sanguíneo está com puesta en su m ayor p arte de músculo liso y lám inas de la elastina de proteína de la m atriz extracelular que envuelven la túnica íntim a. La contracción y distensión del m ú s culo liso de la túnica m edia da lugar a la vasocons tricción y la vasodilatación. La capa m ás exterior de la pared del vaso sanguíneo se llam a tú n ica ex tern a o tú n ica ad ven ticia y está com puesta en su m ayor p arte de fibras de colágeno que sujetan y refuerzan el vaso sanguíneo.
Túnica externa-
Túnica externa
Túnica media—
Túnica media
Túnica íntima—
Túnica íntima
Endotelio
Endotelio
Túnica externa-
Túnica externa
Túnica media—
Túnica media
Túnica íntima
Túnica íntima
Endotelio
Endotelio Vena
Túnica externa-
Túnica media
Endotelio — Endotelio Vénula
Endotelio Capilar Fig u ra 9 .31.
V a r ia c io n e s en la e s tru c tu ra de los v as o s s an g u ín e o s .
Se m uestran en sección transversal porciones representativas de vasos sanguíneos del circuito sistém ico del sistem a circulato rio de un m am ífero. Las arterias y venas están com puestas por tres capas (la túnica externa, la túnica m edia y la túnica íntim a) de grosor variable, recubiertas por un endotelio. Los vasos más pequeños com o las arteriolas, capilares y vénulas carecen de una o más de estas capas.
C A P ÍTU LO 9
El espesor de la pared varía entre los vasos sanguíneos El espesor de las capas de las paredes del vaso varía en g ran m edida entre los diferentes tipos de vasos sanguíneos. Las arterias son vasos sanguíneos de g ran diám etro y pared es gruesas, con u n a túnica externa y u n a túnica m edia gruesas. Las arterias m ás cercanas al corazón tienen u n a túnica externa espe cialm ente gruesa, que las hace m uy elásticas. Las arterias m ás alejadas del corazón tienden a tener u n a túnica m edia m ás gruesa y a veces se denom inan arterias m usculares. Las arteriolas tienen paredes m ás delgadas y u n a túnica externa m ás extensa. Las arteriolas m ayores tienen un a túnica m edia relativa m ente m ás extensa, com puesta de capas gruesas de m úsculo liso, pero en las arteriolas m enores, la túnica m edia consta de u n a única capa de músculo liso dispuesta en form a de espiral alrededor del endotelio. Las células del m úsculo liso perm iten que las arteriolas se vasoconstrifian y vasodilaten. Los capilares carecen de túnica m edia y túnica externa, y disponen de paredes extrem adam ente del gadas com puestas de una única lám ina de células endoteliales, envueltas en ocasiones en un pericito contráctil. Estas paredes delgadas perm iten que las sustancias pasen entre la sangre y los tejidos. Las sus tancias pueden p asar a través de las paredes capilares de varias formas. Las sustancias solubles en lípidos pueden p asar a través de la m em brana celular por simple difusión. Las vesículas transportan grandes sustancias solubles en agua, tales como proteínas, a través de la célula en u n proceso llamado transcitosis. Las moléculas pequeñas tales como el agua o los iones pueden p asar a través de la pared capilar a través de una vía paracelular, a través de los poros entre las células de la pared capilar. Los capilares tienen diám e tros m uy reducidos y a m enudo sólo son lo suficiente m ente grandes p ara que los glóbulos sanguíneos pasen por ellos. Los capilares están organizados en redes entretejidas llam adas lech os capilares, por lo que la m ayoría de los histiocitos no están separados de un capilar por m ás de tres o cuatro células. La estructura de la túnica íntim a varía entre los capilares (Figura 9.32). Los cap ilares continuos se encuentran en la piel y los músculos. Las células del endotelio vascular de estos capilares se m antienen jun tas por medio de uniones ajustadas. Sin em bargo, la junta entre las células no es completa, sino que deja zonas de m em brana sin unir que perm iten que los líquidos y las moléculas pequeñas pasen desde la san gre al líquido intersticial. Sin embargo, como vimos en
Sistem as circulatorios 391
Uniones herméticas Célula endotelial Hendidura intercelular
(a) Capilar continuo
Uniones herméticas Célula endotelial Hendidura intercelular Fenestraclones (poros) (b) Capilar fenestrado
Uniones herméticas Célula endotelial Hendidura intercelular (c) Capilar sinusoidal F ig u ra 9 .32.
V a r ia c ió n en la e s tru c tu ra c a p ila r .
(a) En un capilar contin uo, las células endoteliales están co nectadas a través de uniones herm éticas, ib) En un capilar fenestrado, las células endoteliales tienen varios poros ovalados (fenestraclones) que perm iten el m o v im ie n to regu lado de solutos, (c) En un capilar sinusoidal, las células endoteliales están unidas de form a laxa y las m oléculas de m ayor tam año pueden m overse entre las células.
el Capítulo 8, los capilares del sistem a nervioso central están especialmente bien unidos, perm itiendo el paso de pocas moléculas, lo cual form a la b arrera hem ato encefálica. Los capilares fen estrad os son similares a los capilares continuos salvo en que las células del endotelio vascular contienen num erosos poros cubier tos por un diafragm a delgado. Las moléculas pequeñas y los líquidos pueden p asar fácilmente a través de estos poros, y, por lo tanto, los capilares fenestrados se encuentran en zonas del cuerpo especializadas en el intercam bio de sustancias, tales como partes del riñón, los órganos endocrinos y el intestino. Los capilares sin u soid ales son los m ás porosos de los capilares y se encuentran sólo en órganos muy especializados como
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Integrando sistem as fisiológicos
el hígado y la m édula ósea. Tienen m enos uniones ajustadas y m ás espacios entre las células. Esta estruc tu ra perm ite que las proteínas de m ayor tam año pasen a través de la pared capilar. Los capilares se vacían en vénulas, que llevan a las venas, que devuelven la sangre al corazón. Gene ralm ente, una vena tiene una pared m ás delgada y u n a luz m ayor que una arteria del mismo tam año. Como resultado, las venas p resentan u n a m ayor distensibilidad y pueden estirarse fácilmente. En con creto, la túnica m edia de las venas es m ucho m ás delgada que la de las arterias. Sin em bargo, la túnica externa es a m enudo m ás prom inente que en las arte rias. Las venas se diferencian de las arterias en que algunas venas (en especial las de las extremidades) contienen válvulas unidireccionales p ara evitar el flujo de retom o de sangre. Las válvulas son parte de la túnica íntim a. Durante m uchos años, los fisiólogos suponían que la túnica íntim a era estructuralm ente sim ilar en las arterias y las venas, y que diferían sólo en el espesor. No obstante, estudios recientes con el pez cebra h an dem ostrado que el endotelio vascular de las arterias y las venas expresan un subconjunto de genes diferente, lo que indica una diferenciación fun cional que antes no había sido apreciada. Es preciso observar que la distinción de arterias y venas se realiza en función de si tran sp o rtan sangre que fluye hacia el corazón o desde el corazón, no de si llevan sangre oxigenada o desoxigenada. Por ejem plo, la arteria pulm onar, que fluye desde el ventrículo derecho a los pulm ones, tran sp o rta sangre desoxige nada, m ientras que la vena pulmonar, que fluye desde los pulm ones a la aurícula izquierda, tran sp o rta san gre oxigenada. Por el contrario, la aorta (la arteria g rande que sale del ventrículo izquierdo) transporta sangre oxigenada, m ientras que la vena cava (la vena g rande que se dirige a la aurícula derecha) lleva san gre desoxigenada.
vez que el útero se d esarrolla d u ran te el estro o ciclo m enstrual. En los seres hum anos, esto ocurre cada m es. De form a similar, se deben form ar nuevos vasos sanguíneos p a ra c u rar u n a herida. Sabem os m ucho acerca de los m ecanism os involucrados en la angiogenia y estos descubrim ientos están ayu dando en la bú squeda de un tratam iento p a ra enfer m edades como el cáncer y la cardiopatía (véase la Caja 9.4).
El flujo en los sistemas circulatorios de los vertebrados Como se m uestra en la Figura 9.33, la presión sanguí n ea varía en las diferentes partes del sistem a circula-
Los vasos sanguíneos experimentan angiogenia D urante el desarrollo em brionario de los v erte b ra dos, los vasos principales del sistem a circulatorio crecen en u n a re d de arterias, arteriolas, capilares, vénulas y venas, que perm an ece b astan te estable a lo largo de la vida adulta. Sin em bargo, a p e s a r de esta estabilidad general, los vasos m enores sufren u n a constante rem odelación a lo largo de su vida, proceso denom inado a n g io gen ia. Por ejemplo, como verem os en el Capítulo 15, en los m am íferos h em b ra, nuevos vasos sanguíneos se form an cada
Fig u ra 9.33.
P re s ió n , v e lo c id a d y á r e a de s e c c ió n tr a n s
v e rs a l to ta l en e l s is te m a c ir c u la t o r io de los v e rte b ra d o s .
La presión es variable en el ventrículo, alta y más constante en las arterias y baja en gran m edida en las arteriolas. La v elo cidad de la sangre es inversam ente proporcional al área de sección transversal total de esa parte del sistem a circulatorio.
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 393
Caja 9.4 Genética y genómica Angiogenia Los vasos sanguíneos pequeños com o las arteriolas, capilares y vénulas están som eti dos a una rem odelación constante. Este proceso, denom i
un bucle de retroalim entación negativa, m anteniendo la hom eostasis del oxígeno de los tejidos. Actualm ente, se están estudiando los activadores e inhi
nado angiogenia, está controlado por m oléculas tanto
bidores angiógenos com o
activadoras com o inhibidoras que influyen sobre el ritm o de
enferm edades tales com o cáncer y enferm edad de las
crecim iento y la división de las células endoteliales vascula
arterias coronarias. Los tum o res cancerosos secretan altos
posibles tratam ientos
para
res. En circunstancias norm ales, los factores inhibitorios
niveles de m oléculas activadoras angiógenas, lo que hace
son dom inantes, y las células endoteliales rara vez se divi
que los nuevos vasos sanguíneos crezcan para sum inistrar
den, pero cuando se necesitan nuevos vasos sanguíneos
oxígeno y nutrientes al tum or. El crecim iento del tu m o r
(com o cuando se está curando una herida), el cuerpo
depende de este sum inistro, por lo que bloquear la angio
secreta m oléculas activadoras angiógenas que prom ueven
genia puede detener o retrasar el crecim iento del tumor.
el crecim iento de vasos sanguíneos.
Varias docenas de fárm acos inhibidores de la angiogenia se
La angiogenia com ienza cuando las células de la región
están analizando en la actualidad com o posibles tratam ien
donde se desarrollará el vaso sanguíneo (el sitio objetivo)
tos para el cáncer. Algunos de estos fárm acos son sim
secreta uno o más factores de crecim iento angiógenos.
plem ente factores antiangiógenas que se producen naturalm ente, m ientras que otros bloquean la producción
Estas proteínas son m oléculas de señalización paracrinas que se unen a los receptores en las células endoteliales de
de m etaloproteasas de matriz, o aspectos de la cascada de
los vasos sanguíneos existentes. La unión del factor de cre
transducción de la señal angiógena.
cim iento con su receptor activa una cascada de transduc
Los fárm acos que estim ulan la angiogenia tam bién
ción de señales que ayuda a disolver la m embrana basal del
están siendo probados para el tratam iento de diversas
endotelio y ocasiona que las células endoteliales proliferen.
enferm edades, incluidas la enferm edad arterial coronaria y
a continuación
la diabetes. En la enferm edad arterial coronaria, las arterias
m igran por los orificios hacia el sitio objetivo, disueltos en la
que sum inistran oxígeno al m úsculo cardiaco que trabaja
pared del vaso existente. Unas proteínas de m embrana
son bloqueadas por depósitos de grasa denom inados pla
especializadas llamadas integrinas ayudan a sacar vaso
cas. Estas placas inhiben la corriente sanguínea al m úsculo
sanguíneo que se está desarrollando. Unas enzimas deno
cardiaco, privándolo de oxígeno. Los tratam ientos actuales
minadas m etaloproteasas de matriz ayudan a disolver los
para la enferm edad arterial coronaria incluyen el reemplazo
tejidos que se hallan por delante de las células endoteliales
quirúrgico de la sección del vaso sanguíneo bloqueado,
que están avanzando, a fin de dejar sitio para el nuevo vaso
pero los investigadores están analizando los factores de
sanguíneo. Una vez en el lugar, las células endoteliales se
crecim iento angiógenos com o una form a de hacer surgir
juntan, form ando el tubo del vaso sanguíneo y se fijan las
nuevos vasos sanguíneos que vayan hacia el corazón.
Las
células
endoteliales
proliferativas
otras células de un vaso sanguíneo (m úsculo liso, pericitos), com pletando el desarrollo del nuevo vaso.
En la fase final de la diabetes, los vasos sanguíneos com ienzan a fallar y la circulación a los pies puede ser m uy
D eterm inados factores, tales com o heridas y bajos nive
escasa. Com o resultado, los tejidos pueden verse privados
les de oxígeno (hipoxia) en el tejido, pueden prom over la
de oxígeno y morir. Por lo tanto, una de las com plicaciones
angiogenia. Cuando las células están hipóxicas, aum entan
de la diabetes no tratada puede ser la gangrena de los
los niveles de proteína factor-1a (Hif-1 ex) inducible por hipo
dedos de los pies, que puede requerir la am putación. Los
xia. Hif-1cc es parte de un com plejo de factores de trans
factores de crecim ien to angiógeno pueden ayudar a retra
cripción. Cuando los niveles de Hif-1 a aum entan, el
sar el proceso de esta enferm edad al prom over el creci
com plejo del factores de transcripción se traslada hacia el
m iento de nuevos vasos sanguíneos y al ayudar a m ejorar
núcleo y se une a los prom otores de diversos genes induci
el sum inistro de oxígeno. Este tratam ien to no es una cura,
bles por hipoxia. Uno de estos genes codifica una proteína
puesto que no repara la causa subyacente de la degenera
activadora angiógena llamada factor de crecim iento endo-
ción de los vasos sanguíneos, pero puede reducir la grave
telial vascular (Veg-f). Veg-f se une a los receptores en las
dad de los síntom as. Adem ás, el papel de la angiogenia en
células endoteliales vasculares y produce la angiogenia,
los pacientes con diabetes es com plejo y varía de órgano a
aum entando la densidad de vascularización en el área. La
órgano. De hecho, una com plicación de la diabetes, la reti-
vascularización aum entada puede sum inistrar más oxígeno
nopatía diabética, es el resultado del exceso de angioge
a los tejidos, reduciendo la hipoxia tisular. Por lo tanto, la
nia, que daña los tejidos de la retina del ojo, y ocasiona
respuesta angiógena a la hipoxia de los tejidos actúa com o
potencialm ente ceguera.
394 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
torio. Se puede com probar que la presión sanguínea en el ventrículo izquierdo es muy variable. Durante la sístole ventricular, la presión es muy alta y durante la diástole es baja. La presión sistólica alta en el ventrí culo izquierdo expulsa la sangre hacia la aorta. La aorta es u n vaso de gran tam año con relativam ente poca resistencia, por lo que la presión perm anece b as tante alta a m edida que la sangre viaja a lo largo de ésta y las siguientes arterias. Debido a que las arterio las son vasos relativam ente estrechos (en com para ción con las arterias) y son relativam ente pocas en cantidad (en com paración con los capilares), tienen la m ayor resistencia de todo el sistem a circulatorio. Por lo tanto, la presión disminuye enorm em ente a m edida que la sangre viaja por las arteriolas y continúa bajando a m edida que la sangre pasa a los capilares, vénulas y venas. P ara cuando la sangre regresa al corazón, su presión supera ligeram ente la am biental. El gradiente de presión entre el ventrículo izquierdo y la aurícula derecha ocasiona que la sangre fluya por el sistem a de acuerdo con la ley del flujo global. La velocidad de la corriente sanguínea tam bién varía en g ran m edida a lo largo del sistem a circulato rio (Figura 9.33). La velocidad de la sangre es mayor en las arterias y venas y m enor en los capilares, debido a que la velocidad de la sangre es inversa m ente proporcional al área de sección transversal total del sistem a circulatorio en cualquier punto. La baja velocidad de la sangre, com binada con las p a re des delgadas de los capilares, perm ite un intercam bio eficaz de sustancias entre los capilares y los tejidos.
Las arterias disminuyen las fluctuaciones de presión Es preciso observar que las fluctuaciones de presión en las arterias son m ucho m ás pequeñas que las que tienen lugar en el ventrículo izquierdo. La aorta actúa como u n depósito de presión y dism inuye las fluctuaciones en la p resión sanguínea que ocurren d u ran te el ciclo cardiaco (Figura 9.34). D urante la sístole, el ventrículo ráp id am ente em puja sangre h acia la aorta. Debido a que la aorta se divide en vasos sanguíneos progresivam ente m ás estrechos, la salida desde la ao rta tiene u n a resistencia relativa m ente alta, p o r lo que en lugar de sim plem ente fluir h acia el resto del sistem a circulatorio, la sangre tiende a atascarse y ejercer presión en las paredes g ruesas y elásticas de la aorta. Esta presión hace que la ao rta se expanda. Debido a que las p aredes de la ao rta son elásticas, actúan de form a sim ilar a un reso rte que alm acena energía a m edida que se estira.
Ventrículo izquierdo
(a) Contracción ventricular
(b) Distensión ventricular F ig u ra 9.34.
La a o rta c om o d e p ó s ito de p re s ió n .
(a) La sangre fluye rápidam ente en la aorta durante la fase de expulsión de la contracción ventricular, em pujando hacia fu e ra las paredes de la aorta y haciendo que ésta se expanda, ib) A medida que el corazón se distiende, la corriente sanguí nea hacia la aorta cesa, pero el flu jo hacia las arteriolas co n ti núa, reduciendo la presión aórtica. El retroceso elástico de las paredes arteriales ayuda a em pujar la sangre a través del sis tem a vascular, m anteniendo la presión y el flujo.
Cuando el corazón entra en diástole, la sangre deja de fluir hacia la aorta. Sin em bargo, la sangre continúa saliendo de la ao rta hacia las arteriolas, reduciendo la presión dentro de la aorta. Esto equi vale a soltar un resorte: las p aredes de la aorta vuel ven de nuevo a su lugar. Este retroceso elástico im pulsa la sangre a través del sistem a circulatorio y m antiene la presión aórtica, que es m ayor que la p re sión diastólica en el ventrículo, dism inuyendo las fluctuaciones de presión asociadas con el ciclo car diaco. Debido a la naturaleza elástica de la aorta, la presión aórtica es m ayor que la presión ventricular d urante algunas partes del ciclo cardiaco, pero la vál vula sem ilunar aórtica evita el flujo de retorno de sangre desde las arterias al corazón.
La presión arterial media está determinada por las presiones sistólica y diastólica La presión en la aorta se denom ina p resión sa n g u í n ea arterial. A p esar de que las fluctuaciones de presión de la aorta no son ta n grandes como las del
C A P ÍTU LO 9
ventrículo, la p resión sanguínea arterial sigue variando con las fases del ciclo cardiaco, desde su máxim o, la p resión sistó lica, a su m ínimo, la p r e sión diastólica. La Tabla 9.1 m uestra algunos valo res típicos p a ra las presiones sistólica y diastólica en algunos vertebrados representativos. Los fisiólogos a m enudo consideran la p resión a rteria l inedia (MAP), o la presión sanguínea m edia en las arterias a lo largo el ciclo cardiaco, lo que les perm ite ignorar la natu raleza pulsátil de la presión sanguínea y apli car al sistem a cardiovascular los sim ples principios físicos del flujo de líquidos. La MAP puede calcularse de la siguiente m anera: MAP = 2/3 presión diastólica + 1 /3 presión sistólica Por lo tanto, con los datos de la Tabla 9.1, podem os calcular que la presión arterial m edia en los hum a nos está generalm ente alrededor de 93 m m Hg en reposo. Sin em bargo, la longitud de la diástole varía según la frecuencia cardiaca, po r lo que, a frecuen cias cardiacas altas, la MAP se aproxim a m ás como m edia de las presiones sistólica y diastólica.
Las arteriolas controlan la distribución sanguínea W a l I l C ^ v l l Las arteriolas desem peñan un papel im portante en el sistem a circulatorio porque se pueden vasoconstreñir y vasodilatar, alterando su resistencia y la corriente sanguínea a los tejidos periféricos. Debido a que las
Tabla 9 .1 .
Sistem as circulatorios 395
arteriolas que conducen a los diversos lechos capila res pueden colocarse en paralelo, un anim al puede redistribuir la corriente sanguínea a los diversos órganos. Por ejemplo, durante el ejercicio, las arterio las que conducen al intestino y al riñón se vasoconstriñen, m ientras que las arteriolas que llevan a los m úsculoesqueléticos se vasodilatan, dism inuyendo el flujo a los órganos internos y aum entando el flujo a los músculoesqueléticos. Al igual que con la regulación del corazón, tanto los factores extrínsecos (tales como los sistem as n e r vioso y endocrino) como los factores intrínsecos (incluido el estado metabólico del tejido) controlan el diám etro de las arteriolas y, po r lo tanto, regulan la proporción de la corriente sanguínea que conduce a los tejidos específicos. Los m ecanism os de control intrínsecos son especialm ente im portantes p ara regular el flujo al corazón, cerebro y m úsculoesquelético, m ientras que los factores extrínsecos son los controladores m ás im portantes de la corriente sa n guínea a órganos tales como el intestino.
La autorregulación miógena mantiene la corriente sanguínea Algunas de las células del m úsculo liso alrededor de las arteriolas son sensibles al estiram iento y la con tracción cuando la p resión sanguínea del interior de las arteriolas aum enta. La au torregu lación m ió g e n a actúa como un bucle de retroalim entación negativa que ayuda a m an ten er en un nivel cons
P res io n e s s is tó lic a y d ia s tó lic a en a n im a le s re p re s e n ta tiv o s .
Especie
Presión sistólica (m m Hg)
Presión diastólica (m m Hg)
Homo sapiens (humano)
120
80
Equus caballus (caballo)
100
60
Rattus norvegicus (rata)
130
90
Canisfamiliaris (perro)
140
80
Loxodonta africana (elefante africano)
120
70
Columba livia (paloma)
135
100
Turdus migratorius (petirrojo)
118
80
Pseudemys scripta (tortuga verde o tortuga de Florida)
31
25
Rana catesbeiana (rana toro)
32
21
Oncorhynchus my kiss (trucha arco iris)
45
33
Ictalurus punctatus (bagre de canal)
40
30
Octopus vulgaris (pulpo)
27
15
396 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
tan te la co m e n te sanguínea a un tejido. Cuando au m en ta el flujo en u n a arteriola, aum enta la p re sión en la p ared arteriolar, estirando el m úsculo liso. Este estiram iento h ace que el m úsculo liso se con traiga, constriñendo la arteriola. E sta dism inución del diám etro arterio lar au m enta la resistencia y dis m inuye el flujo, dism inuyendo la presión, lo que h ace que el m úsculo liso se distienda. No obstante, la actividad m etabólica de u n tejido y su dem anda de oxígeno puede v a ria r con el tiem po y, por lo tanto, la n ecesidad de corriente sanguínea varía. Por ejem plo, cuando se está sentado sin m overse, los m úscu los de las p iern as tien en u n a dem an d a de oxígeno relativam ente b aja y poca sangre fluye hacia ellas. Sin em bargo, al correr, los m úsculos requieren m ás oxígeno, p o r lo que debe fluir m ás sangre al tejido.
Tabla 9 .2 .
Otros m ecanism os p a ra controlar la corriente sa n guínea en tran en juego cuando cam bian las necesi dades de los tejidos.
La actividad metabólica del tejido influye en la corriente sanguínea Las células del m úsculo liso vascular que ro d ean a las arteriolas son sensibles a las condiciones en el líquido extracelular que las rodea. Se contraen o dis tienden en respuesta a las variaciones de las concen traciones de sustancias tales como oxígeno, dióxido de carbono, H+, K+ y diversas señales p aracrin as (Tabla 9.2). En general, los cam bios en el líquido extracelular que están asociados con el aum ento de actividad causan vasodilatación, m ientras que los
F a c to re s q u e in flu y e n en la v a s o c o n s tric c ió n y v a s o d ila ta c ió n .
Sustancia
Fuente
Tipo
Estiramiento de las paredes arteriolares
Aumento de presión sanguínea
Autorregulación miógena
Norepinefrina
N euronas simpáticas
Neuronal
Endotelina
Endotelio vascular
Paracrina
Prostaciclina
Tejido dañado
Paracrina
Serotonina
Plaquetas
Paracrina
Sustancia P
Tejido dañado
Paracrina
Vasopresina
Neurohipófisis
Endocrina
Angiotensina II
Plasma
Endocrina
Vasoconstricción
Vasodilatación Hipoxia
Múltiples tejidos
Metabolito
C0 2
Múltiples tejidos
Metabolito
H+
Múltiples tejidos
Metabolito
K+
Múltiples tejidos
Óxido nítrico
Endotelio vascular
Péptido natriurético auricular
Miocardio auricular
Endocrina
Histamina
Mastocitos del sistem a inmunológico
Paracrina (también acciones sistemicas en niveles altos)
Paracrina
Epinefrina
Médula adrenal
Endocrina
Acetilcolina
N euronas parasim páticas para el tejido de erección del clitoris o pene
Neural
Bradiquinina
Múltiples tejidos
Paracrina
Adenosina
Células hipóxicas
Paracrina
C A P ÍTU LO 9
cam bios que están asociados con la dism inución de la actividad causan vasoconstricción. Por lo tanto, las dism inuciones en el oxígeno o los aum entos en el dió xido de carbono tienden a causar vasodilatación. La vasodilatación au m en ta la corriente sanguínea al tejido, llevando m ás oxígeno y sacando los productos de desecho. Esto reduce la señal a la célula muscular, en u n bucle de retroalim entación negativa, im pi diendo que el flujo aum ente m ás de lo necesario (Figura 9.35). Las moléculas de señalización paracrinas libera das del endotelio vascular tam bién tienen un efecto profundo sobre el músculo liso vascular (Tabla 9.2). Por ejemplo, el óxido nítrico gaseoso es un im portante vasodilatador. En realidad, las células del músculo liso vascular liberan u n a pequeña cantidad de óxido nítrico todo el tiempo, lo que ayuda a m antener a las arteriolas dilatadas. Sin em bargo, la producción de óxido nítrico está fuertem ente inducida por las histam inas, lipopolisacáridos bacterianos y otras sustan cias asociadas con el daño al endotelio vascular. El
Sistem as circulatorios 397
aum ento del óxido nítrico causa vasodilatación, aum entando la corriente sanguínea a las zonas d añ a das. Éste es un m ecanism o im portante que subyace a la inflamación. El óxido nítrico tam bién es liberado en las arteriolas de los músculoesqueléticos durante el ejercicio, causando vasodilatación, lo que aum enta el sum inistro de oxígeno al músculo que trabaja. El óxido nítrico activa la enzim a guanilato ciclasa en el músculo liso vascular. La guanilato ciclasa cata liza la conversión de GMP en GMPc, lo que hace que la célula m uscular se distienda, causando vasodilatación. La GMPc es rápidam ente descom puesta por la enzima fosfodiesterasa, evitando que la arteriola perm anezca dilatada perm anentem ente y perm itiendo que se con traiga o dilate según lo necesite. El fármaco sildenafil (Viagra) específicamente tiene como objetivo una iso morfo de la fosfodiesterasa que se encuentra en las arteriolas del pene. El sildenafil evita que la GMPc se descomponga, prolongando los efectos del óxido nítrico y causando la vasodilatación en los vasos del pene, lo que produce una erección prolongada.
Los sistemas nervioso y endocrino regulan el diámetro arteriolar
F ig u ra 9.35.
La re s p u e s ta d e l m ú s c u lo lis o a r te r io la r al
a u m e n to de la a c tiv id a d m e ta b ó lic a .
Adem ás de los m ecanism os de control intrínseco y local, las arteriolas responden a controladores extrínsecos tales como los sistem as nervioso y endo crino. El sistem a nervioso sim pático controla el m ús culo liso que rodea las arteriolas. En los vertebrados, el sistem a nervioso sim pático siem pre m antiene cierto grado de tono vasom otor por lo que las a rte riolas se constriñen ligeram ente. Los aum entos o dis m inuciones en la actividad de estas neuronas sim páticas pueden alterar el grado del tono vasom o tor al actu ar sobre los m úsculos lisos que rodean las arteriolas. La norepinefrina liberada desde las n eu ronas sim páticas se une a los receptores adrenérgi cos en esas células m usculares, activando el sistem a m ensajero secundario de fosfatidilinositol y ocasio nando la vasoconstricción. Por lo tanto, los aum entos de la actividad sim pática tienden a causar vasocons tricción, m ientras que las dism inuciones en la activi dad sim pática tienden a causar vasodilatación. Como señalam os en el Capítulo 4, el sistem a nervioso sim pático se estim ula como p arte de la re s puesta de pelear o huir. D urante esta resp u esta, la sangre es dirigida desde órganos tales como el intestino y los riñones hacia los m úsculoesqueléti cos y el corazón, p rep aran d o al cuerpo p a ra la acción. La norepinefrina liberada desde el sistem a nervioso sim pático constriñe los m úsculos lisos v as
398 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
culares de las arterio las que llevan al intestino y los riñ o n es y la vasoconstricción resu ltan te reduce el flujo. E sta estim ulación sim pática tam bién tiende a ocasionar vasoconstricción de las arteriolas que lle g an al m úsculoesquelético y a las a rte ria s corona rias. Sin em bargo, los factores paracrin o s locales, tales como el óxido nítrico y la ad en o sin a liberada p o r esos m úsculos, cau san la vasodilatación que com pensa la vasoconstricción m ediada po r el sis tem a nervioso sim pático. Por lo tanto, el resultado g en eral es u n a vasodilatación de las arterio las que conducen a los m úsculoesqueléticos y al corazón y u n a vasoconstricción de las arterio las que conducen a los riñ o n es y al intestino. Otras tres horm onas tam bién afectan al músculo liso vascular. La vasopresina (tam bién denom inada ADH) liberada p o r la neurohipófisis y la angiostensina II, una horm ona involucrada en la regulación del riñón, prom ueven una vasoconstricción generalizada, m ientras que el péptido natriurético auricular pro m ueve u n a vasodilatación generalizada. Hablaremos de estas horm onas con m ás detalle en el Capítulo 11. Los sistem as nervioso y endocrino trabajan junto con las señales paracrinas que se relacionan con la actividad m etabólica p ara influir en el diám etro arte riolar y alterar la corriente sanguínea. Como resultado, la corriente sanguínea de cada tejido del cuerpo es, casi siempre, controlada cuidadosam ente p ara sum i n istrar la cantidad de sangre que el tejido necesita.
La presión sanguínea puede forzar líquido hacia el exterior de los capilares Desde las arteriolas, la sangre fluye a los capilares donde se realiza u n intercam bio de sustancias. Debido a la presencia de poros entre las células de la pared capilar, los líquidos pueden p asar de los capilares a los líquidos intersticiales por flujo global. Cuatro fuerzas (llamadas las fu erzas de Starling, por el fisiólogo Ernest Starling, que descubrió este principio en 1896) influyen en el flujo global de líquidos en los capilares: 1. Presión hidrostática en el capilar (Pcjp). 2. Presión h idrostática en el líquido intersticial (Pif). 3. Presión osm ótica en el capilar (ji ). 4.
Presión osm ótica en el líquido intersticial (% ).
La dirección del flujo de líquidos a través de la pared capilar es el resultado de la presión de filtración neta (NFP), que se puede expresar como NFP = v(Pcap - PiJr - v(ncap - n.J ir
Esta relación, llam ada el principio de Starling del intercam bio de líquidos, nos perm ite cuantificar el m ovimiento de líquidos a través de un capilar. La pre sión hidrostática en el capilar es el m otor principal que em puja los líquidos desde la sangre a los espacios intersticiales. Si la presión hidrostática en el capilar es m ayor que la presión hidrostática en el líquido inters ticial, los líquidos serán forzados hacia el exterior del capilar. Los capilares continuos son perm eables sólo a las m oléculas pequeñas, p ara que las proteínas plas m áticas y los glóbulos sanguíneos perm anezcan en la sangre, haciendo que la sangre tenga una presión osmótica m ayor que el líquido intersticial. Debido a que las sales y otras moléculas pequeñas están pre sentes en una concentración aproxim adam ente igual en la sangre que en el líquido intersticial, la diferencia de presión osmótica entre esos dos com partim entos se debe en gran m edida a la presencia de proteínas en sangre. Una presión osmótica debida a las proteínas se denom ina p resión oncótica. La presión oncótica m ayor en los capilares tiende a aspirar los líquidos nuevam ente hacia la sangre. El equilibrio entre estas dos fuerzas influye sobre la frecuencia y dirección del m ovimiento de los líquidos. La Figura 9.36 m uestra cómo estas fuerzas cam bian a m edida que los líquidos se desplazan por los capilares desde el lado arterial al lado venoso. La presión osm ótica de la sangre y el líquido intersticial perm anece bastante constante en todo el lecho capi lar, pero la presión hidrostática de la sangre des ciende sustancialm ente a m edida que viaja desde el extrem o arterial al venoso del lecho capilar debido a la resistencia de fricción de las p aredes capilares. En el extrem o arterial del capilar la presión de filtración n eta es positiva, lo que indica que el líquido fluirá al exterior, hacia el líquido intersticial. En el extremo venoso del capilar la presión de filtración n eta es negativa, lo que indica que el líquido fluirá de nuevo hacia el capilar. E ste equilibrio de fuerzas es cierto p a ra un capi lar ideal, pero m uchos capilares m uestran filtracio nes a lo largo de toda su longitud y algunos capilares especializados en la m ucosa intestinal reabsorben líquidos en la m ayor p arte de su longitud. Sin em bargo, sea cual sea el capilar, lo im portante es ten er en cuenta el equilibrio de las fuerzas de Star ling. Los vertebrados tienen buen control sobre la presión capilar, m ayorm ente a través de la vasocons tricción y vasodilatación de los vasos sanguíneos que llevan a los lechos capilares, y las variaciones en esos parám etros producirán cam bios en la frecuencia de la filtración de líquidos.
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 399
hum anos). Los ganglios linfáticos fil tra n la linfa y contienen glóbulos sa n E guíneos especializados llam ados E. linfocitos que m atan patógenos y -o 25 \ células cancerosas. Desde los gan ^Cap " '— cL glios linfáticos, la linfa filtrada viaja a 15 ■ través de los vasos linfáticos eferen tes que dren an en el sistem a circula torio a la altura de las venas del ^Cap > ^Cap ^C ap _ ^C ap ^Cap > ^Cap cuello. Cualquier cosa que altere el equi Corriente^ sanguínea librio entre la filtración y la re a b so r . 1 1T ' ' T í | | ( ción de líquidos a través de los lechos Filtración de la red Reabsorción de la red capilares o la función del sistem a lin F ig u ra 9.36. P re s ió n de filtr a c ió n n e ta en un c a p ila r g e n e r a liz a d o . fático, puede producir u n a acum u A! com ienzo del capilar, la presión hidrostática (P) excede la presión osm ótica del lación de líquidos en los tejidos, capilar (x), lo que da lugar a una presión de filtra c ió n neta que fuerza el líquido ha afección llam ada edem a. Por ejem cia el exterior del capilar. Al fin a l del capilar, la presión hidrostática es m enor que plo, estar sentado en la m ism a pos la presión osm ótica del capilar, lo que da lugar a una reabsorción neta que devuel tu ra por un periodo de tiempo ve algo del líquido al capilar. prolongado (como en un avión) puede reducir la corriente sanguínea en las En circunstancias norm ales, los hum anos filtran venas y hacer que la sangre se acum ule en los capila aproxim adam ente 20 litros de líquido po r día de los res de los tobillos y pies. La sangre acum ulada capilares, lo que equivale a casi seis veces el volumen aum enta la presión hidrostática del capilar, lo que total del plasm a en un ser hum ano medio. A proxim a produce un aum ento de la filtración de los líquidos dam ente 17 litros de este líquido suele reabsorberse un edem a maleolar. La hepatitis tam bién afecta la en la sangre, pero esto deja un exceso de casi 3 litros presión capilar, debido a que la m ayor p arte de las de líquido p o r día que pueden acum ularse en el proteínas plasm áticas se producen en el hígado. Si la líquido intersticial. concentración de proteína plasm ática dism inuye, la presión osm ótica del plasm a caerá, reduciendo la reabsorción de agua en el extrem o venoso de los El sistema linfático devuelve los líquidos capilares y aum entando la filtración neta, lo que p ro filtrados al sistema circulatorio duce un edem a generalizado. De form a alternativa, El sistem a linfático recoge el líquido filtrado y lo re tira r los ganglios linfáticos (por ejemplo, como devuelve al sistem a circulatorio (Figura 9.37). El parte de u n tratam iento contra el cáncer) puede com líquido en tra en el sistem a linfático a través de los prom eter la función del sistem a linfático, evitando la capilares linfáticos sin salida. Los capilares linfáti elim inación del líquido filtrado de los capilares, lo cos se u n en progresivam ente p a ra form ar vasos m ás que produce un edem a en los tejidos afectados. g randes llam ados venas linfáticas y conductos linfá El edem a pulm onar, en el que los líquidos se acu ticos, que contienen válvulas p ara evitar el flujo de m ulan en los tejidos de los pulm ones, es u n a de las retorno de la linfa y están rodeados de m úsculo liso, form as m ás peligrosas de edem a. Cuando el líquido que im pulsa la linfa hacia adelante. Adem ás, los se acum ula en los pulm ones, al oxígeno le cuesta m ás peces, anfibios, reptiles y em briones de aves tienen difundirse desde los pulm ones a la sangre. Como corazones linfáticos que ayudan a im pulsar la linfa resultado, un edem a pulm onar puede ser m ortal. Cualquier cosa que aum ente la presión de filtración en todo el cuerpo. En las aves y m am íferos, los con ductos linfáticos llevan a órganos con form a de judía n eta en los capilares del pulm ón puede ocasionar un llam ados g a n g lio s lin fáticos. Todos los vertebrados edem a pulm onar, si el índice de filtración excede cuentan ganglios linfáticos en la cavidad torácica, el aquel en el que el sistem a linfático puede elim inar el abdom en y la pelvis. A dem ás, los m am íferos tienen líquido. Por ejemplo, si un infarto d añ a el músculo los llam ados ganglios linfáticos externos ubicados en del ventrículo izquierdo, pero no d aña el ventrículo el cuello y en el punto donde se unen las extrem ida derecho, el lado derecho del corazón puede bom bear des con el torso (las áreas de la axila y la ingle en los m ás sangre por latido que el lado izquierdo del corayCap
x
36
P Cap
7tCap
= Presión hidrostática capilar = Presión osmótica capilar
3-
400 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Capilares linfáticos Ganglio linfático
»— Válvula
L /
gre al corazón. Dos bom bas principales ayudan a desplazar la sangre de nuevo al corazón: las bom b as resp irato rias y m usculoesqueléticas. Cuando los m úsculoesqueléticos se contraen, constriñen las venas aum entando la presión dentro de estos vasos sanguíneos (Figura 9.38). Las venas que están u bi cadas fuera de la cavidad torácica (pecho) contie n en válvulas. El aum ento de presión como resultado de la contracción de los m úsculoesqueléticos cierra las válvulas m ás lejanas al corazón y ab re las válvu las m ás cercanas al corazón, em pujando la sangre hacia el corazón. La contracción rítm ica de esta b om b a de m ú scu lo esq u elético ayuda a im pulsar la sangre hacia el corazón, aum entando el retorn o v en o so al corazón. Los m ovim ientos respiratorios tam bién pueden ayudar a enviar sangre hacia el corazón. Como tr a ta m os con m ás detalle en el Capítulo 10, en los v erte brados terrestre s la cavidad torácica se expande d urante la inhalación, haciendo que la presión en la cavidad torácica descienda y llevando aire a los pul-
Ganglio linfático Fig u ra 9 .37.
R e la c ió n e n tre los s is te m a s c ir c u la t o r io y
lin fá tic o de los m a m ífe ro s .
A lguno s líquidos que salen de los capilares entran al sistem a linfático. Este líquido, la linfa, fluye a través de los nodulos y conductos linfáticos y vuelve a la parte venosa del sistem a circulato rio, cerca de la aurícula derecha. Los conductos linfá ticos contienen válvulas que aseguran el flu jo unidireccional.
zón. Esto ocasiona que la sangre vuelva a los pulm o n es y aum ente la presión h idrostática en los capila res, lo que au m en ta la presión de filtración neta y puede ocasionar edem a pulm onar.
Las bombas respiratorias y del músculo esquelético contribuyen al retorno venoso hacia el corazón En el m om ento en que la san gre en tra en las venas se en cu en tra bajo u n a p resió n relativam ente baja y q ueda poca fu erza im pulsora p a ra devolver la sa n
(a) Músculo esquelético contraído Fig u ra 9.38.
(b) Músculo esquelético distendido
B o m b a d e l m ú s c u lo e s q u e lé tic o .
(a) Cuando un m úsculoesquelético se contrae, presiona la
vena, em pujando la sangre en am bas direcciones. La presión resultante abre la válvula unidireccional más próxim a y cierra la válvula unidireccional distal, em pujando la sangre hacia el corazón y evitando el flu jo de retorno, (b) Cuando el m úsculoesquelético se distiende, las válvulas de dirección única se encuentran configuradas de form a opuesta. La distensión re duce la presión sobre la válvula distal, que se abre y perm ite que la sangre fluya. La contrapresión de la sangre en el seg m ento pró x im o de la vena cierra la siguiente válvula, evitan do el flu jo de retorno.
C A P ÍTU LO 9
m ones. Esta baja presión torácica ayuda a conducir sangre a las venas de la cavidad torácica, al actuar como una bom ba resp iratoria. D urante la exhala ción, la presión en la cavidad torácica aum enta, pero las válvulas de las venas del exterior de la cavidad torácica evitan el flujo de retorno de sangre al exte rio r de la cavidad torácica. En lugar de ello, el aum ento de presión em puja la sangre en la otra dirección, hacia el corazón.
Las venas actúan como depósito de volumen Las v enas tien en p ared es m uy distensibles que se estiran fácilm ente; pequeños aum entos en la presión sanguínea producen gran d es cam bios en el volum en de las venas, en com paración con el volum en de las arterias (Figura 9.39). Como resultado, las venas p u ed en actu ar como u n depósito de volum en p a ra la sangre. De hecho, en los m am íferos las venas gene ralm en te alm acenan m ás del 60% del volum en total de sangre del cuerpo. El sistem a nervioso sim pático regula la proporción de sangre en el sistem a venoso frente al sistem a arterial, alterando el tono venom otor. Los m úsculos lisos que rod ean las vénulas y las venas p eq u eñ as contienen receptores a-ad ren érgicos. La n orepinefrina liberada de las neuronas sim páticas se une a esos receptores, lo que hace que el m úsculo liso se contraiga, reduciendo el diám etro de las venas. Debido a que la m ayor p a rte de la sa n gre está contenida en esos num erosos vasos sanguí neos m ás pequeños, u n a dism inución en el volum en de las vénulas y venas p equeñas dism inuye el volu-
F ig u ra 9.39.
D is te n s ib ilid a d de a r te r ia s y v e n a s .
Las venas tienen m ucha más disten sibilid ad que las arterias y, por lo tanto, se estiran fácilm ente, aum entando su volum en com o respuesta a aum entos de presión.
Sistem as circulatorios 401
m en de la reserv a venosa. Esto a su vez aum enta el retorno venoso al corazón, lo que aum enta el gasto cardiaco y fuerza la sangre al lado arterial de la cir culación.
Regulación de los sistemas circulatorios de los vertebrados Podemos rescribir la ley del flujo global de la siguiente m anera, p a ra aplicarla específicamente a los sistem as circulatorios de los vertebrados, como: CO = MAP/TPR donde el gasto cardiaco (CO) es un a m edida del flujo total (Q) por todo del sistem a y TPR (resistencia p eri férica total) es la sum a de las resistencias de todos los vasos sanguíneos del cuerpo y m ide la resistencia (R) del sistem a circulatorio. Podemos aproxim am os al gradiente de presión del sistem a circulatorio (AP) usando la presión arterial m edia (MAP). El cambio de presión real en el sistem a circulatorio es MAP m enos la presión venosa central (CVP, la presión en la vena cava superior cerca de la aurícula derecha). La CVP es suele ser baja en relación con la MAP, por lo que la MAP equivale aproxim adam ente al gradiente de p re sión en el sistem a circulatorio. La presión es la fuerza im pulsora principal p ara la corriente sanguínea a través de los órganos, po r lo que m antener presión arterial m edia es el requisito m ás fundam ental p a ra el funcionam iento adecuado del sis tem a circulatorio. El cuerpo varía su CO y TPR p ara m antener la MAP dentro de límites m uy estrechos. La TPR se establece sobre todo por el estado de vasocons tricción y vasodilatación de las arteriolas, que a su vez viene determ inado por las necesidades metabólicas del tejido. El CO (y, por lo tanto, la frecuencia cardiaca y el volum en sistólico) varía como respuesta a esos cambios en TPR p a ra m antener la MAP dentro de unos límites estrechos. Así, la dem anda m etabólica de los tejidos es el regulador fundam ental del sistem a cir culatorio. La Figura 9.40 proporciona un resum en de los principales factores involucrados en la regulación hom eostática de la MAP.
El reflejo barorreceptor es el medio principal de regulación de la MAP Los b a ro rrecep to res son m ecanorreceptores sensi bles al estiram iento que están ubicados en las pare-
402 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
Número de glóbulos rojos
TPR
"T " Tono arteriolar
Viscosidad sanguínea
• f t l Sistema nervioso parasimpático
Sistema nervioso simpático + epinefrina
Volumen sanguíneo
Equilibrio entre el líquido intersticial y la sangre F ig u ra 9 .40.
Metat olitos parac rinos
Sistema nervioso simpático
Angiotensina vasopresina II
+ eplnefrina
Retorno venoso
Bomba respiratoria
Bomba muscular respiratoria
Sal + equilibrio hídrico
F a c to re s que a fe c ta n a la p re s ió n a r te r ia l m e d ia (M A P ).
CO: gasto cardiaco, TPR: resistencia periférica total; HR: frecuencia cardiaca, SV: volum e n sistólico; EDV: volum en telediastólico.
des de m uchos de los principales vasos sanguíneos. Los m ás im portantes de estos baro rrecep to res están ubicados en la arteria carótida y la aorta, a p esar de que las gran d es ven as sistém icas, las arterias pul m o n ares y las p ared es del corazón tam bién tienen b aro rrecep to res. La a rte ria carótida es la principal arteria que lleva a la cabeza, y po r lo tanto los b arorece p to res d el cu erp o ca ro tid eo controlan la p re sión sanguínea sobre el cerebro. La ao rta es la principal a rte ria que lleva a la circulación sistém ica, po r lo que los b a ro rrecep to res d el cu erp o aórtico controlan la p resió n arterial m edia. En condiciones norm ales, estos b aro rrecep to res envían una corriente constante de potenciales de acción, enviando señales a través de las n eu ro n as aferentes principales hacia el sistem a nervioso central. El cen tro de con trol ca rd iovascu lar en el bulbo raquídeo del sistem a nervioso central integra estos datos y envía señales eferentes a través de neuronas autónom as que controlan la frecuencia cardiaca, el volum en sistólico y el tono vasom otor y venomotor, po r lo que influyen sobre la p resión sanguínea. Los aum entos de la p resió n sanguínea hacen que las p ared es de las arterias se estiren, aum entando el
ritm o de activación de los baro rrecep to res y p rodu ciendo señales que dan lugar a u n a reducción de la presión arterial. Las dism inuciones en la presión sanguínea hacen que las p ared es de las arterias se distiendan, dism inuyendo el ritm o de activación de los barorreceptores. La dism inución en la activación de b aro rrecep to res produce señales eferentes que ocasionan un aum ento de la presión sanguínea. Por lo tanto, el reflejo b aro rrecep to r es un bucle de retroalim entación negativa que regula hom eostáticam ente la presión sanguínea dentro unos lím ites relativam ente estrechos. La Figura 9.41 m uestra los pasos principales del reflejo barorreceptor tra s un aum ento en la presión sanguínea. Los aum entos en la presión sanguínea estiran la m em brana de los barorreceptores en los cuerpos aórtico y carótido, aum entando el ritm o de activación del receptor y la frecuencia de los poten ciales de acción que viajan al centro de control car diovascular m edular del sistem a nervioso central. El centro de control integra los datos sensoriales entrantes y genera u n a inform ación saliente eferente tran sp o rtad a po r las neuronas autonóm icas. Hay un a dism inución de la salida sim pática que ocasiona
C A P ÍTU LO 9
Sistem as circulatorios 403
Los riñones desempeñan un papel principal en el mantenimiento del volumen sanguíneo En un sistem a cerrado, la presión y el volum en están íntim am ente relacionados. Si se au m en ta el volum en de un líquido dentro de un vaso de volu m en fijo, la p resió n dentro de ese vaso aum entará. (Éste es el principio que subyace a la contracción isovolum étrica del corazón). Por lo tanto, los aum entos en el volum en sanguíneo p ro d u cirán un aum ento de la presión sanguínea, m ien tra s que las dism inuciones del volum en sanguíneo producirán u n a dism inución de la p resión sanguínea. Las venas son distensibles y p ueden actu ar como un depósito de volum en, pero su capacidad no es infinita. Cual quier cam bio en el volum en sanguíneo que su p ere la capacidad de las venas p a ra actu ar como am o rti g uador alte ra rá la presión sanguínea. Como v ere m os en el Capítulo 11, los riñ o n es d esem peñan un p apel principal en el m antenim iento del volum en sanguíneo y, po r lo tanto, esos órganos son un com p onente im portante de la regulación hom eostática de la presión sanguínea. La Figura 9.42 m u estra cómo los cam bios en la presión arterial m edia p u e den producir cam bios en el volum en sanguíneo al alte ra r la función renal, y cómo los cam bios en el volum en sanguíneo p ueden p roducir cam bios en la presión arterial.
Los cambios en la postura corporal pueden alterar la presión y la corriente sanguínea F ig u ra 9.41.
El r e fle jo b a ro rre c e p to r.
MAP: presión arterial m edia; NE: norepinefrina; nodulo SA: nodulo sinoauricular.
im a vasodilatación. Esta dism inución de la salida sim pática en com binación con un aum ento en la salida parasim p ática ocasiona un a dism inución en la fuerza de contracción cardiaca y u n a dism inución de la frecuencia cardiaca. Estos factores en conjunto ocasionan u n a dism inución de la resistencia perifé rica y gasto cardiaco, así como u n a dism inución con com itante de la presión sanguínea. El centro cardiovascular b ulbar tam bién dism inuye la secre ción de las horm onas v asopresina y angiotensina como resp u esta al aum ento de presión sanguínea. Debido a que estas horm onas constriñen las arteriolas, dism inuir su secreción reduce la resistencia pe ri férica total.
Al estar en posición vertical, la fuerza de gravedad tiende a em pujar la sangre hacia abajo, debido a que los efectos de la gravedad sobre la colum na de sangre en el vaso sanguíneo ejercen u n a presión hidrostá tica sobre las p artes inferiores del sistem a circulato rio. Por lo tanto, cuando estam os de pie, se suele acum ular un a cierta cantidad de sangre en nuestros tobillos y piernas. Esta acum ulación produce un leve descenso en el reto m o venoso al corazón. Debido al m ecanism o de Frank-Starling, u n a reducción del retorno venoso produce u n a dism inución del volu m en sistólico y u n a caída m om entánea de la presión sanguínea arterial. Esta caída en la presión sanguí n ea pone en juego el reflejo barorreceptor, lo que activa todos los cam bios que norm alizan la presión sanguínea. Si estos reflejos no actúan lo suficiente m ente rápido, podem os experim entar u n a hipoten sión ortoestática, o baja presión sanguínea debido a la posición vertical del cuerpo. Esta bajada de la pre-
404 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
sangre llegue al cerebro sin im p o rtar la p o stu ra cor poral. Los fisiólogos siem pre h an estado fascinados por la dinám ica circulatoria de los anim ales m uy altos, como la jirafa (Figura 9.43). La cabeza de u n a jirafa puede estar a 2 m por encim a de su corazón, m ien tras que sus p iernas están a 2 m por debajo del cora zón. Por lo tanto, hay una gran b a rre ra de energía potencial gravitatoria que debe su p erar p ara bom b ear sangre a la cabeza. Es posible que p arte o la totalidad de esta energía se recupere a través de un efecto sifón, a m edida que la sangre baja de regreso hacia el corazón. Sin em bargo, los fisiólogos com pa rativos actualm ente no están de acuerdo en si este efecto es fisiológicamente relevante. En todo caso, claram ente los vasos sanguíneos m uy largos ten d rán un a gran resistencia. Una jirafa tiene un corazón m uscular extrem ada m ente grande y la presión sanguínea m ás alta cono-
F ig u ra 9.42.
R e la c ió n e n tre la p re s ió n a r te r ia l y
e l v o lu m e n s a n g u ín e o .
sión sanguínea puede producir u n a reducción en la corriente sanguínea al cerebro, que puede causar un desvanecim iento. Las perso n as que tienen reflejos b aro rrecep to res ineficaces a m enudo se sienten m aread as o se desm ayan si se levantan dem asiado rápido. G eneralm ente, los efectos del cam bio de p o stu ra corporal no son profundos p a ra los anim ales que no sean hum anos, ya que en la m ayoría de los anim ales la cabeza y el corazón se en cu en tran a altu ras sim i lares. Sin em bargo, los pro b lem as de la gravedad p u ed en se r agudos p a ra algunos anim ales. Por ejem plo, las serp ien tes arb ó re as a m enudo se colo can de form a casi vertical con la cabeza hacia arrib a cuando tre p a n a u n árbol, pero tam bién pueden q u ed arse colgadas cabeza abajo si están acechando u n a p re sa que p asa p o r debajo de ellas. El corazón de u n a serp ien te arb ó re a está ubicado m ucho m ás cerca del cerebro que en la m ayoría de las dem ás serpientes. Esta ubicación ay uda a aseg u ra r que la
F íg u ra 9.43.
E fe c to s de la g ra v e d a d s o b re e l s is te m a
c ir c u la t o r io de una jir a fa .
Los anim ales con cuellos m uy largos deben tener una presión arterial media relativam ente alta en el corazón para poder bom bear sangre a la cabeza. Las piernas largas de la jirafa tam bién aum entan en gran m edida la presión hldroestática en las piernas, lo que potenclalm ente ocasiona un problem a de edema periférico. Para com batir esta alta presión hidrostátlca, las jirafas tienen una piel extrem adam ente firm e en sus piernas que ejerce una presión hacia adentro, que se opone a la presión hldrostátlca debida a la gravedad.
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cida de entre todos los m am íferos. Con u n a presión sistólica de h asta 280 m m Hg y un a presión diastólica de 180 m m Hg al nivel del corazón, su presión sanguínea es dos veces m ayor que la de un hum ano típico. U na jirafa en reposo tam bién tienen u n a fre cuencia cardiaca m uy elevada (aproxim adam ente el doble que la de los hum anos, o aproxim adam ente 170 latidos p o r m inuto frente a 70 latidos por minuto). Esta observación es especialm ente so rp ren dente debido a que la frecuencia cardiaca tiende a dism inuir con el tam año de los mam íferos. Estas especializaciones cardiacas pueden ser necesarias p ara bo m b ear la sangre a través del circuito sisté mico de una jirafa. La alta p resión sanguínea de u n a jirafa, com bi n a d a con los efectos de la gravedad sobre la presión h idrostática dentro del sistem a circulatorio, tendería a forzar la san g re al exterior de los capilares hacia el líquido intersticial de la región m aleolar, lo que p ro duciría u n edem a periférico a falta de m ecanism os p a ra evitar este problem a. Las jirafas tienen arterias m usculares con p ared es inusualm ente gruesas en las p atas que les ayudan a controlar la corriente sa n guínea. No obstante, la diferencia m ás im portante en tre u n a jirafa y los d em ás m am íferos es que la piel de las p atas de la jirafa es extrem adam ente firme. La piel firm e ayuda a la bom ba del m úsculoesquelético a funcionar de m an era eficaz, y aum enta la presión del líquido intersticial, lo que reduce el riesgo de edem a. Cuando u n a jira fa se agacha p a ra beber, la cabeza p asa de estar varios m etros p o r encim a del corazón, a varios m etro s p o r debajo. El aum ento de p resió n h id ro stática resu ltan te en la cabeza podría h a c e r que la san g re se acum ulara en las venas, p o tencialm ente causando un edem a en los tejidos de la cabeza. Como el edem a pulm onar, el edem a cereb ral (o acum ulación de líquido alred ed o r del cerebro) puede p o n er la vida en peligro. Sin em bargo, la jira fa tiene u n a intrin cad a red de vasos sanguíneos m uy elásticos cerca del cerebro que fun cionan como u n depósito de presión que se expande p a ra acom odar el exceso de sangre cuando la cabeza b aja, evitando que se acum ule en el sistem a venoso. A dem ás, a diferencia de otros m am íferos, la v en a yugular (que viene de la cabeza) contiene u n a serie de válvulas de u n a dirección p a ra evitar el flujo de reto rn o de la sangre fuera del corazón cuando la cabeza de la jira fa están agachada. Estos m ecanism os ju n to s ay u d an a reg u lar la corriente san g u ín ea a la cabeza, sin im p o rtar la posición de la jirafa.
Sistem as circulatorios 405
I S a n g re La sangre y la hemolinfa, los líquidos circulantes de los sistemas cerrados y abiertos respectivamente, son líquidos complejos que constan de muchos com ponen tes. Estos líquidos circulantes desem peñan una gran variedad de papeles, lo que proporciona un entorno interno relativam ente constante, al transportar n u trientes, oxígeno, productos de desecho, inmunocitos y moléculas de señalización por todo el cuerpo. Como tratarem os en próximos capítulos, estos líquidos tam bién pueden tener funciones no circulatorias. Por ejem plo, la presión hidrostática ejercida por la hemolinfa ayuda a las arañas a extender sus extremidades. Tal vez haya notado que las arañas heridas o m uertas siempre tienen las patas flexionadas hacia adentro, enroscadas alrededor del cuerpo. Las arañas extienden sus extremidades al contraer los músculos del tórax. Esta contracción m uscular aum enta la presión hidros tática de la hemolinfa en el tórax, bom beando líquido hacia las patas y haciendo que éstas se extiendan hacia fuera. Las arañas heridas o m uertas ya no pueden controlar la presión hidrostática de la hemolinfa y las patas vuelven a la posición contraída, enroscada al rededor del cuerpo. De m anera similar, las lombrices y otros anélidos usan un esqueleto hidrostático para la locomoción (véase el Capítulo 13). En los insectos, los aum entos en la presión hidrostática de la hemolinfa están involucrados en la m uda y el despliegue de las alas a medida que el insecto emerge de su crisálida.
Composición de la sangre La sangre y la hem olinfa están com puestas principal m ente de agua que contiene iones y solutos orgánicos y son, por lo tanto, de com posición sim ilar al líquido intersticial. Sin em bargo, los líquidos circulantes tam bién contienen glóbulos sanguíneos y concentra ciones relativam ente altas de proteínas. Como vere m os con m ás detalles en los próxim os capítulos, m uchos anim ales m antienen la com posición de su sangre y líquido intersticial bastante distinto del am biente externo, regulando hom eostáticam ente la com posición de la sangre. Sin em bargo, en algunos anim ales la composición de los fluidos corporales varía de acuerdo con el entorno.
La sangre contiene proteínas G eneralm ente, el líquido intersticial tiene u n a con centración baja de p roteínas (en un rango de 0,2 a
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Integrando sistem as fisiológicos
2,0 g/1). Por el contrario, los líquidos circulatorios de los anim ales con v erd ad eros sistem as circula torios a m enudo contienen u n a concentración b astan te alta de p ro teín as. Por ejem plo, la con centración de pro teín a pu ed e se r de 10-90 g/1 de hem olinfa en los crustáceos decápodos, 30-80 g/1 de san g re en los v erteb rad o s y h a s ta 110 g/1 de sangre en los m oluscos cefalópodos. En los invertebrados, estas p ro teín as son p rincipalm ente pigm entos res piratorios que se utilizan p a ra tra n sp o rta r o alm a cen ar oxígeno (véase el Capítulo 10 p a ra am pliar la inform ación y sobre la estru ctu ra y función de los pigm entos respiratorios). En los vertebrados, los pigm entos resp irato rio s están ubicados en el in te rio r de las células, y, p o r lo tanto, las principales p ro teín as disueltas en los líquidos circulatorios son p ro teín as p o rtad o ras, tales como la albúm ina y las globulinas, y p ro teín as involucradas en la coagula ción de la sangre.
las que se en cu en tran el tra n sp o rte o alm acen a m iento de oxígeno, el tra n sp o rte o alm acenam iento de n u trie n te s, la fagocitosis de células d añ ad as, la in m unodefensa y la coagulación sanguínea. En m uchas especies el líquido celómico tam b ién con tiene células llam ad as celom ocitos que están invo lu crad as en el sistem a inm unológico. La Figura 9.44 com para los hem atocitos de insectos y v erte brad o s p a ra p ro p o rcio n ar un visión g en eral de la g ran diversidad de estas células. A p e s a r de que los hem atocitos de los v erteb ra d o s e insectos p arecen se r b a stan te diferentes, los biólogos del desarrollo h a n descubierto h ace poco que en am bas clasifica ciones taxonóm icas, u n grupo de factores de tr a s cripción llam ado factores GATA p articip an en el desarrollo de estas células. La sim ilitud sugiere que los glóbulos sanguíneos pu ed en ten er un origen com ún en todos los anim ales.
Los eritrocitos transportan oxígeno La sangre contiene glóbulos Los diversos tipos de células que se en cu en tran el líquido circulatorio de m uchos anim ales se llam an hem atoc.itos. Los h em atocitos realizan u n a am plia v aried ad de funciones en diferentes anim ales, entre
Los eritro cito s, o glóbulos rojos, son las células m ás ab u n d an tes en la sangre de los vertebrados. Los eritrocitos contienen altas concentraciones de pigm entos respiratorios, tales como la hem oglo bina, y su principal función es el alm acenam iento y
Insecto (mosca del vinagre)
<3> Plasmatocito
Linfocitos (p. ej., células T, células B)
©
O
Monocitos/macrófagos
Granulocitos-----------(p. ej., neutrófilos, eosinófilos, basófilos) Célula de cristal
(hs> Trombocitos (p. ej., plaquetas)
Figura 9.44.
H e m ocito s.
Izquierda: los insectos com o la mosca del vinagre tienen tres clases principales de hem ocitos. Los plasm ocitos son células pe queñas que utilizan la fagocitosis para e n g u llir a los invasores extraños. Los lam elocitos son grandes células producidas com o respuesta a in fecciones parasitarias. Las células de cristal contienen enzimas que se utilizan para lisar a los invasores extraños. Derecha: Los hem ocitos de los vertebrados pueden d ividirse en eritro citos, o células que contienen hem oglobina, y leucocitos, que no tienen. Los eritro citos varían en tam año entre los grupos de vertebrados, y en los m am íferos carecen de núcleo. Los m onocitos y granulocitos realizan funciones sim ilares a las de los hem ocitos de los invertebrados: engullen o destruyen las partícu las invasoras utilizando enzimas y son, por lo tanto , parte de la respuesta in m un ológ ica no específica. Adem ás, los vertebrados cuentan con linfocitos, que están involucrados en la inm un idad adaptativa (o específica) y que perm iten a los vertebrados esta blecer una respuesta in m un ológ ica especial para un patógeno en concreto, y trom bocito s, que están involucrados en la coagula ción de la sangre.
C A P ÍTU LO 9
tran sp o rte de oxígeno (véase el Capítulo 10 p a ra o b ten er m ás detalles). Sólo un pequeño grupo de in v erteb rad o s, incluidos los gusanos foronídeos, cinco fam ilias de poliquetos, dos clases de m oluscos y algunos equinoderm os, tienen pigm entos re sp ira torios en el in terio r de los eritrocitos. Dado que estos grupos no están íntim am ente relacionados, se p ien sa que las células contenidas en los pigm entos resp irato rio s se h a n desarrollado independiente m en te varias veces en los anim ales. Curiosam ente, los eritrocitos de los in v ertebrados están casi siem p re ubicados fu era del sistem a circulatorio, en el líquido intersticial, posiblem ente porque la p re se n cia de células en el líquido circulatorio aum enta dem asiado la viscosidad de la solución como p a ra p erm itir su bom beo p o r los corazones relativa m en te débiles de esos grupos. Sin em bargo, en los gusanos foronídeos los eritrocitos se en cu en tran en el sistem a circulatorio. Estos gusanos tabicólas su e len vivir en am b ien tes con m uy poco oxígeno, como h áb itats bentónicos y lodosos, y la capacidad p a ra h a c e r circular eritrocitos a través de los vasos sa n guíneos de sus superficies resp irato rias puede m ejo rar su capacidad p a ra o btener oxígeno.
La sangre de los vertebrados Cuando se centrifuga la sangre de los vertebrados, ésta se sep ara en tres com ponentes principales (Figura 9.45). La p arte líquida de la sangre se deno m ina plasm a, y constituye aproxim adam ente el 55% del volum en de sangre en los hum anos norm ales. Los eritrocitos son otro de los com ponentes m ás im por tantes de la sangre (aproxim adam ente 45% del volu m en de sangre en los hum anos). Las dem ás glóbulos sanguíneos, que constan de diversos inm unocitos y células de coagulación sanguínea, form an una p equeña porción de la sangre. La porción de sangre que está form ada p o r los eritrocitos se llam a hem atocrito. El hem atocrito v aría sustancialm ente entre los vertebrados (de 20 a 65%) y puede variar en im m ism o individuo dependiendo de la condición fisioló gica. Por ejemplo, la aclim atación de los hum anos a grandes alturas ocasiona un aum ento en el hem ato crito. El tam año y estructura de los eritrocitos varía en gran m edida entre los vertebrados. Por ejemplo, el eritrocito m ás grande de los vertebrados (el de la salam an d ra A m ph iu m a ) es casi 2.000 veces m ayor que el eritrocito m ás pequeño (el ciervo ratón menor, Tragulus javanicus). En la m ayoría de los vertebra-
Sistem as circulatorios 407
Q
- Sangre pura
Componentes separados por centrifugado
- Plasma (-55% del volumen sanguíneo en los humanos)
- Glóbulos blancos (<1% del volumen sanguíneo) - Glóbulos rojos (eritrocitos) (-45% del volumen sanguíneo en los humanos)
F ig u ra 9 .45.
C o m p o s ic ió n de la s a n g re de los
v e rte b ra d o s .
dos, los eritrocitos tienen un núcleo y otros orgánu los. Sin em bargo, los m am íferos, algunos peces y algunos anfibios tienen eritrocitos desnucleados. De hecho, los eritrocitos de los m am íferos no tienen núcleos, m itocondrias y otras orgánulos, incluidos los ribosom as. Como resultado, el eritrocito de los m am íferos no puede realizar síntesis de proteínas o división celular. Los eritrocitos suelen se r de form a red o n d a u ovalada, aunque la m ayoría de los eritrocitos de los m am íferos tienen form a de discos bicóncavos (dis cos con indentaciones en am bos lados). La form a bicóncava aum enta el área de superficie del eritro cito, lo que posiblem ente facilita la transferencia de oxígeno. Los le u c o c ito s, o glóbulos blancos, carecen de hem oglobina. Todos los leucocitos de los v e rte b ra dos son nucleados y poseen todos los com ponentes de u n a m aq u in aria celular norm al. Los leucocitos se en cu en tran tanto en la san g re como en el líquido in tersticial y p ueden p a s a r a través de las p ared es capilares a través de los poros en tre las células. Hay cinco tipos principales de leucocitos en los ver teb rad o s (Figura 9.46), cada uno de los cuales r e a liza u n a función inm unológica específica. Los n eu tr ó filo s son los leucocitos m ás com unes en la san g re de los v erteb ra d o s. E stas células inm unológicas engullen las células d añ ad as, m icroorga n ism os y otros patógenos extraños m ediante fagocitosis. Los e o sin ó fllo s p u ed en re alizar fagoci tosis, pero su función principal es la de ac tu a r como vehículos de tran sm isió n p a ra las sustancias quím i cas citotóxicos (destrucción de células). Los eosinó-
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Integrando sistem as fisiológicos
Morfología del leucocito
Función en la inmunidad
Utiliza la fagocitosis para engullir células dañadas, microorganismos y otras partículas extrañas.
Suministra sustancias químicas citotóxicas y enzimas que eliminan los parásitos; se encuentran involucrados en las reacciones
Abandona el sistema circulatorio y se acumula en los lugares de infección. Libera sustancias químícas citotóxicas que eliminan las partículas extrañas. Involucradas en la inflamación.
Los monocitos maduran como macrófagos fagocítlcos que engullen y destruyen las partículas extrañas y las células muertas o moribundas.
Macrófago Existen varios tipos de linfocitos. Las células B segregan anticuerpos. Los linfocitos T cooperadores segregan moléculas que activan otros linfocitos. Los linfocitos T cltotóxicos segregan agentes cltotóxicos que matan a los Invasores o a las células moribundas.
F igura 9.46.
L e u co cito s.
Los verte b ra d o s tienen cinco tip o s diferentes de leucocitos, cada uno con un papel d iferente en la respuesta ¡nm u noló gica.
filos suelen se r escasos en los sistem as circulatorios de los v erteb ra d o s (ap ro x im adam ente el 3% de todos los leucocitos), p ero su núm ero puede au m e n ta r en g ran m edida como re sp u e sta a estí m ulos tales como u n a infección grave p o r gusanos p arasitario s. Los b a só fllo s ab an d o n a n el sistem a circulatorio y se acum ulan en el líquido intersticial en el lu g ar de u n a infección u o tra inflam ación, lib eran d o su stan cias quím icas tóxicas que m atan los m icroorganism os in v aso res y otros p arásito s. A dem ás, lib eran factores p aracrin o s, incluidas his-
tam in as y pro stag lan d in as, que au m en tan la corriente sanguínea en el lugar de la infección. Por lib erar estas su stan cias quím icas inflam atorias, d esem p eñ an u n papel im p o rtan te en las reacciones alérgicas tales como la fiebre del heno. De form a colectiva, los neutrófilos, eosinófilos y basófilos se denom inan granulocitos debido a su aspecto g ra nuloso cuando son observados p o r un m icroscopio óptico. Los m o n o cito s circulan en la san g re de la m ayoría de los m am íferos sólo brevem ente, a b a n donando la corriente sanguínea y en tran d o en el líquido intersticial, donde au m en tan de tam añ o y se desarro llan como m acró fa g o s. Como los n eu tró fi los, los m acrófagos son fagocitarios y engullen a los organism os invasores externos y a las células m u ertas y m oribundas. A lgunos m acrófagos se en cu en tran en las p ared es de los vasos sanguíneos en el in te rio r del hígado y el bazo donde fagocitan a los eritrocitos m oribundos. Un grupo final de leucocitos son los lin focitos, cada uno con funciones diferentes en el sistem a inm unológico. Los linfocitos B (células B) producen anticuerpos. Los linfocitos T (células T) se encargan de reclu tar m acrófagos y neutrófilos en el lugar de la infección, liberando agentes citotóxicos p a ra m a ta r células ex trañ as o m oribundas y ayudan a las células B en la producción de anticuerpos. En los vertebrados gnatostom ados, las células B y las célu las T p roporcionan u n a form a de inm unidad lla m ad a inm unidad ad a p ta tiva en la cual el sistem a inm unológico form a u n a “m em o ria” de los patóge nos invasores p a ra p o d er elab o rar u n a resp u esta m ás rá p id a a invasiones posteriores. La inm unidad adaptativa es única en los v ertebrados g natostom a dos. Los trom boc.itos (Figura 9.44) desem p eñ an un p ap el clave en la coagulación de la sangre. Los trom bocitos de los v erteb ra d o s no m am íferos son células con form a de huso que tien en un núcleo y están clasificados como leucocitos, pero en los m am íferos un fragm ento celular desnucleado lla m ado p la q u e ta tiene la función de coagulación. Cuando u n vaso sanguíneo se corta o daña, el orifi cio debe se r tap ad o ráp id am en te con un coágulo de sangre an tes de que la p érd id a de sangre del sis tem a circulatorio ocasione u n a caída súbita de la p resió n sanguínea. El proceso de coagulación tiene lugar en tres pasos. Cuando se d a ñ a un vaso sanguíneo, las señales locales y la activación del sistem a nervioso sim pático inducen a la vasocons tricción del vaso, lo que reduce la corrien te sa n guínea. A continuación, se form a u n tap ó n de
C A P ÍTU LO 9
p laq u etas que sella tem p oralm ente la a b e rtu ra . F inalm ente, se form a u n coágulo a trav és de u n a serie de p aso s llam ad a cascad a de coagula ción. T odas los glóbulos sanguíneos se fo rm an a p a rtir de u n único tipo de célula m ad re, a trav és de u n p ro ceso llam ado h em atopoyesis (véase la F ig u ra 9.47). En los m am íferos adultos, las células m ad re hem atopoyéticas se e n c u e n tra n sólo en la m éd u la ósea, pero en o tros v e rte b rad o s p u ed en en co n trarse circu lando en la san g re así como en ó rganos específicos. En los peces, el riñ ó n es el órgano hem atopoyético prin cip al, m ien tra s que en los anfi bios, rep tiles y aves, la h em ato p o y e sis p u ed e te n e r lu g ar en el bazo, el hígado, el riñ ó n y la m édula ósea. La m ayor can tid ad de células m ad re en san g re se d a en los peces, y d is m inuye en los d em ás tax o nes de los v erteb rad o s, asociados con un p ap el creciente de los órganos hem atopoyéticos. E xisten factores de señalización específicos en c a rg a dos de activ ar la p roducción de dife ren tes tipos de glóbulos sanguíneos. Por ejem plo, la eritro p o yetina es u n a h o rm o n a lib erad a p o r el riñón como re sp u e sta a u n bajo nivel de oxígeno en la san g re. La eritro p o y e tin a activa la diferenciación de las células m ad re en eritrocitos.
Sistem as circulatorios 409
Célula madre hematopoyétlca _____________ I_____________
0
Célula madre mieloide
Célula la madre linfoide linf
i
J_________
9
® a £> u Monocito
Reticulocito
^(Tejido)
Plaquetas
Eosinófilo
Fig u ra 9 .47.
Basófilo
Neutrófilo
|
Macrófago
F o rm a c ió n de g ló b u lo s s an g u ín e o s .
Los glóbulos sanguíneos derivan de células m adre hem atopoyéticas que pueden diferenciarse para fo rm a r cualquier tip o de hem ocito. La prim era ronda de diferen ciación form a dos estirpes celulares: las células m adre m ieloide y las células m a dre linfoides. La m ayoría de los hem ocitos se derivan de las células m adre m ieloides. Las células m adre linfoides son las precursoras de los linfocitos.
C uando em p e z a m o s a hacer ejercicio, los m e canorre
S is te m a s in te g ra d o re s
c e p to re s de n u e s tro s m ú s c u lo s (véase el C apítulo 7)
El sistema circulatorio durante el ejercicio
de te c ta n el cam b io en la te n s ió n del m ú s c u lo co m o
Las p e tic io n e s realizadas al s is te m a c irc u la to rio cam
envían in fo rm a c ió n senso rial a fe re n te a n u e s tro ce re
bian en gran m edid a durante la tran s ic ió n d el reposo al
bro, a ctivan do el c e n tro de c o n tro l cardio vascula r en el
ejercicio. En la m ayoría de los hum ano s, el c o n s u m o de
bulbo raquídeo. El c e n tro de c o n tro l cardiovascular
resu lta d o de la con tra cció n . E stos m e c a n o rre c e p to re s
oxígeno aum e n ta unas cin c o ve c e s a los poco s m in u to s
reduce la actividad d el s is te m a n ervio so parasim pá tico
del
y a u m enta la actividad del s is te m a n ervio so sim p á tic o ,
inicio
de
un
ejercicio
aeróbico
in ten so.
Este
a u m e n to en el c o n s u m o de oxígeno es el resu lta d o de
m o d ific a n d o las señales e fe re n te s que van al corazón y
un gran a u m e n to en la dem and a de oxígeno de los m ú s
al m ú s c u lo liso arteriolar.
culos que están trabajando. La Figura 9 .48 d e s c rib e la respuesta
del
sis te m a
cardio vascula r
al
ejercicio.
El cam bio en la actividad parasim pática y sim pática tie n e e fe c to s drásticos sobre el gasto cardiaco. De hecho,
410 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
en los hum anos, el gasto cardiaco puede aum entar entre cuatro y ocho veces con respecto al valor de reposo (según la intensidad del ejercicio y la fo rm a física del individuo). Un caballo pura sangre entrenado puede lograr un a u m ento de hasta
diez veces
del gasto
cardiaco
durante el m áxim o ejercicio. Recorde m os que el gasto cardiaco es el producto de la frecu encia cardiaca y el volum e n sis tólico. Por tanto, ¿cuál de e stos factores es el m ás im portante co m o causa del aum e n to del gasto cardiaco? Al com ienzo del ejercicio la actividad parasim pática dism inuye, lo que produce un aum ento en
la frecu encia
cardiaca. A l m is m o
tie m p o , el aum e n to de la actividad m us
Fig u ra 9.48.
R e s p u e s ta d e l s is te m a c a r d io v a s c u la r a l e je r c ic io .
cular y respiratoria m ejora la funció n de las bom bas respiratorias y m usculoesqueléticas, lo que provoca un aum e n to en el retorno
tra n s p o rte de oxígeno a los m ú s c u lo s que trabajan
veno so al corazón. Debido al m ecanism o de Frank-Star-
du ra n te el ejercicio.
ling, el aum e n to resultante en el vo lu m e n teled iastólico produce un aum e n to en el volum e n sistólico.
A d em á s de los cam bio s en el g a s to cardiaco, se pro d ucen grandes c am bio s en los patrones de la corrie n te
Por lo ta n to , d urante las etapas iniciales del eje rci
sanguínea durante el ejercicio. En reposo, los m ú sculo s
cio, los a u m e n to s del ga sto cardiaco se deb en a a u m e n
e s q u e lé tic o s reciben s ólo ap ro x im a d a m e n te un 2 0 % del
to s en la fre cu e n cia cardiaca y el v o lu m e n sis tó lic o . A
gasto cardiaco total, m ientras que recibe n el 8 8 % del
contin u a ció n , la e s tim u la c ió n s im p á tic a del corazón
gasto cardiaco durante el ejercicio. Es preciso señalar
aum enta, lo que p roduce un a u m e n to ta n to en la fre
q ue el gasto cardiaco to ta l ta m b ié n aum enta drástica
cuencia cardiaca c o m o en la con tra c tilid a d . En principio,
m e n te , para que el flu jo a los m ú s c u lo s esq u e lé tic o s
el a u m e n to de contra ctilid a d
debería ocasionar un
re alm ente pase de 1,2 l/m in en reposo a m ás de 22 l/m in
au m e n to del v o lu m e n sistó lico , p e ro un gran a u m e n to
d urante el ejercicio. A l m is m o tie m p o , la c o rrie n te san
en la fre cu e n cia cardiaca re duce el tie m p o disp o n ib le
guínea a los órganos c o m o el riñón d ism inuye, ta n to en
para llenar el corazón y lim ita el v o lu m e n te le d ia s tó lic o .
té rm in o s relativo s c o m o abso lutos. En reposo, aproxi
C o m o resultado , d u ra n te las ú ltim a s etapas del ejerc ic io
m ad a m e n te el 19% del to ta l del gasto cardiaco flu y e a
en los m am ífe ro s, los a u m e n to s de fre c u e n c ia cardiaca
travé s de los riñon es (o aproxim a d a m e n te 1 l/m in), m ie n
co n trib u ye n m ás a los a u m e n to s del gasto cardiaco que
tras que d urante el e jercicio in te n s o sólo un 1% del
los a u m e n to s del v o lu m e n sis tó lic o . En la m ayoría de
gasto cardiaco to ta l flu y e a travé s de los riñon es (o apro
los v e rte b ra d o s te rre s tre s , los a u m e n to s del g a s to car
x im a d a m e n te 0,25 l/m in). E stos c am bio s en la corrie n te
diaco c o m o respuesta al ejercic io son p rin c ip a lm e n te el
sanguínea son resultado de la vasodilatación de las arte-
resu lta d o de a u m e n to s en la fre c u e n c ia cardiaca, con
riolas que llegan al m ú s c u lo e s q u e lé tic o y al corazón y de
una m o d e sta co n trib u ció n p o r parte de los a u m e n to s en
la vasoc o n s tric c ió n de las arteriolas que llegan a los
el v o lu m e n s istó lico . Por el contrario, en pece s c o m o el
d em ás órganos. El a u m e n to de actividad del sistem a
salm ón , los ca m b io s en el v o lu m e n s is tó lic o d e s e m p e
nervio so s im p á tic o ocasiona una vasoc o n s tric c ió n gen e
ñan el papel m ás im p o rta n te c o m o causa de la d is m in u
ralizada, a m edida que las neuronas sim p á tica s liberan
ción
del
ga sto
cardiaco
d u ra n te
el
ejercicio.
Sin
norepinefrina en el m ú s c u lo liso vascular que rodea las
em bargo, no to d o s los pece s son reguladores de v olu
a rteriolas que cond ucen a los órganos. La norepinefrina
m en sistó lico . Por ejem p lo, el atún s uele a u m e n ta r el
se une a sus re ce p to re s y hace que el m ú s c u lo liso se
ga sto cardiaco a u m e n ta n d o la fre c u e n c ia cardiaca y
contraiga. Sin em bargo, en el m ú s c u lo e s qu elético, la
m a n te n ie n d o el v o lu m e n s is tó lic o bastante cons ta n te .
liberación local de los fa c to re s paracrinos causa la dis
Por lo ta n to , los d is tin to s a nim a les usan estra tegias
te n s ió n del m ú s c u lo liso vascular, o p o niend o los e fe c to s
d ife re n te s para lograr el m is m o ob je tiv o : a u m e n ta r el
va s o c o n s tric to re s de una estim u la c ió n de un re ceptor
C A P ÍTU LO 9
adrenérgico. Estos fa cto re s ju n to s causan una vasodila tación local intensa, a u m entando la c o rrie n te sanguínea a los m úsculo s. R e cord em o s que la presió n arte rial m edia es el pro d u c to del g a sto cardiaco y la re sistencia periférica total. D u ran te el ejercicio, el g a sto cardiaco a u m e n ta en gran m edida, lo que se podría e spe rar que ocasione un gran a u m e n to en la presió n arte rial m edia. Sin em bargo, la vasod ila tación de las arte riolas que con d u ce n a los m ú s cu lo e s q u e lé tic o s activa la v a s o c o n s tric c ió n de las arte riolas que llevan los o tro s órganos, por lo que la resistencia p eriférica to ta l d is m in u y e d rá s tic a m e n te . C o m o resultado , la presión sanguínea s ólo aum enta le v e m e n te d u ra n te el ejercicio. Por lo general, in cluso e ste peq u e ñ o in c re m e n to en la presión sanguínea acti varía el re fle jo b a ro rre ce p to r y norm alizaría la presión sanguínea m e d ia n te la d ism in u c ió n del g a s to cardiaco o la re sistencia p eriférica to ta l. Según da to s recie n te s, la señal a fe re n te de los m e c a n o rre c e p to re s m u scula res cam bia el p u n to de in icio del re fle jo barorre ceptor, o altera su sensibilida d, lo que p e rm ite que la p resió n san guínea a u m e n te le v e m e n te d urante el ejercicio. La regulación de la a lim e n ta c ió n anticipada d e s e m peña un papel im p o rta n te en la res p u e s ta del siste m a c ircu la to rio al ejercicio. Los cam b io s c irc u la to rio s que acom pañan al ejercicio ocurren m ás ráp id a m e n te si se le pide a un s u je to e xp e rim e n ta l que contraiga repetida m e n te un m úsculo , en co m paració n con lo que suced e cuando se e stim u la e lé c tric a m e n te d icho m úsculo . Esto sugiere que los datos que de s c ie n d e n de los c e n tro s cerebrale s m ás altos ayudan a causar ca m b io s circ u la to rios c o m o anticipación a la nece sidad de un m ayor apo rte de oxígeno p o r parte de los m ú s c u lo s en acción, in cluso an te s de que los p ro d u c to s m e ta b ó lic o s fin a le s c o m ie n ce n a acum ularse . Por lo ta n to , queda claro que las re sp u e sta s circulato rias al ejerc ic io re presentan una respuesta in teg ral delicada en la que participan el sis te m a nervio so, el s iste m a e nd ocrino, el s is te m a m usculo e sq u e lé tico y el s iste m a cardiovascular. ; ;
Resumen Los sistem as circulatorios utilizan energía p ara em pujar líquidos p o r todo el cuerpo m ediante el flujo global, haciendo que los líquidos se trasladen de zonas de alta presión a zonas de baja presión. La resistencia del sistem a se opone a este flujo, por lo que el volum en del líquido trasladado por unidad de tiem po (el flujo) es proporcional al gradiente de p re sión dividido p o r la resistencia (Q a AP/R).
Sistem as circulatorios 411
No todos los anim ales cuentan con sistem as cir culatorios. Algunos invertebrados tienen u n a cavi dad corporal in tern a que utilizan p a ra la circulación, respiración y digestión, pero debido a que esas cavi dades no contienen un líquido especializado no se tra ta de verdaderos sistem as circulatorios. Los auténticos sistem as circulatorios pueden ser abiertos o cerrados. En sistem as circulatorios abiertos, la sangre fluye al exterior de los vasos sanguíneos hacia grandes senos donde b añ a los tejidos. En sistem as circulatorios cerrados, la sangre perm anece dentro de los vasos sanguíneos a través de todo el circuito. La m ayoría de los moluscos y todos los insectos tie n en sistem as circulatorios abiertos relativam ente sim ples, pero los crustáceos decápodos disponen de sistem as circulatorios abiertos complejos que p u e den sum inistrar oxígeno con eficacia. Los cefalópo dos, la m ayoría de los anélidos y la m ayoría de los vertebrados tienen sistem as circulatorios cerrados. La organización del sistem a circulatorio de los v erte b rados se relaciona con el m odo respiratorio. Los respiradores acuáticos tienen un a circulación de cir cuito único, m ientras que la m ayoría de los re sp ira dores aéreos tienen u n a doble circulación (a p esar de que am bas circulaciones se m ezclan un poco en los anfibios y reptiles). Los anfibios tienen un corazón con tres cavidades, m ientras que los corazones de los reptiles tienen cinco cavidades sep arad as de form a incom pleta. Las aves y m am íferos tienen corazones con cuatro cavidades y circuitos pulm onar y sisté m ico separados en sus sistem as circulatorios. Existen tres tipos principales de estructuras de bom beo en los sistem as circulatorios anim ales. Los m ovim ientos corporales pueden actu ar p ara bom b e a r sangre a través del cuerpo. Los vasos sanguí neos u otras estructuras pueden utilizar ondas de contracción peristáltica p ara em pujar la sangre hacia delante. Sin em bargo, la m ayoría de los cora zones son cavidades contráctiles selladas con válvu las unidireccionales. Los corazones de los m am íferos constan de un pericardio externo, un epicardio, un m iocardio y un endocardio. La estructura del m iocardio varía entre los vertebrados. Las aves y los m am íferos sólo tienen un m iocardio com pactado. Las lam preas sólo tienen u n m iocardio espongiforme. No obstante, la m ayoría de las especies tiene u n a com binación de un m iocar dio tanto com pactado como espongiforme. En el corazón de los m am íferos, la sangre que vuelve al corazón desde el cuerpo se encuentra con las siguientes estructuras: la aurícula derecha, la vál vula AV derecha, el ventrículo derecho, la válvula
412 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
pulm onar sem ilunar, la arteria pulmonar, los lechos capilares de los pulm ones, las venas pulm onares, la aurícula izquierda, la válvula AV izquierda, el ventrí culo izquierdo, la válvula aórtica sem ilunar, la aorta, los vasos sanguíneos de la circulación sistém ica. El ciclo cardiaco se divide en sístole (contracción) y diástole (distensión). El ventrículo se llena durante la diástole ventricular, alcanzando su volumen m áxim o (volumen telediastólico) al final de este periodo. En la m ayoría de los vertebrados, el llenado ventricular es pasivo, pero la contracción auricular (durante la sístole auricular) em puja algo de sangre adicional al ventrículo. Sin em bargo, algunos anim a les pueden servirse de un llenado por succión p ara ayudar al retorno venoso hacia el corazón. Al comienzo de la contracción ventricular, todas las vál vulas del corazón están cerradas. La contracción ocurre isovolum étricam ente, aum entando la presión en el interior del ventrículo. Una vez que la presión en el ventrículo su p era a la de las arterias, la válvula sem ilunar se abre, iniciando la expulsión ventricular. Las válvulas desem peñan u n papel crucial en el fun cionam iento del corazón, pero son pasivas, se abren y cierran como resp u esta a la presión aplicada. A p esar de que los ventrículos derecho e izquierdo se contraen sim ultáneam ente, desarrollan diferentes presiones d u ran te el ciclo cardiaco. El ventrículo derecho bom bea con m enos fuerza que el ventrículo izquierdo. Un cardio rreg u lad o r controla la frecuencia car diaca. En los cardiorreguladores neurógenos el sis tem a nervioso inicia el ritm o, m ientras que en los cardiorreguladores biógenos los cardiom iocitos especializados inician el ritm o. La despolarización se d ispersa a continuación a través del corazón por las uniones in tercelulares com unicantes. Además, los v erteb rad o s tien en vías conductoras especializa das p a ra ay u d ar a d isp ersar la despolarización a tr a vés del corazón. Las células cardiorreguladoras m iogénas tienen im potencial de m em b ran a en reposo inestable debido a los cam bios en la conduc tan cia de K+ y la acción de canales de N a+ “atípicos”. El sistem a nervioso puede m odular el ritm o del potencial de cardiorregulación. La norepinefrina y la epinefrina au m en tan el ritm o de los potenciales de cardiorregulación, m ien tras que la acetilcolina dis m inuye el ritm o de los potenciales de cardiorregula ción. En el corazón de los m am íferos, los potenciales de card io rreg u lació n o cu rren en el nódulo sin o a u ri cular. Desde el nódulo sin o au ricu lar la d esp o lariza ción se d isp ersa len tam en te a través de las uniones
intercelulares com unicantes y ráp id am en te a tr a vés de la vía internodular. La vía in tern o d u la r con duce al nódulo AV, que re tra s a levem ente la señal y luego la p asa al ventrículo a trav és del fascículo de His. El fascículo de His se ram ifica y luego se divide en las fibras de Purkinje que p e n e tra n en el ven trículo. U na vez que la sangre aban d o n a el corazón en tra en los vasos sanguíneos, donde encuentra resistencia al flujo. P ara un tubo rígido, la resisten cia al flujo es proporcional a la longitud del tubo y la viscosidad del líquido, e inversam ente proporcional al radio del tubo a la cuarta potencia, u n a relación conocida como la ley de Poiseuille (R = 8I r |/n r 4). La resistencia total de un circuito difiere según la dispo sición de los resistores. Si los resistores están dis puestos en serie, la resistencia total es sim plem ente la sum a de las resistencias individuales, pero si los resistores están dispuestos en paralelo, la resisten cia total dism inuye. Por lo tanto, los lechos capilares, que constan de m uchos vasos sanguíneos pequeños dispuestos en paralelo, suelen te n e r u n a resistencia relativam ente baja al flujo en com paración con las arteriolas, que son m enos en cantidad. Las resisten cias relativas de dos vasos p articipan en la determ i nación de la ru ta a seguir por la sangre. Los líquidos fluyen a lo largo de la vía con m enos resistencia. Los vasos sanguíneos pueden, po r lo tanto, alterar la proporción de flujo a lo largo de vías alternativas dispuestas en paralelo m ediante la vasoconstricción o vasodilatación. La ta sa de flujo y la velocidad del flujo no son lo m ism o. De hecho, la velocidad del flujo es proporcional a la ta sa de flujo dividida po r el áre a de sección tran sv ersal total de los vasos. La gravedad tam bién afecta al sistem a circulatorio. La presión hidrostática del líquido en el cuerpo aum enta la presión en las extrem idades inferiores. Sin em bargo, la energía potencial gravitatoria ayuda a la sangre a fluir hacia abajo e im pide el flujo hacia arriba. Existen cinco tipos principales de vasos sanguí neos (arterias, arteriolas, capilares, vénulas y venas). Todos los vasos sanguíneos tienen u n a túnica íntim a que consta del endotelio vascular, pero el espesor de la túnica m edia y la túnica externa varía entre los diferentes tipos de vasos. Las arterias tienen paredes gruesas y elásticas que les perm iten actu ar como un depósito de presión. Las venas tienen p aredes m ás finas y de m ayor distensibilidad que les perm ite actuar como un depósito de volumen. Las arterias y arteriolas m usculares tienen u n a capa gruesa de m úsculo liso que les perm ite controlar la corriente
C A P ÍTU LO 9
sanguínea. Los capilares tienen paredes delgadas que prom ueven el intercam bio de sustancias. La presión sanguínea y la velocidad sanguínea v arían en diferentes p artes del sistem a circulatorio debido a la estru ctu ra de los vasos sanguíneos. La presión sanguínea es pulsátil debido a que la presión sistólica es m ayor que la presión diastólica. Los fisió logos a m enudo com putan la presión arterial m edia p ara sim plificar la consideración de este flujo pulsá til. Las arteriolas controlan la distribución de la san gre alterando su radio y, por lo tanto, su resistencia. Hay cuatro m an eras principales por las cuales el cuerpo regula el diám etro arteriolar: autorregulación m iógena, señales p aracrin as de la actividad m etabó lica del tejido, señales del sistem a nervioso y señales del sistem a endocrino. La presión sanguínea puede forzar líquido hacia el exterior de los capilares m ediante el flujo global. Com únm ente, la m ayor p arte de este líquido es reab sorbido p o r los capilares o reciclado por el sistem a linfático, pero cualquier desequilibrio en estos proce sos puede producir u n edem a o acum ulación de líquido en un espacio intersticial. El cuerpo m antiene un arduo control hom eostá tico sobre la presión arterial m edia, alterando el gasto cardiaco y la resistencia periférica total. El reflejo baro rrecep to r es el medio principal de regular la p resión arterial m edia a corto plazo, m ientras que a largo plazo la regulación del volum en sanguíneo es crucial. Los riñones desem peñan un papel im por tan te en el m antenim iento del volum en sanguíneo. La p o stu ra del cuerpo puede influir en el funcio nam iento del sistem a circulatorio, debido a los efec tos de la gravedad y la presión hidrostática resultante. Los anim ales con cuellos m uy largos (como las jirafas) tienen m ecanism os especializados p a ra aseg u rar la llegada de corriente sanguínea al cerebro y p a ra evitar edem as en las extrem idades inferiores. La sangre es u n líquido acuoso complejo que con tiene iones, p roteínas y células. En algunas especies, u n as células especializadas llam adas eritrocitos se encargan del tran sp o rte de oxígeno, m ientras que en otras especies se encuentran pigm entos respiratorios portad o res de oxígeno disueltos en la sangre. Los eri trocitos de los m am íferos carecen de núcleos y la m ayor p arte de los orgánulos, pero los eritrocitos de otros vertebrados son m enos especializados. Los leu cocitos son las células inm unológicas de los v erteb ra dos. Los trom bocitos (o plaquetas en los m am íferos) se encargan de la coagulación de la sangre. Todos los tipos de glóbulos sanguíneos se form an a p artir de
Sistem as circulatorios 413
un a única población de células m adre por el proceso de la hem atopoyesis. El ejercicio provoca grandes cam bios en las dem andas del sistem a cardiovascular. El sistem a nervioso, el sistem a endocrino, el sistem a musculoesquelético y el sistem a cardiovascular trab ajan con juntam ente p a ra m ejorar el sum inistro de oxígeno de los m úsculos en acción.
P reguntas de revisión 1. Com pare y contraste los sistem as circulatorios de peces, anfibios y m am íferos. 2. Dibuje el movim iento de u n a gota de sangre a través del sistem a circulatorio hum ano, enum e rando todas las estructuras po r las que pasa (incluidas todas las p artes del corazón). 3. Nom bre las capas de las paredes del corazón de los m am íferos y describa su estructura. 4. ¿Cuál es la im portancia de la diferencia de p re sión desarrollada por las aurículas derecha e izquierda del corazón de los m am íferos? 5. Com pare el m ecanism o por el que se llena el corazón de los m am íferos y de los insectos.
6 . Com pare y contraste los cardiorreguladores miógenos y neurógenos. 7. ¿Por qué es im portante el periodo refractario prolongado de un cardiom iocito contráctil p ara el funcionam iento del corazón de los m am íferos?
8 . Defina frecuencia cardiaca, volum en sistólico y gasto cardiaco. Explique po r qué los cam bios en la frecuencia cardiaca o volum en sistólico influ yen en el gasto cardiaco. 9. ¿Qué es el m ecanism o de Frank-Starling? Expli que su im portancia p a ra la fisiología cardiovas cular. 10. ¿La resistencia sería m ás alta en u n a arteriola o un a vena? ¿Por qué? 11. ¿Cuál es la diferencia entre la velocidad de la sangre y el índice de la corriente sanguínea? ¿Cómo se relacionan esos dos conceptos? 12. Describa los m ecanism os que controlan el radio de las arteriolas. 13. Describa algunas de las funciones del sistem a lin fático. 14. ¿Cuál es la im portancia de las bom bas respirato rias y m usculoesqueléticas? 15. Describa el reflejo barorreceptor y com ente su im portancia.
414 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
e)
P reguntas de síntesis 1. ¿Cuáles son algunas posibles ventajas de un a cir culación doble frente a u n a circulación de cir cuito único? 2. Explique los cam bios en la presión sanguínea a m edida que la sangre fluye po r el sistem a circula torio de los m am íferos. 3. La arteriosclerosis es u n a enferm edad com ún en la cual las arterias se hacen m ás estrechas debido a depósitos de placa. Calcule el aum ento de la presión sanguínea requerido p a ra m antener el flujo norm al en el exterior del corazón cuando los radios de las arterias de la circulación sistémica están dism inuidos en un 10 % de media. 4. Utilice esta figura p a ra resp o n d er a las siguientes preguntas:
Si el vaso 4 se obstruye totalm ente (bloquea) (p. ej.. R t es ah o ra infinito), ¿cuál es el flujo a través de la red? 5. La corriente sanguínea aórtica com ienza a aum en tar sólo tiem po después del comienzo de la contracción ventricular. Del m ism o modo, la corriente sanguínea aórtica continúa a un nivel relativam ente alto bien entrado el periodo diastólico. Explique po r qué.
6 . El aum ento de la frecuencia cardiaca puede reducir en gran m edida el tiem po de llenado diastólico, pero tiene m enos im pacto sobre el tiem po de expulsión sistólica. ¿Por qué? 7. ¿Qué p asaría si la conexión entre el nodulo AV y el fascículo de His estuviera bloqueada (de m odo que no afectara directam ente a otras partes del corazón)?
8 . D urante un experim ento se sum inistró el fár m aco atropina a perros, que anula la transm isión nerviosa parasim pática. ¿Qué efectos esperaría en el corazón y po r qué?
A
B
C
D
PA = 100 mm Hg PD = 0 mm Hg
a) ¿Cuál es el flujo a través de esta red? b) ¿Cuáles son las presiones en los puntos B y C? c) ¿Cuál es el flujo en el vaso 3? d) Si se agrega otro vaso en paralelo a los vasos 24, con una resistencia ñ 6 = 18 mmHg-min/ml, ¿cuál es el flujo a través del sistema?
9. Tom tiene la presión sanguínea alta. De lo in dicado a continuación, ¿qué p odría ayudar a tra ta r este problem a? Recuerde explicar su r e s puesta. a)
Un fárm aco que estimule los receptores a l en el tejido m uscular cardiaco. b) Un fárm aco que bloquee los receptores a 2 en el tejido m uscular cardiaco. c) Un fárm aco que bloquee los receptores (5 en el tejido m uscular cardiaco. d) Un fárm aco que bloquee los receptores de acetilcolina en el tejido m uscular cardiaco.
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C a p í tu lo 1 O Sistem as respiratorios
n el lib ro Mal de Altura: crónica de una trage
E
dia en el Everest, Jon Krakauer relata la apa sion a n te historia de uno de los in ten tos más m o rta le s de escalar el Everest: las e xp e d icio nes de 1996 en las que m u rie ro n ocho a lp in istas en picas un (género Ochotona) son pequeños m am ífe ro s pa so lo día cuando intentaban alcanzar la cum bre . U bica rientes de los conejos que so la m e n te pueden enco n do en los H im alayas, el Everest, con sus 8.850 m etros, tra rse a las grandes a ltura s o latitud e s y cuentan con es la cim a m ás alta del m und o . Las alturas que supep ob laciones perm anentes en alturas que superan los
ran los 8.000 m e tro s son to ta lm e n te in h a b itab les para
6.000 m etros. Éstas logran extraer el o xígeno del aire
los seres hum anos, d eb id o a las bajas te m p e ra tura s,
de m anera m ás eficaz que o tro s m am ífe ro s, lo que les
los fu e rte s v ie n to s y la falta de aire. El aire en la cim a
p e rm ite v iv ir y re pro d u cirse a las grandes alturas. La
del Everest sólo tie ne un te rcio del vo lu m e n de oxíg e
altura m á xim a alcanzada p o r un anim a l parece oscila r
no p o r u nidad que el que se encuentra a n ivel del mar:
en to rn o de los 6.700 m etros: algunas e xpe d icio n es de
para la m ayoría de los seres h um a n o s c o nstitu ye una
alp in istas han obse rva d o saltícidos (fa m ilia Salticidae)
ca ntid a d insu ficie nte para realizar activid a d es in te n
escalando esas a ltura s en los H im alayas. D ebido a que
sas. Los a lp in istas han d en o m in a d o estas alturas c o m o "la zona de la m u e rte ", dado que resulta im p o s i
apenas existen otras fo rm a s de vida a esas alturas, se
ble s o b re v iv ir dura n te más de unas pocas horas sin un c o m p le m e n to de oxígeno. De hecho, m enos del 5 % de
doras, aunque alg u n os cien tífico s suponen que s o bre viven a base de pla n cto n aéreo, es decir, pequeños
los que alcanzaron la cim a del Everest lo lo g ra ro n sin
insectos tra n s p o rta d o s a las grandes a ltura s p o r las co
un ta n q u e de oxígeno.
rrientes de aire.
Los seres hum anos rara vez habitan alturas supe
416
desconoce de qué se alim e nta n estas arañas dep re d a
Los gansos h indúes (Anser indicus) anidan y se re
riores a los 4.500 m etros, el lím ite m á xim o h abitual
producen en las costas de lagos que se encuentran a
para la a g ricu ltu ra , aunque los pueblos nóm adas de la
grandes altura s de los H im alayas y la m eseta tibetana.
m eseta tib eta na pasan parte del año en las m ontañas
P osteriorm ente m ig ra n a las costas de lagos de las tie
de los alrededores, a alturas que oscilan entre los
rras bajas en el centro y s u r de India, donde pasan el
4.800 y 5.500 m etros. Sin e m ba rg o , existen m uchos anim ales que pueden alcanzar altura s supe rio res con
sobre los H im alayas, a veces dire cta m e n te sobre la
sum a fa cilid a d y sin s u frir n in g ú n efecto adverso. Las
cu m bre el Everest, alcanzando a ltura s de casi 9.400
in vie rn o y se a lim e nta n. D urante la m ig ra c ió n vuelan
L o s o r g a n is m o s a c u á tic o s ta m b ié n s u e le n e n fr e n ta rs e a e n to r n o s c o n b a jo s n iv e le s d e o x íg e n o , t a n to en lo s h á b ita ts a g ra n d e s a ltu ra s c o m o a n iv e l d e l m a r. En e s te ú ltim o c a s o , la h ip o x ia en el a g u a s u e le p r o d u c ir se p o r la p re s e n c ia d e p la n ta s a c u á tic a s . D u ra n te el día, las p la n ta s lle v a n a c a b o la fo to s ín te s is y p ro d u c e n o x íg e n o , p e ro a lo la rg o de la n o c h e la re s p ira c ió n ae ro b ia d e las p la n ta s c o n s u m e o x íg e n o , lo q u e o r ig in a una d rá s tic a r e d u c c ió n en el n iv e l de o x íg e n o d is u e lto e n lo s c u e rp o s d e a g u a c e rra d o s c o m o la g o s y e s ta n q u e s . Lo s p e ce s q u e to le r a n h á b ita ts c o n b a jo s n iv e le s de o x íg e n o d is u e lto p re s e n ta n d iv e rs a s a d a p ta c io n e s , in c lu id a s m o d ific a c io n e s en la c o n d u c ta , en la e fic a c ia de e x tra c c ió n de o x íg e n o y en el m e ta b o lis m o . A lg u n o s pe c e s c o m o el pez p u lm o n a d o in c lu s o s o n c a p a c es de r e s p ir a r fu e ra d e l a g u a .
•
m e tro s . A lg u n o s p ilo to s d e a v ió n h a n o b s e rv a d o a s i m is m o o tra s e s p e c ie s d e p á ja ro s en la s g ra n d e s a ltu ras, in c lu y e n d o el c is n e c a n to r ( C y g n u s c y g n u s ) a 8 .300 m e tr o s y la a g u ja c o lip in ta ( L im o s a la p p o n ic a ) a 6 .100 m e tro s . El ré c o rd de a ltu ra p a ra lo s p á ja ro s lo m a n tie n e el b u itr e m o te a d o (G y p s r u e p p e llii) , m a rc a a lc a n z a d a c u a n d o u n o de e s to s b u itr e s a fric a n o s se v io s u c c io n a d o p o r un m o to r de a v ió n a 11.500 m e tro s : m á s de d o s k iló m e tr o s p o r e n c im a d e la c u m b re d e l E ve re st. S i b ie n a ú n n o se c o m p re n d e la to ta lid a d de las a d a p ta c io n e s q u e re a liz a n lo s p á ja ro s p a ra s o b r e v iv ir a g ra n d e s a ltu ra s , e s to s a n im a le s d ifie re n d e lo s m a m í fe ro s en lo q u e re s p e c ta a la c a p a c id a d de o b te n e r o x í g e n o de la a tm ó s fe ra , de to le r a r b a jo s n iv e le s de o x íg e n o en s a n g re y d e a d a p ta rs e a m o d ific a c io n e s en lo s n iv e le s de d ió x id o de c a rb o n o y pH .
Pez pulmonado.
417
8 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
I P re s e n ta c ió n La m ayoría de los anim ales dependen de la resp ira ción m itocondrial a fin de obtener el trifosfato de adenosina (ATP) necesario p ara realizar las funcio n es celulares habituales. D urante este proceso, las m itocondrias oxidan los carbohidratos, am inoácidos o ácidos grasos p ara producir ATP, consum iendo oxí geno y produciendo dióxido de carbono. Así, los ani m ales deben obtener oxígeno del entorno y desechar el dióxido de carbono resultante p a ra satisfacer sus necesidades m etabólicas. Cuando respiran, las m ito condrias consum en oxígeno y actúan como “tanques de oxígeno”. Existe entonces u n gradiente de oxígeno entre el exterior de la célula y el centro de la m ito condria, p o r el que las m oléculas de este gas se des p lazan h asta las m itocondrias (m ientras que el dióxido de carbono viaja en dirección opuesta). Los organism os unicelulares y pluricelulares de m enor tam año que h ab itan en entornos acuáticos utilizan este gradiente de difusión p a ra el intercam bio gaseoso (Figura 10.1). En cambio, los anim ales que obtienen el oxígeno del aire necesitan llevar a cabo un paso adicional: el oxígeno gaseoso debe disolverse prim ero antes de poder cruzar la m em b ra n a celular. La difusión por sí m ism a no actúa con la velocidad suficiente como p a ra sostener el índice de intercam bio gaseoso necesario p a ra m an ten er el m etabolism o de organism os m ayores, p o r lo que éstos dependen de u n a com binación de flujo global y difusión p ara llevar a cabo el intercam bio gaseoso. La secuencia completa de pasos por los cuales los anim ales realizan el in ter cam bio de oxígeno y dióxido de carbono entre el en torno externo y las m itocondrias de sus células suele denom inarse resp iración . Sin em bargo, preferim os utilizar la denom inación respiración externa p a ra di ferenciar este proceso de la respiración m itocondrial. Algunos anim ales tales como las esponjas y los cnidarios im pulsan el m edio externo (el agua de mar) m ediante flujo global a través de u n a cavidad corpo ra l interna. En los tejidos, el oxígeno se difunde del agua de m ar a las células, m ientras que el dióxido de carbono ab an d o n a las células y se elim ina del cuerpo m ediante el agua de m ar que circula po r la cavidad corporal. Los insectos em plean un sistem a sim ilar desde el punto de vista conceptual: éstos cuentan con u n a serie de tubos huecos que recorren todo su cuerpo. El aire se tran sp o rta po r difusión o flujo glo b al a través de dichos tubos y en los tejidos el oxígeno se disuelve en el líquido extraceluiar y se difunde a las m itocondrias.
Difusión por el agua o aire Agua
Aire -E l 0 0 se difunde
El 0 „ se disuelve y difunde
Animales unicelulares y finos de poco tamaño Flujo global del agua
Esponja Flujo global de aire
o
El Op se disuelve ¡funde en
Difusión/transporte gaseoso Flujo global 'e n el sistema circulatorio
Agua El q se á u n d e
Sanguijuela
Difusión a l° s tejidos
Lombriz
Ventilación/transporte gaseoso
El 0 2 se disuelve y difunde Vertebrado Fig u ra 10.1.
E s tra te g ia s r e s p ir a to r ia s de los a n im a le s .
C A P ÍTU LO 10
M uchos anim ales tienen un sistem a circulatorio que tran sp o rta el oxígeno por flujo global al cuerpo. En el caso de algunos anim ales como las sanguijuelas y las lombrices, el oxígeno sim plem ente se difunde por la piel y luego se tran sp o rta por flujo global a todo el sis tem a circulatorio, aunque m uchos organism os cuen tan con órganos respiratorios especializados que ocupan un a superficie considerable (branquias o pul mones) y que se em plean p a ra el intercam bio gaseoso. Los anim ales con branquias o pulm ones internos sue len im pulsar el medio externo por la superficie respi rato ria m ediante flujo global, proceso que se denom ina v en tilación y que se divide en cuatro pasos: (1 ) flujo global del medio por la superficie respiratoria, (2) di fusión p o r dicha superficie, (3) flujo global en el siste m a circulatorio (proceso que recibe el nom bre de transporte gaseoso) y (4) la difusión a los tejidos. En este capítulo exam inarem os en prim er lugar las estrategias resp irato rias que los anim ales em ple an p a ra obtener oxígeno del entorno y p a ra elim inar el dióxido de carbono. A continuación, analizarem os los procesos de ventilación y tran sp o rte gaseoso y fi nalizarem os con el estudio de la regulación del siste m a respiratorio y su resp u esta frente a modificaciones am bientales como las grandes alturas y la inm ersión.
Sistem as respiratorios 419
centración po r unidad de distancia (o gradiente de concentración). Este gradiente se describe con m ayor exactitud como gradiente de energía, que puede v ariar debido a diferencias en la concentra ción, la carga eléctrica, la tem p eratu ra o la presión. Cuando se aplica la ley de Fick a los gases, se suele expresar el gradiente de energía en térm inos del gra diente de presión del gas en lugar del gradiente de concentración, dado que los gases tienen propieda des particulares po r las quese disuelven, se difunden y reaccionan de acuerdo con la presión y no necesa riam ente según la concentración. De la ley de Fick cabe señalar que la tasa de difu sión aum enta cuando el coeficiente de difusión, la su perficie de la m em b ran a y los gradientes de energía son elevados pero la distancia de difusión es reducida. E stas lim itaciones influyen de m an era significativa en las estrategias respiratorias de los organism os. Como resultado, las superficies de intercam bio gaseoso son p o r lo general delgadas con áreas extensas.
Los gases ejercen presión La presión total ejercida por un gas está relacionada con la cantidad de m oles del gas en cuestión y el volu m en de la cám ara, según la ley del gas ideal: PV = nRT
I E s tra te g ia s re s p ira to ria s Dado que los procesos de difusión, disolución y flujo global constituyen factores fundam entales en lo que resp ecta a las estrategias respiratorias de los anim a les, com enzarem os este capítulo centrándonos en los principios físicos que subyacen a estos procesos.
La física de los sistemas respiratorios De acuerdo con lo analizado en el Capítulo 2, pode m os cuantificar la ta sa de difusión em pleando la ley de Fick: dQ /dt = D X A x dC/dx en la que dQ /dt es la ta sa de difusión (o flujo de m asa, es decir, la cantidad de sustancias tran sp o rtad as por unidad de tiem po, p o r ejemplo, en mol/s), D es el coe ficiente de difusión (índice de la facilidad con la que se realiza la difusión de u n a sustancia po r determ i nado m edio, p. ej., en cm 2/s) y A es la superficie de la m em b ran a (p. ej., en cm2). La ley de Fick suele expre sarse en térm inos de dC/dx: la diferencia en la con
en la que P es la presión total, V es el volum en, n es la cantidad de m oles de m oléculas de gas, R es la cons tante de gas y T es la tem p eratu ra en grados Kelvin. El aire es u n a m ezcla de gases que incluye nitrógeno (-78% ), oxígeno (-21% ), argón (-0,9% ), dióxido de carbono (-0,03% ) y u n a variedad de gases trazas. La ley de Dalton sobre las presiones parciales afirm a que, en las m ezclas de gases, cada gas ejerce su pro pia p resión p arcial y que la sum a de las presiones parciales de cada gas constituye la presión total de la mezcla (Figura 10.2a). Al igual que la presión total, la presión parcial de un gas es proporcional a la canti dad de m oléculas de gas. Al re o rd e n a r la ley del gas id eal a la fórm ula n /V = P/RT, se puede observar que la concentración del gas (la cantidad de moles por unidad de volum en o n/V) es proporcional a la presión a tem peratura constante. Si la tem p eratu ra aum enta y el volum en no es fijo, éste se increm entará m anteniendo la p re sión constante pero alterando la concentración. El efecto de la tem p eratu ra sobre la concentración de un gas es u n a de las razones por las cuales se suele expresar la ley de Fick en térm inos de presión cuando se tra ta de gases.
420 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
La ley de Henry describe cómo los gases se disuelven en líquidos
dad sobre la concentración del gas es otra razón por la que se suele expresar la ley de Fick en térm inos de presión en lugar de concentración. Considerem os el Con el fin de difundirse en u n a célula, las moléculas ejemplo de la difusión de un gas po r la m em brana gaseosas del aire deben disolverse prim ero en algún celular. Los gases son m ucho m ás solubles en lípidos líquido (como agua o líquido extracelular). La ley de que en soluciones acuosas. Cuando las presiones H enry afirm a que la cantidad de gas que se disuelve parciales se encuentran en equilibrio y por lo tanto en un líquido se d eterm ina de acuerdo con la presión son iguales en el exterior de la célula, en la m em parcial y la solubilidad del gas en el líquido en cues b ra n a y en el interior de la célula, la concentración tión. Podem os expresar la ley de Henry de la del gas será de hecho m ás elevada en la m em brana siguiente m anera: que en el exterior de la célula debido a la m ayor solu bilidad del gas en los lípidos de la m em brana. A = Pgas x Sgas p esar de este gradiente de concentración, no se en la que [G] es la concentración de gas disuelta en el observarán m ovim ientos globales de gas porque no líquido, Pgas es la presión p arcial del gas en la atm ós existe un gradiente de presión parcial. fera sobre el líquido y Sgas es la solubilidad del gas en Cabe destacar que la ley de Henry es sim ple dicho líquido (Figura 10.2b). El efecto de la solubilim ente u n a variación de la ley del gas ideal, en la que [G] es equivalente a n/V y (1/RT) rep re sen ta la solubilidad del gas en el aire. Con estas relaciones, es posible com parar el contenido de oxígeno del aire con el que se encuentra en el agua. A nivel del mar, a 20 °C, la concentración m olar de oxígeno en el aire es de aproxim adam ente 9 mM, m ientras que la que se observa en el agua en iguales condiciones es inferior a 0,3 mM. Esta diferencia tiene im por tantes consecuencias en la estrate gia respiratoria de tm organism o. Con el fin de obtener la m ism a can Estado inicial: En equilibrio solución sin 0 9 tidad de oxígeno, los anim ales que utilizan el agua como m edio respi ratorio deben tra n sp o rta r 30 veces - X , ' m ás de líquido por la superficie re s piratoria que otro organism o equi O valente que respire en el aire. ' w ~J— P o 2 = 1 0 0 m m H g p02=-----La solubilidad del oxígeno en 100 mm Hg [0 2] = 5.2 mmol/l < / El oxígeno se disuelve agua dism inuye casi un 50% cuando en el líquido se eleva la tem p eratu ra de 0 a 40 °C, - P q 2= 100 mm Hg p02=-----hecho que ocasiona una notable 0 mm Hg [0 2] = 0.15 mmol/l caída en la concentración de oxíge no. Debido a este efecto, a los orga (b) Ley de Henry nism os acuáticos les resulta m ás difícil obtener suficiente oxígeno del F ig u ra 10.2. P re s ió n p a r c ia l de los g a se s . entorno a altas tem peraturas, un ía) Los choques entre las m oléculas de gas ejercen presión sobre la pared de un reci piente, de acuerdo con la ley del gas ideal. Cada uno de los gases de una mezcla con desafío aún m ayor p ara anim ales ta trib u y e a la presión en proporció n a su concentración, (b) Ley de Henry. Los gases se les como los peces, cuya tem p eratu disuelven en solución según la presión parcial y la solubilida d. Debido a que la solu ra corporal y dem anda de oxígeno se bilidad del oxígeno en soluciones acuosas es reducida, la concentración del oxígeno ven increm entadas con los aum en dísuelto en agua es m ucho m e n o rq u e la del aire, incluso cuando la presión parcial de am bos m edios se encuentra en e qu ilibrio. tos de tem p eratu ra en el entorno ex-
C A P ÍTU LO 10
terno. La solubilidad de los gases tam bién dism inuye ante la creciente concentración de iones en un líquido. Por ejemplo, a igual tem p eratura, la solubilidad del oxígeno en agua de m a r es un 20% m enor que en agua dulce. En conjunto, am bos efectos hacen que el agua de m a r a 20 °C contenga casi la m ism a cantidad de oxí geno que el agua dulce a 30 °C.
Los gases se difunden a diferentes tasas La ley de G raham afirm a que cuando se disuelven los gases en líquidos, la ta sa de difusión relativa de u n gas es proporcional a la solubilidad del m ism o en el líquido e inversam ente proporcional a la raíz cua d rad a del peso m olecular (MW). Tasa de difusión a solubilidad / \/MW Esta relación tiene im portantes consecuencias sobre la difusión de los gases respiratorios. El oxígeno es m ás liviano que el dióxido de carbono (32 unidades de m asa atóm ica frente a 44). Ambos gases son igual de “solubles” en el aire, p o r lo que en el aire el oxí geno se difunde alrededor de 1,2 veces m ás rápido que el dióxido de carbono. Sin em bargo, este último es aproxim adam ente 24 veces m ás soluble en solu ciones acuosas que el oxígeno. Al sustituir estas cifras en la ley de G raham , se observa que en el agua el dióxido de carbono se difunde alrededor de 20 veces m ás rápido que el oxígeno. Si com binam os la ley de Fick con las de Henry y Graham , es posible obtener la siguiente ecuación p ara la tasa de difusión de im gas por determ inado medio a tem p eratu ra constante: AP„ X A X S , Tasa de difusión a — —— , X x 4 MW
Tabla 1 0 .1 .
Sistem as respiratorios 421
Así, a u n a tem p eratu ra constante, la tasa de difusión de un gas en un líquido es proporcional (1 ) al g ra diente de presión parcial APgas, (2) al área transversal (A) y (3) la solubilidad del gas en el líquido (Sgas), pero inversam ente proporcional (4) a la distancia de difu sión (X ) y (5) el peso m olecular del gas (MW). Al com bin ar todos estos factores, es posible calcular que, a tem p eratu ras fisiológicas, el oxígeno se difunde alre dedor de 300.000 veces m ás lentam ente en el agua que en el aire. La Tabla 10.1 resum e estos conceptos clave y las consecuencias que estas relaciones p re sentan p ara la difusión en el aire y el agua.
Los líquidos fluyen de las áreas de mayor presión a las de menor presión El flujo global de un m edio líquido puede tran sp o rtar sustancias no disueltas, tales como los gases, im pul sándolos a largas distancias con u n a velocidad m ucho m ayor que la lograda con la difusión. Los flui dos, incluidos tanto líquidos como gases, se im pulsan p o r flujo global si la presión total de un áre a difiere de la de otra. En térm inos de un gas ideal, la presión está directam ente relacionada con el volum en, tal como se resum e en la ley de Boyle: rp l V Vl
= P 2V2
en la que Pt y Vt equivalen a la presión y el volum en iniciales, m ien tra s que P, y V 2 equivalen a la p re sión el volum en finales. Así, si se increm enta el volum en de un a cám ara sellada que contiene d e te r m inado gas, la p resió n de dicha cám ara dism inuirá (Figura 10.3a). Si posteriorm ente se abre la cám ara a la atm ós fera que la rodea (que se encuentra a u n a presión
P ro p ie d a d e s fís ic a s del a ire y el a g u a y sus e fe c to s en los gases re s p ira to rio s .
Propiedad
Aire (20 °C) Agua (20 °C) Proporción (agua/aire)
Coeficiente de difusión del oxígeno (m2/s x 10~9)
20.300
2,1
-1:10.000
Coeficiente de difusión del dióxido de carbono (m2/s x 10-9)
16.000
1,8
-1:10.000
Solubilidad del oxígeno (ml/1)
1000
33,1
1:30
Solubilidad del dióxido de carbono (ml/1)
1000
930
-1
Concentración del oxígeno (mM) (a 1 atm)
8,7
0,3
1:30
0,01
0,01
-1
1,2
998
-800:1
0,02
1
50:1
Concentración del dióxido de carbono en mM (a 1 atm) Densidad (kg/m3) Viscosidad (poise x 10-2)
422 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
(a) Cámara sellada llena de líquido (presión externa = 1)
10 moléculas/volumen
10 moléculas/volumen
10 moléculas/volumen
(b) Cámara sellada llena de líquido Fig u ra 10.3.
E fe c to s de la s m o d ific a c io n e s de v o lu m e n en las a lt e r a c io n e s de la p re s ió n .
(a) Ley de Boyle. El aum ento de volum e n de una cámara sellada llena de gas dism inuye la presión in te rio r de dicha cámara. Cuan do se abre, el gas se im pulsará a su in te rio r por el gradiente de presión hasta que se equilibren las presiones, (b) Si se intenta au
m entar el volum e n de una cám ara sellada llena de líquido, el volum e n no se m odificará. Sin em bargo, la presión in te rio r de la m ism a dism inuirá. Si se abre la válvula a continuación, el líquido penetrará en la cám ara por flu jo global, increm entando el v olu men de ésta hasta que se equilibren las presiones.
m ás elevada), el gas se tra n sp o rta rá po r el gradiente de p resión h asta que la presión del exterior y la de la cám ara alcancen un equilibrio y ya no se produzcan m ovim ientos globales de gas. El pulm ón de los ani m ales terrestre s funciona de esta m anera. Por ejem plo, al inhalar, el pecho se expande, aum entando el volum en de los pulm ones y dism inuyendo la presión, lo que produce la en trad a de aire a los pulm ones. La ley de Boyle no se aplica directam ente a los líquidos, porque los líquidos no se pueden com prim ir (Figura 10.3b): las fuerzas interm oleculares que m an tien en unidas a las m oléculas en form a líquida son dem asiado fuertes, por lo que no es posible que b rarlas m ediante m odificaciones relevantes desde el punto de vista fisiológico en la presión. Sin em bargo, al ejercer fuerza sobre u n líquido, la presión del líquido se alterará sin variar el volumen.
La resistencia se opone al flujo La resisten cia de fricción se opone al flujo global de los líquidos. Tal como se analizó en el Capítulo 9, la relación en tre el flujo, la p resión y la resistencia
pueden cuantificarse m ediante la ley del flujo global (0 = AP/R, Capítulo 9). Al igual que en el sistem a cir culatorio, el flujo en el sistem a respiratorio suele producirse en tubos. La resistencia aum enta de form a directam ente proporcional a la longitud del tubo y la viscosidad del líquido, m ien tra s que dism i nuye de form a inversam ente proporcional al radio elevado a la cu arta potencia. Debido a esta relación, los pequeños increm entos en el radio producen im portantes dism inuciones en la resistencia.
Tipos de sistemas respiratorios Sólo los anim ales de tam año m uy reducido pueden depender únicam ente de la difusión de oxígeno p a ra m an ten er su m etabolism o. A m edida que aum enta el tam año de los organism os, la proporción entre la superficie y el volum en decrece, lo que lim ita el área disponible p a ra la difusión. Más aún, el oxígeno debe difundirse po r distancias m ayores en el anim al, aum entando el tiem po necesario p a ra la difusión. Considerem os el ejemplo de un anim al esférico hipo-
C A P ÍTU LO 10
Esfera A
Esfera B
4
o
Volumen = g- j t r
Superficie = 4jtr2
F ig u ra 10.4.
Superficie Volumen
_ 3 (##r2) _ 3_ “ /?¿r3 “ r
J>u£erficie_ Volumen
. , . _, por la es,era A " 3
Superficie Volumen
P »r
la esfera B = 1
R e la c ió n e n tre la s u p e r fic ie y e l v o lu m e n .
En el caso de una esfera, la proporció n de la superficie y el v o lum en dism inuye a m edida que aum enta el radio.
tético {Figura 10.4). La esfera tiene un volum en de 4/3nr3 y u n a superficie de 4jir2. Por lo tanto, la super ficie (s) de u n organism o esférico es proporcional a r 2, m ien tras que su volum en (p) es proporcional a r3 y la proporción entre la superficie y el volum en debe ser proporcional a 1Ir. Como resultado de esta rela ción, a m edida que el radio del organism o aum enta, la proporción entre la superficie y el volum en dism i nuye. Al m ism o tiem po, a m edida que aum enta el tam año de la esfera, la distancia entre el entorno externo y el centro de la esfera crece. En prim er lugar, considerem os la proporción entre la superficie y el volumen, sin ten er en cuenta la tasa de difusión del anim al. Si suponem os que la den sidad y la actividad m itocondrial son uniform es en todo el organism o, la dem anda de oxígeno aum enta en proporción al volum en del animal. Sin em bargo, sabem os por la ley de Fick que el sum inistro de oxí
Sistem as respiratorios 423
geno po r difusión está relacionado con la superficie. Dado que la proporción entre la superficie y el volu m en dism inuye a m edida que aum enta el radio, el sum inistro de oxígeno no crece ta n rápidam ente como la dem anda de oxígeno cuando aum enta el radio de un anim al. Al aplicar la ley de Fick, es posi ble calcular el sum inistro de oxígeno m áxim o posible de un anim al esférico con determ inado radio, y dicho valor será el límite máximo de la tasa m etabólica. Debido a que la proporción entre la superficie y el volum en se reduce a m edida que crece el volumen, la ta sa m etabólica m áxim a por cada gram o de tejido dism inuye a m edida que aum enta el volumen. Los datos obtenidos de organism os unicelulares reales que dependen de la difusión p a ra su sum inistro de oxígeno coinciden con estos cálculos: la ta sa m etabó lica po r cada gram o de tejido dism inuye a m edida que aum enta el tam año. Mediante este razonam iento podem os llegar a la conclusión de que en general un anim al esférico, acuático y con un metabolism o activo no podrá su p erar el m ilímetro de diám etro, porque de lo contrario se vería lim itado por la capa cidad de difusión de su superficie. En este análisis hem os supuesto que la difusión constituye el único m étodo m ediante el cual el oxíge no llega a la superficie de un organism o, pero in d u d a blem ente los entornos reales casi nunca perm anecen totalm ente inmóviles con m oléculas que se desplacen sólo po r difusión. Por el contrario, los líquidos am bientales generalm ente se desplazan po r flujo global, como resultado de la diferencia entre tem p eratu ras o el m ovim iento de otros organism os por el líquido. De hecho, los anim ales m ism os suelen desplazarse en sus entornos o cuentan con cilios o flagelos que se m ueven y hacen que los líquidos se im pulsen por ellos m e diante flujo global. Dado que el flujo global del líquido externo renueva constantem ente el oxígeno en la su perficie de un organism o, evitando de este modo la form ación de u n a cap a ex tern a estancada, los orga nism os que h ab itan en líquidos de flujo rápido alcan zan m ayores tam años que aquellos que viven en líquidos estáticos y aún dependen únicam ente de la di fusión. Sin em bargo, el diám etro m áxim o de un orga nism o esférico que habita en un líquido de flujo rápido sigue siendo de unos pocos m ilím etros.
Determinados animales pueden depender de la difusión Los organism os no necesariam ente tienen form a esférica: sus cuerpos pueden ser largos y delgados, o su superficie corporal puede p resen tar múltiples
424 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
pliegues de m odo que la superficie y el volum en aum enten a m edida que se increm enta el tam año del anim al. La proporción entre la superficie y el volu m en calculada p a ra u n a esfera de tam año equiva lente no se aplica a estos anim ales, y es posible que su superficie sea suficiente p a ra que la difusión satis faga la d em an d a de oxígeno. Por ejemplo, algunos nem átodos terrestre s (áscaris) pueden alcanzar los 7 m m de largo, algunas especies m arin as los 5 cm y algunos gusanos del filo Nem atom orfo incluso 1 m etro. Los platelm intos m arin os de la clase Turbellaria están entre los anim ales de m ayor tam año que dependen principalm ente de la difusión p ara el in ter cam bio de gases, alcanzando h asta 60 cm de largo y 20 cm de ancho. Sin em bargo, ninguna de estas especies su p eran unos pocos m ilím etros de grosor, de m odo que todas las células del cuerpo se encuen tra n a alrededor de un m ilím etro del entorno externo, lo que perm ite que el oxígeno se difunda de la superficie corporal a todas las células del cuerpo.
La mayoría de los animales utilizan una de las tres estrategias respiratorias principales Los anim ales con varios m ilím etros de grosor em plean una de las tres estrategias principales p ara tra n sp o rta r el aire del entorno externo a las células del cuerpo: (1 ) circulación del medio externo por el cuer po, (2) difusión de gases p o r la superficie del cuerpo acom pañada del tran sp o rte circulatorio o (3) difusión p o r un a superficie resp irato ria específica acom paña da del tran sp o rte circulatorio (véase la Figura 10.1). La p rim era estrategia puede observarse en esponjas y cnidarios, así como en m uchos artrópodos terrestres. La m ayoría de los invertebrados acuáticos, los gusa nos anélidos terrestre s y algunos vertebrados como las ra n a s y las salam an d ras utilizan la segunda estra tegia, que se denom ina resp iración cu tánea. Los huevos de ave constituyen u n caso especial de esta es trategia respiratoria. Éstos pueden alcanzar grandes tam años (hasta IS cm de diám etro en el caso de im huevo de avestruz), pero todo el intercam bio de gases con el entorno se produce m ediante la difusión po r los poros de la cáscara de huevo. La estrategia de respiración cutánea presenta diversas lim itaciones. En p rim er lugar, la piel extre m adam ente delgada n ecesaria p a ra m inim izar la distancia de difusión y m axim izar la tasa de difusión vuelve al anim al en cuestión vulnerable a los depre dadores o al daño físico. En segundo lugar, dado que esta delgada b a rre ra debe p erm anecer húm eda p ara que el oxígeno disuelto pueda difundirse en la célula,
F ig u ra 10.5.
R ana g ig a n te d e l T itic a c a [T e lm a to b iu s
c u l e u s ). Estas ranas, que habitan en un lago de Perú a una gran a lti tud, utilizan la piel para el in tercam bio gaseoso. La superficie de la piel, con gran cantidad de pliegues, aum enta el área de la superficie respiratoria.
los anim ales que utilizan la respiración cutánea sue len verse confinados a los hábitats acuáticos o a los hábitats terrestre s sum am ente húm edos. En tercer lugar, como resultado de las dos lim itaciones m encio nadas, la superficie de la piel es por lo general b as tante reducida. La piel de algunas especies que dependen de la respiración cutánea p resen ta la ra ra característica de contar con grandes superficies, como es el caso de la ra n a gigante del Titicaca (Telmatobius culeus), cuya piel cuenta con num erosos pliegues p ara incre m en tar la superficie disponible p ara el intercam bio de gases (Figura 10.5). Los capilares penetran en dichos pliegues, dism inuyendo así la distancia de difusión entre el aire y la sangre. Del m ism o modo, las ra n a s peludas m acho adultas (Trichobatrachus robustus) desarrollan u n a serie de proyecciones peludas de la piel con u n a intrincada red de vasos sanguíneos alrededor de los m uslos y costados del cuerpo d urante la época de apaream iento, cuando la dem anda m etabólica alcanza sus cotas m ás altas. E stas proyecciones están pen sad as p a ra aum en tar la superficie disponible p a ra respirar. Sin em bargo, la estrategia de increm entar la superficie corporal glo bal es poco usual: por el contrario, la m ayoría de los organism os lim itan el intercam bio de gases con el entorno a pequeñas regiones del cuerpo, aunque aum entan notablem ente la superficie de dichas áreas. Esta especialización perm ite que la superficie respiratoria sea húm eda, delgada y con una gran superficie, m ientras que el resto del cuerpo p e rm a nece cubierto po r u n a gruesa capa protectora.
C A P ÍTU LO 10
Sistem as respiratorios 425
Las superficies respiratorias especializadas pueden clasificarse en branquias o pulmones. Las b ranquias se originan como embolsamientos (evaginaciones) de la superficie corporal y pueden ser externos o estar ubica dos dentro de una cavidad respiratoria protegida por una placa u otro tipo de cobertura. Los pulm ones sur gen como repliegues (invaginaciones) de la superficie corporal, form ando una cavidad dentro del cuerpo que contiene el medio externo. Las branquias se utilizan m ás com únm ente p ara el intercambio de gases en el agua, m ientras que los pulm ones suelen utilizarse para el intercam bio de gases en el aire, aunque existen varias excepciones a esta regla general.
produce cuando el m edio externo en tra y sale de la cá m a ra respiratoria m oviéndose hacia adelante y hacia atrás, m ientras que en el caso de la ven tilación u n i d ireccion al, el m edio p en etra en la cám ara re sp ira toria po r un lugar y sale po r otro, lo que hace que fluya en u n a única dirección po r la superficie respiratoria. La anatom ía de la superficie respiratoria en general determ ina el tipo de ventilación que utiliza u n anim al. Éstos responden a los cam bios en el oxí geno del entorno o en las dem andas m etabólicas alterando la frecuencia o el p atrón de ventilación en lugar de v ariar la dirección. La Tabla 10.2 describe algunos de estos patrones.
La sup erficie de in te rca m b io gaseoso en general está ven tila da
La p e rfu sió n de la su p e rficie re sp irato ria afecta al in te rca m b io gaseoso
La ventilación de la superficie respiratoria hace que el m edio fluya y reduce la form ación de capas externas estáticas carentes de oxígeno, de modo que m ejora la eficacia del intercam bio gaseoso con el entorno. Algu nos anim ales con b ran q u ias externas dependen de los m ovim ientos natu rales del agua p a ra producir el flujo necesario, pero otras especies utilizan la ventilación activa. La v en tilación no d ireccion al se produce cuan do el medio fluye p o r la superficie de intercam bio ga seoso con u n p atró n im predecible. Los anim ales que aletean las b ran q u ias p o r el m edio externo son un ejemplo del p atró n de ventilación no direccional. Los anim ales con b ran q u ias interiores o pulm ones utili zan con frecuencia la v en tilación corrien te, que se
Así como la ventilación de la superficie respiratoria es im portante p a ra un intercam bio gaseoso eficaz, el tran sp o rte sanguíneo por la superficie respiratoria tam bién influye en dicha eficacia. En los anim ales que utilizan la ventilación no direccional, la presión p arcial del oxígeno (Po2) en sangre que abandona intercam biador de gases puede aproxim arse al Po2 del m edio, si el medio está muy bien mezclado (Figura 10.6a). Cualquier factor que aum ente la dis tancia de difusión producirá u n a caída en la eficacia del intercam bio gaseoso y reducirá el Po2 de la san gre (Figura 10.6b). Por ejemplo, si la ventilación no es eficaz, se form aría u n a capa externa carente de oxígeno en la superficie respiratoria, aum entando la distancia real de difusión. De igual modo, los inverte-
Tabla 1 0 .2 .
P a tro n e s de v e n tila c ió n .
Término
Definición
Eupnea
Respiración norm al
Ejemplos
Apnea
Respiración interrum pida
Inmersión de los que respiran en el aire
Hipernea
Frecuencia o volumen respiratorio increm entado vinculado con el aum ento metabólico
Ejercicio físico
Taquinea
Frecuencia respiratoria increm entada que se produce en general con una disminución en el volumen respiratorio
Jadeo
Disnea
Respiración difícil, trabajosa o incómoda
Ataques de ansiedad o pánico, ejercicio físico excesivo, varias enferm edades (por ejemplo, enfisema)
Hiperventilación
Ventilación que supera la necesaria p a ra las necesidades metabólicas
Ataques de ansiedad o pánico, respuesta ante la alteración del equilibrio entre ácidos y bases en la sangre
Hipoventilación
Ventilación reducida
Asma, varias enferm edades pulm onares
426 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
Flujo del medio
Flujo del medio
bóbb
Superficie respiratoria y capa superficial
Flujo sanguíneo
(a) Ventilación no direccional (medio totalmente mezclado y superficie respiratoria delgada)
'
Flujo sanguíneo
(b) Ventilación no direccional (medio poco mezclado o superficie respiratoria gruesa)
Flujo del medio
Superficie respiratoria
I
Flujo sanguíneo
(d) Flujo concurrente Fig u ra 10.6.
.
..
Flujo sanguíneo
(c) Ventilación corriente
Flujo del medio
------—
Superficie respiratoria -
Flujo sanguíneo
(e) Flujo contracorriente
(f) Flujo cruzado
E fe c to s de la o r ie n ta c ió n d e l flu jo d e l m e d io e x te rn o y la s a n g re s o b re la e fic a c ia d e l in te r c a m b io g a se o s o .
Tanto el m odo de ventilació n com o la orientación del flu jo del m edio respiratorio y la sangre afectan a la eficacia del intercam bio gaseoso, (a) En la ventilació n no direccional, el Po2de la sangre se aproxim a al del m edio respiratorio si la distancia de difusión es reducida, (b) Si aum enta la distancia de difusión, la eficacia dism inuye, (c) En las estructuras respiratorias que em plean la ven tila ción corriente y la unidireccional con flu jo concurrente, (d) el Po2de la sangre se aproxim a al del m edio exhalado. En el caso de la ventilació n unidireccional con flu jo contracorriente (e) o cruzado (f), el Po2 de la sangre puede superar el del m edio exhalado. (Adaptado de Piiper y Scheid, 1992).
brad o s que utilizan la respiración cutánea p resentan pieles m ucho m ás gruesas que la capa externa de otras superficies resp irato rias como las branquias o
los pulm ones. Así, el Po 2 de la sangre procedente del intercam biador de gases puede ser m ucho m ás bajo que el que se encuentra en el m edio externo.
C A P ÍTU LO 10
Los anim ales que utilizan el p atrón de ventilación corriente en general son incapaces de vaciar la cavi dad resp irato ria p o r completo en cada ciclo de venti lación. Cuando u n anim al inhala, el nuevo medio entran te se m ezcla con el medio residual desoxige nado que queda en la cavidad respiratoria. De este modo, el Po2 de la cavidad respiratoria es m enor al del m edio externo. El Po2 de la sangre que abandona la superficie resp irato ria estaría entonces en equili brio con este medio exhalado (Figura 10.6c), si la dis tancia de difusión en la superficie respiratoria es reducida. En el caso de la ventilación unidireccional, la sangre puede fluir de tres m an eras según el flujo del medio: puede ir en la m ism a dirección que el medio, en cuyo caso se denom ina flujo concurrente; en dirección opuesta, o flujo con tracorrien te; o en determ inado ángulo del medio externo, llam ado flujo cruzado. El flujo concurrente perm ite que el Po2 de la sa n gre se equilibre con el Po2 del medio respiratorio (Figura 10.6d). A m edida que la sangre desoxigenada sale a la superficie de intercam bio gaseoso, en tra en contacto con el m edio externo totalm ente oxigenado. Cuando la sangre fluye p o r la superficie respiratoria, el Po2 se equilibra gradualm ente en am bos com parti m entos y el Po, de la sangre se aproxim a al del medio exhalado. En el caso del flujo contracorriente, po r otro lado, el Po, de la san g re que sale de la superficie re s p irato ria se aproxim a al del m edio inhalado (Figura 10. 6 e). A m edida que la sangre fluye por el in ter cam biador gaseoso, se oxigena progresivam ente, m ien tras que el m edio se vuelve cada vez m ás d es oxigenado al fluir en la dirección opuesta. Dado que el m edio y la san g re fluyen en direcciones opuestas, se m an tien e u n gradiente de p resión parcial que favorece la difusión del oxígeno sanguíneo por toda la superficie de intercam bio y el Po, de la sangre que sale del órgano resp irato rio se aproxim a al Po2 del m edio inhalado. La eficacia de u n intercam biador contracorriente depende del índice de circulación sanguínea y el m edio externo. El intercam bio gaseoso contraco rrien te es m ás eficaz cuando el flujo de am bos líqui dos se hace a velocidades relativam ente lentas. Cuando el flujo es rápido o no se equipara adecuada m ente, los sistem as respiratorios que utilizan el flujo contracorriente no difieren m ucho de los de flujo concurrente en lo referente a la eficacia. En el caso del flujo cruzado, se observan varios capilares dispuestos a determ inado ángulo con el
Sistem as respiratorios 427
flujo del m edio externo. Cuando salen de la superficie de intercam bio gaseoso, los capilares se fusionan en u n vaso sanguíneo eferente (Figura 10.6f). El Po, del vaso sanguíneo eferente es por lo general m ás ele vado que el observado en un flujo concurrente, au n que inferior al del flujo contracorriente. En el caso del sistem a cruzado, el prim er vaso sanguíneo que cruza la superficie de intercam bio gaseoso se encuentra con el medio totalm ente oxigenado, dando lugar así a un alto nivel de Po2 en el capilar, aunque los capilares siguientes se encuentran con un medio cada vez m ás desoxigenado, por lo que presen tan un Po, m ás reducido. La sangre se m ezcla a m edida que se fusionan los capilares, alcanzándose un Po, que constituye aproxim adam ente el prom edio del Po, de cada capilar. El Po2 exacto de la sangre que sale de la superficie respiratoria con un intercam bio cruzado depende de las tasas de flujo relativas entre el medio y la sangre. Si el flujo del m edio es m ás elevado que la corriente sanguínea, el Po 2 del m edio se m antendrá relativam ente estable m ientras recorre el intercam biador gaseoso y así el Po, sanguíneo puede aproxi m arse al Po, del m edio inhalado. Por el contrario, si el flujo del medio es m enor que el de la corriente san guínea, el Po2 del medio descenderá bruscam ente p o r la superficie respiratoria y el Po, de la sangre dis m inuirá. Así, al igual que el intercam bio contraco rriente, el sistem a cruzado es m ás eficaz que la ventilación corriente o no direccional solam ente bajo determ inadas circunstancias.
V e n tila c ió n e in te rc a m b io g a seo so Debido a que las propiedades físicas del aire y el agua son significativam ente diferentes (véase la Tabla 10.1), las estrategias que los anim ales em plean p a ra ventilar la superficie respiratoria varían según que se encuentren en el aire o en el agua. La m ayoría de los anim ales que utilizan el agua como m edio re s piratorio cuentan con b ranquias ventiladas de form a unidireccional, m ientras casi todos los anim ales que resp iran en el aire presen tan pulm ones con ventila ción corriente o utilizan un sistem a de tubos de aire como es el caso de los insectos. El contenido de oxígeno en el aire es alrededor de 30 veces m ayor que en el agua, de modo que los ani m ales que resp iran en el agua se ven obligados a ven tilar la superficie respiratoria unas 30 veces m ás enérgicam ente p ara tra n sp o rta r la m ism a cantidad
428 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
de oxígeno por la superficie respiratoria. El agua es asim ism o m ás densa y viscosa que el aire, por lo que requiere un m ayor esfuerzo tra n sp o rta r determ inado volum en de agua que el m ism o volum en de aire. En el caso de la ventilación corriente, un anim al debe dedicar energía a invertir la dirección del medio h acia dentro y hacia fuera de la cavidad respiratoria. Con la ventilación unidireccional, el organism o sólo debe tran sp o rtar el líquido en u n a única dirección, p o r lo que requiere im a m en or cantidad de energía que la anterior. La ventilación unidireccional tam bién hace posible que la sangre circule contraco rriente, m ejorando así la eficiencia en la extracción de oxígeno. Por todas estas razones, los organism os acuáticos que p resen tan b ranquias en general las ventilan de form a unidireccional. En el caso de los anim ales que em plean el aire como medio respiratorio, dado que la disponibilidad de oxígeno es elevada y la densidad del medio es reducida, el esfuerzo de ventilación no es la cuestión clave. En lugar de ello, estos anim ales deben enfren tarse a la posibilidad de la evaporación en la superfi cie resp irato ria, p o r lo que en suelen contar con superficies resp irato rias in ternas como los pulm o nes, que les perm iten recu p erar la m ayor p arte del agua que se evapora. Por ejemplo, los m am íferos p resen tan estru ctu ras denom inadas cornetes respi ratorios en el interior de la nariz, que condensan el agua del aire exhalado en gotas que pueden reab so r b erse p o r el epitelio nasal. La diferencia en la solubilidad del oxígeno y el dióxido de carbono tam bién tiene im portantes conse cuencias en los niveles relativos de dióxido de car bono en sangre según los organism os respiren en el aire o en el agua. Estos últim os deben ventilar la superficie resp irato ria u n a g ran cantidad de veces p a ra o btener suficiente oxígeno. Por lo tanto, venti lan m ás de lo necesario p ara elim inar el dióxido de carbono producido. Por el contrario, los que respiran en el aire no necesitan ventilar la superficie resp ira toria tan tas veces, p o r lo que elim inan m enos dióxido de carbono. Debido a esta diferencia relativa en la ventilación del dióxido de carbono, los que respiran en el agua suelen p resen tar un Peo, arterial im as 20 veces inferior al de aquellos que resp iran en el aire.
Ventilación e intercam bio gaseoso en el agua Los anim ales em plean diversas estrategias p a ra la ventilación y el intercam bio gaseoso en el agua. Algu-
(a) Esponja (Porífera) Fig u ra 10.7.
(b) Cnidario
C ir c u la c ió n d e l m e d io e x te rn o por una c a
v id a d d ig e s tiv a y r e s p ir a to r ia . (a) La pared corporal de una esponja está cubierta de poros
(ostia) que conducen a una cavidad digestiva y respiratoria interna denom inada espongiocele. El m o v im ie n to de los coanocitos flagelados im pulsa el agua por los ostia para que en tre al espongiocele y salga por el ósculo, (b) Los cnidarios em plean la contracción m uscular para im pulsar el agua por la boca y a través de la cavidad gastrovascular.
nos anim ales acuáticos hacen circular el medio externo a través de u n a cavidad in tern a que p enetra en todo el cuerpo (Figura 10.7a). Las esponjas (tipo Porifera) m ueven unas células flageladas denom ina das coanocitos que tran sp o rtan el agua po r un a serie de poros llam ados ostia h asta una cavidad central denom inada espongiocele. Este flujo global im pulsa el agua po r todas las células corporales de la esponja. El oxígeno se difunde del agua a las células, m ientras que el dióxido de carbono se difunde hacia afuera. Luego, el agua sale del espongiocele a través del ósculo. Algunos platelm intos utilizan un sistem a similar. Los intestinos de estas especies se encuen tra n cubiertos por células flam ígeras ciliadas y el m ovim iento de dichos cilios tran sp o rta el agua, que contiene oxígeno y m oléculas nutricias, po r todo el cuerpo. En el caso de los cnidarios (m edusas, corales, aném onas m arinas y otros anim ales similares), las contracciones m usculares im pulsan el agua por la boca a la cavidad gastrovascular (Figura 10.7b), que se extiende a todo el cuerpo. A m edida que el agua recorre los tejidos, el oxígeno se difunde a las células m ientras que el dióxido de carbono se difunde hacia afuera. A continuación, el agua se retira de dicha cavidad nuevam ente por la boca.
C A P ÍTU LO 10
Los m olusco s em plean diversas estrategias para v e n tila r las bra nq uia s Por lo general, todos los moluscos presen tan la m ism a estructura corporal (Figura 10.8). El m anto, u n pliegue de la pared corporal, rodea el resto del cuerpo form ando un espacio interno denom inado cavidad del m anto, que contiene las b ranquias o cíe
te) Molusco cefalópodo (por ejemplo, el calamar) F ig u ra 10.8.
S is te m a r e s p ir a to r io de los m o lu s c o s .
(a) Los caracoles acuáticos presentan branquias sim ples la m inares, que ventilan m ediante las cilios, (b) Los m oluscos lam elibranq uios tales com o las alm ejas y los m ejillones cuen tan con branquias m uy m odificadas que disponen de poros y canales internos. Los cilios im pulsan el agua por las bran quias m ediante flu jo global, (c) Los cefalópodos ventilan las branquias a través de contracciones m usculares de la cavidad del manto.
Sistem as respiratorios 429
nidios. Más aún, el m anto m ism o actúa como su p e r ficie respiratoria en algunas especies. Los moluscos em plean u n a de las dos estrategias principales p a ra ventilar las b ranqiúas y la cavidad del m anto. En la m ayoría de los m oluscos las branquias están ciliadas. El movimiento de los cilios im pulsa el agua a través de las branquias, logrando que el medio externo fluya de form a unidireccional. En m uchas es pecies, la corriente sanguínea en las branquias va a contracorriente del flujo de agua. Un grupo de m olus cos bivalvos denom inados lamelibranquios, que in cluye las alm ejas, los m ejillones y las ostras, cuenta con branquias delgadas, planas y lam inadas, con m úl tiples filamentos que se alargan y se repliegan for m ando una serie de estructuras con form a de W. Las b ranquias de estas especies pueden ser del tipo filibranquio (como los mejillones, las vieiras y las ostras), donde los filam entos se encuentran separados entre sí y unidos a los dem ás m ediante pequeñas intercone xiones, o del tipo eulam elibranquio (como las alm e jas), donde los filam entos se fusionan p a ra form ar im a capa continua. En el prim er caso, el agua se desplaza a través de la branquia entre los filamentos, m ientras que en el segundo caso p asa a través de los poros u os tia branquiales, penetrando en tubos acuáticos que llenan el espacio intralam inar. Estos tubos de agua perm iten niveles de bom beo m ás elevados que en el caso de las branquias del tipo filibranquio. Las b ranquias de los cefalópodos no están cilia das. En este caso, las contracciones m usculares del m anto im pulsan el agua de form a unidireccional a través de la cavidad del m anto y las branquias, donde funciona un m ecanism o de intercam bio contraco rriente. El flujo de agua que recorre la cavidad del m anto se utiliza tanto p ara resp irar como p ara des plazarse. Al expulsar rápidam ente el agua de la cavi dad del m anto m ediante el sifón, los cefalópodos como los calam ares logran im pulsarse m ediante la propul sión a chorro. Debido a que el flujo necesario p ara im a ráp id a propulsión es m ucho m ayor el necesario p ara respirar, los cefalópodos activos como los calam ares r a ra vez se ven lim itados en el sum inistro de oxígeno.
Las bra nq uia s de los crustáceos se ubican en los apéndices Los crustáceos son los artrópodos acuáticos m ás com unes. Las especies que se alim entan por filtra ción, tales como el percebe, o las especies muy peque ñas, como los copépodos, en general carecen de b ranquias y dependen de la difusión por la superficie corporal p a ra respirar. Las branquias de las gam bas,
430 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
Escafognatito (reductor branquial)
Crustáceo decápodo (langosta) Fig u ra 10.9.
S is te m a r e s p ir a to r io de los c ru s tá c e o s .
Las branquias de los crustáceos surgen de la m odificación de los apéndices y por lo general se ubican debajo del capara zón. El m o vim ien to del escafognatito (reductor branquial) im pulsa el agua hacia la parte anterior del anim al y la hace sa lir por una abertura cercana la boca.
los cangrejos y las langostas constituyen regiones m odificadas de los apéndices que se ubican dentro de u n a cavidad b ranquial form ada por la superficie rígida o caparazón del anim al (Figura 10.9). Los m ovim ientos de u n apéndice especializado, el esca fognatito, expulsa el agua de la cám ara branquial. Este movimiento produce u n a presión negativa en la cám ara branquial, que luego succiona el agua por las b ranquias. Varios crustáceos cuentan con patrones de flujo de agua ligeram ente diferentes. En el caso de las gam bas, el agua penetra a lo largo de la p arte dor sal y bordes laterales del caparazón, m ientras que las langostas sólo perm iten la en trada agua por la base de los pies, y los cangrejos por la base de las pinzas.
Los e q u in o d e rm o s cuentan con d ife ren te s e structu ras resp irato rias Los equinoderm os (estrellas de mar, erizos de mar, ofiuras, pepinos de m ar y otros parientes) p resentan diferentes estru ctu ras resp iratorias (Figura 10.10). La m ayoría de las estrellas y erizos de m a r em plean po dios de aspecto tu b u lar p ara el intercam bio gaseoso: se tra ta de pequeños tubos llenos de agua que cuentan con ventosas de succión en su extrem o y que form an p arte del complejo sistem a vascular acuífero que los equinoderm os utilizan p ara la locomoción. Éstos suc cionan el agua a través de u n a placa perforada llam a da m adreporito y la bom bean por todo el sistem a vascular acuífero p ara m over los podios m ediante un sistem a hidráulico. La delgada piel de los podios, ju n to con el agua que circula por ellos, los convierte en im p o rtan tes zonas de intercam bio gaseoso. Los podios de algunos erizos de m a r están especializados p ara la
función respiratoria y em plean el sistem a de flujo con tracorriente. Las estrellas de m ar tam bién presen tan estructu ras externas sim ilares a las b ranquias denom inadas pápulas respiratorias, que se dispersan a lo largo de toda la superficie corporal. Las pápulas retráctiles son p equeñas evaginaciones carnosas de la superficie cor poral que se proyectan por huecos del esqueleto d ér mico y que funcionan como b ranquias externas. La superficie externa de éstas se encuentra cubierta de cilios que con sus sacudidas ventilan la superficie re s piratoria. Los cilios de la superficie in tern a im pulsan el líquido celómico por flujo global, logrando así el in tercam bio contracorriente. Los erizos de m ar carecen de pápulas, pero m uchas especies cuentan con b ra n quias peristom iales ubicadas alrededor de la boca. Al igual que las pápulas, estas branquias se ventilan m e diante el movim iento de los cilios. Las ofiuras y los pepinos de m ar cuentan con una estrategia respiratoria bastante diferente. En lugar de branquias, la superficie respiratoria de estas especies está form ada por invaginaciones de la superficie cor poral, por lo que deben considerarse pulm ones. En el caso de las ofiuras, estas estructuras con form a de sa cos se denom inan bursae y se abren al exterior cerca de la boca m ediante pequeñas hendiduras ciliadas, y el aleteo de dichos cilios ventila la superficie respiratoria. Muchos pepinos de m ar p resentan sacos respiratorios invaginados bastante desarrollados que se denom inan árboles respiratorios y que se conectan con la cloaca, u n a p arte del intestino cerca del ano (Figura 10.10b). Las contracciones m usculares de la cloaca im pulsan el agua a los troncos y las ram as. A continuación, el árbol respiratorio se contrae p ara expulsar el agua nueva m ente. Los pepinos de m ar em plean este pulm ón que funciona con ventilación corriente p a ra realizar el in tercam bio gaseoso cutáneo.
Las lam preas al a lim en tarse em plean la v e n tila c ió n co rrie n te en las branquias Las lam preas y los mixinos presen tan varios pares de sacos branquiales ubicados en la p arte superior del cuerpo (Figura 10.11). En el caso del mixino, una estructura m uscular de bom beo denom inada velo im pulsa el agua por la cavidad respiratoria. El agua pen etra en la faringe po r el orificio respiratorio dor sal, recorre las bolsas branquiales y sale por uno o m ás pares de ab ertu ra s branquiales externas (según la especie). El flujo po r las bolsas branquiales es uni direccional y la corriente sanguínea fluye a contraco rrien te con respecto al flujo de agua.
C A P ÍTU LO 10
Sistem as respiratorios 431
Flujo de agua
Boca
Abertura branquial Bolsa branquial Narina
Velo
Flujo de agua ^ x Boca
Patas tubulares
(a) Mixino (vista lateral y corte longitudinal)
Aberturas braquiales (a) Estrella de mar Boca (con dientes de sujeción) Flujo Boca Faringe de a g u a l _______I
Saco branquial /* * * * *
Flujo de agua Cuando si alimenta
(b )
Lamprea (vista lateral y corte longitudinal)
Fig u ra 10.11.
(b )
Pepino de mar
Fig u ra 10.10.
S is te m a r e s p ir a to r io de los e q u in o d e rm o s .
(a) Las estrellas de m ar em plean tanto las branquias externas, llam adas pápulas respiratorias, com o la superficie de sus patas tubulares para respirar, (b) El árbol respiratorio de los pepinos de m ar se desarrolla com o un bolsillo que sale del intestino, por lo que constituye una invaginación de la super ficie corporal y debe considerarse com o un pulm ó n en lugar de una branquia.
Se cree que la ventilación en las lam preas que no se están alim entando es sim ilar a la del mixino, dado que las lam preas tam bién presen tan un velo que pu e de bom bear agua de form a unidireccional po r las b ranquias. El agua p en etra en la faringe po r la boca, recorre las bolsas branquiales y sale nuevam ente por
S is te m a r e s p ir a to r io de los p e c e s a g n a to s .
(a) Los m ixinos ventilan las branquias m ediante un velo m us cular. Los m ovim ie n to s del velo im pulsan el agua, haciéndola penetrar por la boca, recorrer las branquias y salir por una o más aberturas branquiales. El flu jo que recorre los sacos branquiales es unidireccional, (b) Las lam preas presentan va rias bolsas branquiales, cada una de los cuales tiene una abertura externa. La expansión y contracción de estas bolsas ventila las branquias. Cuando la lamprea se alim enta (y pue de que en otro s m om entos tam bién), la ventilació n de las b ol sas branquiales se realiza de form a corriente, por la cual el agua entra y sale de ellas m ediante la abertura externa.
las ab ertu ra s branquiales externas. Sin em bargo, las lam preas adultas son parásitas y se alim entan suje tándose firm em ente por m edio de su boca redonda con form a de ventosa a la piel de otra especie como los osteíctios con sus múltiples dientes. A continuación, secreta una sustancia que disuelve el tejido del pez an fitrión y se alim enta del tejido disuelto y la sangre. Cuando se alim enta, es incapaz de ventilar las b ra n quias con el agua que fluye de form a unidireccional
432 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
po r la boca, de modo que debe bom bear y expulsar el agua de las b ran q u ias por las aberturas branquiales externas. Así, al alim entarse em plean la ventilación corriente en las branquias. Las lam preas pueden se guir utilizando este sistem a de ventilación durante los periodos de alim entación o pueden directam ente p a sa r a la ventilación unidireccional por la boca.
Los e la sm o b ra n q u io s utilizan una bom ba bucal para la ve n tila ció n Los elasm obranquios (tiburones y rayas) ventilan las cám aras branquiales al expandir el volumen de la cavidad bucal (Figura 10.12). Este aum ento de volu m en succiona líquido hacia la cavidad bucal por la boca y los espirácu los, un p a r de estructuras simila res a fosas nasales en la p arte superior de la cabeza. A continuación, el anim al cierra la boca y los espi-
Flujo de agua
/
XA
V
C abeza de un tiburón (corte horizontal) Fig u ra 10.12.
S is te m a r e s p ir a to r io de los tib u ro n e s .
Para inhalar, los tiburones expanden el volum en de la cavidad bucal, por lo que la consecuente dism inución de la presión succiona agua por la boca y los espiráculos hacia la cavidad bucal. A continuación, el tiburón cierra la boca y eleva el piso de la cavidad bucal, im pulsando el agua por las branquias.
ráculos, y los m úsculos alrededor de la cavidad bucal se contraen, reduciendo el volum en de dicha cavidad, im pulsando el agua por las branquias y expulsándola por las hendiduras branquiales externas. Así, la cavi dad bucal de esta especie actúa como u n a bom ba aspirante e im pelente. En conjunto, am bas fases de bom beo producen un flujo unidireccional pero pulsá til por las branqiúas. La corriente sanguínea por las b ranquias fluye a contracorriente, con lo que incre m enta la eficacia del intercam bio gaseoso.
Los peces tele ósteo s em plean una bom ba b u ca l-o p e rcu la r para la ve n tila ció n Las branquias de los peces teleósteos se ubican en las cavidades operculares, cám aras a las que se llega por la cavidad bucal y que se encuentran protegidas por un a cubierta denom inada op ércu lo (Figura 10.13). El agua p en etra por la boca, a través de la cavidad bucal y la cavidad opercular, y luego sale por la h e n didura form ada por el opérculo. Los peces teleósteos ventilan las b ranqiúas al b ajar la p arte inferior de la cavidad bucal cuando abren la boca. Este aum ento de volum en produce u n a dism inución de presión, volviéndola inferior a la del m edio externo, lo que hace que se succione agua hacia la cavidad bucal. D urante esta etapa, el opérculo perm anece cerrado y u n a bom ba m usculoesquelética am plía el volum en del opérculo p ara que la presión de la cavidad oper cular se vuelva inferior a la de la cavidad bucal, a fin de evitar o dism inuir el flujo a contracorriente. A continuación, el pez cierra la boca y achica la cavidad bucal, im pulsando el agua a la cavidad opercular y aum entando la presión en am bos espacios. Seguida m ente abre el opérculo y el agua fluye de la cavidad bucal hacia la cavidad opercular y sale por la hendi dura opercular. Tanto la cavidad bucal como la oper cular luego vuelven a su posición inicial. En esta etapa pueden presentarse breves periodos de flujo a contracorriente, aim que el flujo es en general unidi reccional y casi continuo durante la m ayor p arte del ciclo de ventilación. M uchos peces activos como el atún y algunas especies de tiburón em plean la v en tilación pasiva. Si un pez n ad a hacia adelante con la boca abierta, el agua fluye por las branquias sin necesidad de bom b earla con los músculos de la cavidad bucal y opercu lar, de m odo que esta estrategia es m uy eficaz porque el pez no necesita utilizar energía p a ra ventilar la superficie respiratoria, aunque puede aum entar la resistencia del pez y así increm entar el esfuerzo de locomoción.
C A P ÍTU LO 10
Sistem as respiratorios 433
Opérculo (cubre
El agua — entra en la cavidad bucal
Se expande la cavidad opercular y cae la presión
( í ) *Se abre la boca • La válvula opercular permanece cerrada •Se expande la cavidad bucal •Se expande la cavidad opercular (b)
( 2) • Se cierra la boca • La válvula opercular permanece cerrada •Se comprime la cavidad bucal •Se expande la cavidad opercular
( 3) • La boca permanece cerrada • Se abre la válvula opercular •Se comprime la cavidad bucal •Se comprime la cavidad opercular
( í) * S e abre la boca •Se abre la válvula opercular •Se expande la cavidad bucal •Se comprime la cavidad opercular
Ciclo de ventilación de los teleósteos
Fig u ra 10.13.
S is te m a r e s p ir a to r io de los p e c e s te le ó s te o s .
(a) Las branquias de los peces teleósteos se ubican en la cavidad opercular, bajo una cubierta m uscular denom inada opérculo. (b) Los peces teleósteos utilizan una bom ba bucal opercular que asegura un flu jo unidireccional y casi contin uo por las bran quias.
Las bra nq uia s de los peces están dispuestas para el flu jo a co n tra co rrie n te Los peces teleósteos p resen tan branquias com plejas con im a gran superficie p a ra el intercam bio gaseoso (Figura 10.14). Los cuatro arcos branquiales propor cionan la estru ctu ra necesaria p a ra las superficies resp irato rias y contienen los vasos sanguíneos afe ren tes y eferentes. Cada arco branquial sostiene dos hileras de fila m en to s branquiales que se proyectan desde arco b ranquial en form a de V. Los extrem os de los filam entos de los arcos adyacentes se superponen
ligeram ente, de m odo que la branquia en su totalidad form a una especie de de tam iz. Los vasos sanguíneos aferentes y eferentes recorren los filamentos, tra n s portando sangre a las superficies respiratorias. Cada filam ento está cubierto por hileras de interdigitaciones denom inados lam elas secundarias, dispuestas de form a perpendicular al filamento. E stas estructu ra s de p aredes delgadas están muy vascularizadas y cubiertas con una fina capa de células epiteliales que actúan como la superficie respiratoria principal. La cantidad de filam entos branquiales y lam elas, así como la superficie branquial total, varían considera-
434 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
opercular
Lamelas primarias
Lamela
Lamela primaria Vaso sanguíneo eferente
Arco branquial
de flujo de los vasos aferentes
Flujo de agua Vaso eferente
F ig u ra 10.14.
Vaso aferente
E s tru c tu ra de una b ra n q u ia de p e z te le ó s te o .
blem ente de u n a especie a otra. Las especies m ás activas, a diferencia de las m enos activas, tienden a contar con una m ayor cantidad de lam elas y una superficie mayor. La corriente sanguínea p o r las lam elas secunda rias fluye a contracorriente con respecto del flujo de agua por las b ranquias. Cuando se equiparan ad e cuadam ente los flujos p o r este sistem a, la extracción de oxígeno del agua puede alcanzar una eficacia de h asta el 70%.
V e n tila c ió n e in te rc a m b io gaseoso en el aire Los anim ales evolucionaron de los hábitats acuáti cos, p o r lo que los anim ales que resp iran en el aire proceden de aquellos que resp iran en el agua. En el p resen te capítulo exam inarem os dos de las principa les líneas de anim ales que colonizaron los hábitats terrestres: los vertebrados y los artrópodos.
Los a rtró p o d o s em plean dife ren te s m e ca nism o s para el in te rca m b io gaseoso en el aire El sistem a respiratorio de los cangrejos terrestre s y sem iterrestres es sim ilar al de sus parientes de agua en ciertos aspectos. Al igual que los crustáceos m ari nos, estos anim ales p resen tan b ranquias ubicadas
en una cavidad branquial, aunque éstas son rígidas p a ra que no tenga lugar im a atelectasia en el aire. Asimismo, las paredes de la cavidad bran q u ial sue len ser delgadas, están altam ente vascularizadas y funcionan como la principal zona de intercam bio gaseoso. Los cangrejos terrestre s ventilan la cavidad branquial de la m ism a m an era que sus parientes de agua: el b atir de los escafognatitos im pulsa el aire dentro y fuera de la cám ara branquial. En algunos cangrejos terrestres, tales como los cangrejos porce lana (género P etrolisthes), las patas que utilizan p a ra cam inar tam bién fim cionan como u n a superfi cie respiratoria adicional. El caparazón de esta parte del cuerpo es delgado p ara perm itir el intercam bio gaseoso. E ntre los crustáceos, los isópodos terrestres (como los bichos bola o las cochinillas de hum edad) son los m ás especializados en cuanto al intercam bio gaseoso en el aire. Algunas especies como el isópodo de m ar Ligia presen tan im a gruesa capa de quitina que funciona como sostén en un costado de la b ra n quia, m ientras que el otro costado es un a delgada p ared especializada p a ra el intercam bio gaseoso aéreo. En otras especies como el A rm adillidium , las b ranquias anteriores están m odificadas y contienen m uchas pequeñas ram ificaciones tubulares llenas de aire denom inadas pseudotráquea. El oxígeno gase oso se difunde por la pseudotráquea y se disuelve en el líquido intersticial. El sistem a circulatorio luego tran sp o rta el oxígeno al resto del cuerpo.
C A P ÍTU LO 10
Lamelas del pulmón en
Espiráculo Fig u ra 10.15.
P u lm o n e s en lib ro de los q u e líc e ro s .
Los pu lm ones en libro consisten en una serie de delgadas placas d enom inadas lam elas. El oxígeno del aire se difunde por la superficie de las lam elas a la hemolinfa.
Sistem as respiratorios 435
el líquido intersticial antes de difundirse po r los teji dos. Los m ovim ientos habituales de u n a a ra ñ a pro ducen modificaciones en la presión de la cavidad corporal, lo que ayuda a ventilar la tráquea. Sin em bargo, algunos científicos afirm an que estos movi m ientos interfieren en el tran sp o rte gaseoso y, por el contrario, reducen la ventilación. Algunos m iriápodos (ciempiés y milpiés) p resen tan sistem as traqueales sim ilares a los de las arañas, aunque los sistem as m ás desarrollados se encuen tra n en los insectos. Al igual que en el caso de los quelíceros, el sistem a traqueal de los insectos se abre al exterior a través de u n a serie de espiráculos, que conducen a las tráqueas repletas de aire, que p ene tra n h asta el interior del cuerpo (Figura 10.16). Las tráqueas se ram ifican y dividen y term inan en unas estructuras dim inutas de paredes delgadas denom i n ad as traq u eólas, cuyo tam año puede ser de tan sólo 0,2 |im de diám etro. Los extrem os de las tr a queólas están llenos de hem olinfa. El oxígeno se disuelve en este líquido y luego se difunde por las del gadas paredes de las traqueólas. No existe u n a clara diferenciación funcional entre las tráqueas y las traqueólas, pero difieren en cuanto al tam año y la estructura. Las tráqueas son tubos relativam ente m ayores que se form an con la unión de varias células epiteliales. En m uchas especies las paredes traqueales están reforzadas con estructuras denom inadas teñidlos. E stas delgadas bandas de cutícula se envuelven alrededor de las p aredes tr a queales en form a de espiral. Algunas especies no p re sentan tenidios en determ inadas p artes de la tráquea y form an en su lugar sacos de aire que se encargan de ventilar el sistem a traqueal en dichas especies. Por el
La m ayoría de los quelíceros que resp iran en el aire (arañas, escorpiones y sus parientes) cuentan con cuatro pulm ones en libro ubicados en la cavi dad corporal (Figura 10.15). Éstos proceden de las branquias en libro de los quelíceros acuáticos como la cacerola de las Molucas: consisten en un a serie de 10 a 100 lam elas muy delgadas que se proyectan a u n a cavidad corporal repleta de aire que se abre al exterior a través de u n espiráculo. El aire se difunde h asta la cavidad p o r el espiráculo y luego atraviesa las p ared es de las lam elas p a ra p ene tra r en la hem olinfa, la cual tra n s p o rta el oxígeno al resto del cuerpo. En m uchos tipos de arañ as, el p ar an terio r de pulm ones en libro se reem plaza p o r un sistem a traqueal, que consiste en una serie de tubos llenos de aire. Algunas especies (como los solífugos o los solpúgidos) carecen de pulm ones en libro y sólo cuentan con u n sistem a traqueal que p en etra en todas las p artes del cuerpo. Las especies con complejos sistem as traqueales casi no em plean el sistem a circulatorio p a ra el tra n s Fig u ra 10.16. S is te m a tr a q u e a l de los in s e c to s . porte gaseoso. Por el contrario, el El aire entra a las trá q u eas a trav és de los espiráculos y recorre los tu b o s q u e se ra oxígeno se difunde en form a gaseosa mifican progresivam ente hacia las traq u eó las. El oxígeno a continuación se disuel por la tráq u ea y luego se disuelve en ve en el líquido extracelular de las traq u eó las y se difunde a los tejidos.
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Integrando sistem as fisiologicos
Caja 10.1 Evolución y diversidad Estrategias respiratorias de los insectos acuáticos
El sistem a traqueal no e s el m ás ad e cuado para la respiración acuática, debido al reducido contenido de oxígeno, la alta densidad y viscosi dad del agua y la relativam ente baja tasa de difusión del oxí gen o en solución. Los insectos acuáticos superan e s te problema de dos m aneras: algunos han desarrollado estru ctu ras denom inadas b r a n q u ia s tra q u e a le s , que les perm iten extraer oxígeno del agua, m ientras que otros em plean estrategias para continuar respirando aire a pesar de en co n trarse en un hábitat acuático. Al igual que las branquias de otras esp ecies, las bran quias traqueales son evaginaciones de la superficie corpo ral, g en eralm ente dispuestas en una serie de estructuras con form a de placa. Sin em bargo, s e encuentran total m en te repletas de tráqueas y traqueólas selladas y llenas d e aire, cubiertas únicam ente por una fina capa de cutícula. Estas branquias m antienen la tráquea en estrech o contacto con el agua, perm itiendo el intercam bio g aseo so por difu sión. Las branquias traqueales en general s e encuentran en los estadios inm aduros de los insectos y son habituales en las n in fa s acuáticas, e s decir, los estadios jóvenes de los insectos que no forman crisálidas. Es posible ubicarlas en diferentes partes del cuerpo, incluyendo el abdom en, la b ase de las patas, el ano y el recto (la parte posterior del intestino). Las ninfas de la m osca de m ayo y la libélula p o seen branquias traqueales en la parte externa d e los seg m en to s abdom inales, que s e m ueven para generar corrien te s d e agua ventilatorias. Los insectos que presentan branquias rectales bom bean el agua hacia adentro y hacia afuera del recto a m odo de ventilación. M uchas e s p ecies de insectos acuáticos sim plem ente evitan utilizar el agua com o m edio respiratorio. Por ejem plo, algunos insectos com o las larvas del m osquito perm a necen cerca de la superficie del agua y respiran por medio d e una estructura especializada que s e extiende sobre la superficie acuática y actúa com o un sifón o tubo de respira-
contrarío, las traqueólas se form an por el vacia m iento de u n a única célula y, por lo tanto, p resentan u n a pared que consta solam ente de dos capas de m em b ran a celular. Las traqueólas son ta n num erosas que una célula de insecto ra ra vez se encuentra a m ás de unos cientos de m icrones, o el diám etro de unas pocas células, de la traqueóla m ás cercana. De hecho, en las células que participan en el m etabolism o, tales como el m úsculo del ala, las traqueólas se ubican dentro de las invaginaciones de la m em brana celular del músculo. Así, la distancia m edia entre las tr a
Larvas de m osquito q ue respiran por sifones.
ción. Para asegurar que en tre aire y no agua, los espiráculos de e s to s sifones respiratorios suelen esta r cubiertos de p e lo s h id ró fu g o s que repelen el agua. Algunas esp ecies tam bién cuentan con lípidos hidrofóbicos en las traqueólas, q ue repelen todo agua q u e pudiera penetrar. Algunas larvas de m oscas (dípteras), incluidas la C h r y s o g a s t e r y la N o t i p h i l a , así com o la larva del escarabajo D o n a d a , utilizan una variante de e sta estrateg ia del sifón. Estos insectos pre sentan un sifón abdom inal punzante q ue utilizan para perfo rar la superficie de las plantas acuáticas y extraer el oxígeno producido por la fotosíntesis. Los insectos q ue respiran a través d e los sifones deben perm anecer cerca de una fu en te d e aire, lo cual les impone g randes limitaciones. M uchos escarabajos y chinches han
queólas puede se r incluso de ta n sólo 3 jim. Las p a re des de las traqueólas son m uy delgadas y perm ane cen siem pre húm edas, características necesarias p ara un intercam bio gaseoso altam ente eficaz. Sin em bargo, debido precisam ente a dichos factores, las traqueólas pueden ser tam bién una zona de pérdida de agua, aum entando el peligro de desecación, espe cialm ente en entornos áridos. En m uchas especies los espiráculos pueden abrirse y cerrarse, lo que p e r m ite sellar el sistem a traqueal del entorno por un tiem po y reducir de este m odo la pérdida de agua.
C A P ÍTU LO 10
adoptado una estrategia diferente: la r e s p i r a c i ó n p o r b u r b u Estos insectos s e sum ergen cargando una llamativa burbuja de aire debajo de las alas, que actúa com o un sum i nistro de aire m ientras el animal perm anece bajo el agua. A m edida que el animal consum e el oxígeno de la burbuja, la presión parcial de oxígeno en la m ism a se vuelve m enor a la del agua circundante. Como resultado, el oxígeno s e difunde por el gradiente de presión parcial del agua a la bur buja, proporcionando oxígeno adicional al animal. Algunos escarabajos aum entan e s te intercam bio g aseo so al agitar el agua que rodea la burbuja con las patas, lo que reduce el e sp e so r de la capa externa de la burbuja e increm enta el oxígeno disponible. Dado que el Po2 de la burbuja e s m enor al del agua y la presión total perm anece al mism o nivel que la presión atm osférica, el Pn2 de la burbuja aum enta levem ente, haciendo que el nitrógeno salga de la burbuja y s e difunda en el agua. Como consecuencia, la burbuja s e va redu ciendo de forma gradual. El nitrógeno e s m enos soluble que el oxígeno en agua, por lo que el prim ero abandona la burbuja m ás le ntam ente de lo que la penetra el segundo, au n q ue de todos m odos la burbuja irá encogiéndose poco a poco. Dado que el C 0 2 presenta una m ayor solubilidad en agua, s e difunde rápidam ente fuera de la burbuja y el C 0 2 producido por el m etabolism o no ayuda a estabilizar el tam año de la burbuja. La difusión del oxígeno en la burbuja e s una función de la superficie de la burbuja (de acuerdo con la ley de Fick), por lo que el transporte de oxígeno dism inuye a medida q u e decrece el tam año de la m ism a. Como resultado, e sto s in sectos deben em erg er periódicam ente a la superficie a fin d e renovar las burbujas. Este problem a s e vuelve aún m ás grave cuando los insectos s e sum ergen a m ayor pro fundidad. La presión hidrostática aum enta con la profundi dad, lo que provoca que el volum en de la burbuja disminuya y s e increm enten el Po2 y el Pn2 en su interior. En e s ta s cir-
ja s .
Los sistem as traqueales perm iten un eficaz in ter cam bio gaseoso en el aire debido a los elevados coe ficientes de difusión gaseosa en com paración con el agua. De hecho, los sistem as traqueales h an evolu cionado de form a independiente en diversos grupos de artrópodos terrestres, lo que indica que h a debido existir u n a fuerte selección natu ral de este tipo de sis tem as resp irato rio s en el aire. Sin em bargo, tales sis tem as no son muy eficaces en el intercam bio gaseoso en el agua. Los insectos que colonizaron los hábitats acuáticos utilizan varios m ecanism os diferentes p ara
Sistem as respiratorios 437
cunstancias, tan to el oxígeno com o el nitrógeno s e difun den fuera d e la burbuja, haciendo q ue el tam año de la m ism a disminuya rápidam ente. Una vez que el Po2 de la burbuja cae a niveles inferiores al Po2 externo, el oxígeno com ienza a difundirse a la burbuja y ésta s e encogerá a m enor velocidad. Sin em bargo, continuará haciéndose m ás pequeña a m edida q ue el nitrógeno s e difunda en el agua, lo que obliga al insecto a em erger. Algunos escarabajos acuáticos p eq u eñ o s evitan regre sar a la superficie al capturar las burbujas d e oxígeno pro ducidas por las algas fotosintetizadoras y añadiendo e s te oxígeno g aseo so a la burbuja. O tras chinches y escarabajos em plean la estrateg ia de los pelos hidrófugos para d e evitar que las burbujas s e encojan. En los in sectos com o el A p h e l o c h e i r u s a e s t i v a l i s , e s to s pelos s e disponen en una estru c tura denom inada p la s tró n , que co n siste en una capa extrem adam en te d en sa de pelos hidrófugos que contiene hasta 2 o 3 millones d e pelos por m m 2. É stos atrapan las burbujas de aire com o una delgada película de gas a lo largo de la superficie corporal. Debido a que no s e pliegan, el volum en del plastrón perm an ece fijo. A medida q ue la bur buja de aire libera nitrógeno en el agua, la tensión superfi cial del punto d e contacto en tre el aire y el agua en tre los pelos evita que la burbuja s e hunda. Ésta alcanza en to n ces un equilibrio con un volum en co n stan te pero una presión interna decreciente. Algunas esp e c ie s de in sectos acuáti cos con plastrones pueden perm an ecer sum ergidas casi indefinidam ente. O tros in sectos acuáticos m antienen grandes reservas de oxígeno en su s cuerpos. Por ejemplo, algunas esp ecies de chinches acuáticas cuentan con m oléculas d e h e m o g l o b i n a en la hemolinfa, que en m uchas esp ecies actúa com o una molécula de alm acenam iento y transporte de oxígeno. La hem oglobina d e los in sectos su ele utilizarse com o reserva de oxígeno, lo q ue les perm ite p erm anecer su m er gidos por periodos prolongados.
evitar el agua como m edio respiratorio (véase la Caja 10.1).
M uchos insectos ve n tila n la tráquea de fo rm a activa El elevado coeficiente de difusión del oxígeno en el aire perm ite que éste se difunda por el sistem a tr a queal y siga satisfaciendo las necesidades m etabóli cas de la m ayoría de las especies de insectos. No obstante, m uchos insectos tam bién ventilan el sis
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Integrando sistem as fisiologicos
tem a traq u eal activam ente m ediante la contracción de los m úsculos abdom inales o los m ovim ientos del tórax. Cuando se co n traen los m úsculos abdom ina les, el volum en del abdom en aum enta, expulsando el aire de la tráquea. Al relajarse, el abdom en vuelve a su volum en habitual, dism inuyendo la presión en la tráq u ea y haciendo que el aire p enetre en ella por flujo global. De igual modo, a m edida que se baten las alas, los m úsculos torácicos se contraen y se relajan, m odificando el volum en de la tráq u ea dentro del tórax, lo que hace que el aire entre y salga de la tr á quea p o r flujo global. La dirección del flujo de aire por el sistem a tr a queal v aría en tre los d iferentes insectos. Los que cu en tan con sistem as traq u eales relativam ente sim ples em plean la ventilación corriente, m ien tra s que en otros el flujo de las tráq u eas principales es unidi reccional. Por ejem plo, en el caso de las cucarachas y langostas, el aire p e n e tra p o r los espiráculos an te rio res, reco rre la trá q u e a de form a longitudinal y sale p o r los espiráculos abdom inales de la p arte tra s e ra del cuerpo. E sta ventilación unidireccional p u ed e au m e n ta r la eficacia del intercam bio gaseoso al p ro p o rcio n ar u n sum inistro de aire puro conti n u am en te a las superficies resp irato rias, aunque incluso en el caso de estos insectos las tráq u eas se cu n d arias utilizan la ventilación corriente. Algu n os insectos voladores, como los escarabajos ceram bícidos (o longicornios), aprovechan la venti lación pasiva, que tam b ién se denom ina ventilación p o r corriente en insectos, p a ra v entilar las tr á queas. La observación de insectos vivos en los últimos tiem pos m ediante u n a novedosa técnica de obtención de im ágenes p o r radiación sincrotrón indica que el volum en de las tráq u eas puede alterarse hasta un 50% en u n veloz ciclo de expansión y com presión que se produce cada uno o dos segundos (Figura 10.17) y que no puede explicarse en térm inos de modificacio n es en el volum en abdom inal o torácico. Los cambios resultantes en la presión traqueal im pulsan el aire por flujo global. Este m ecanism o respiratorio recien tem ente descubierto y totalm ente imprevisto en los insectos sin lugar a dudas nos obligará a replantear n u estra com prensión sobre el modo en que los insec tos obtienen oxígeno del entorno. Algunos insectos utilizan u n patrón de ventilación conocido como el intercam bio g aseoso in term i ten te, sobre todo cuando se encuentran en reposo. Este p atrón se produce en tres fases (Figura 10.18). En la prim era fase, la fa s e cerrada, los espiráculos perm anecen cerrados, evitando así el intercam bio
Tráquea expandida
(a)
(b) F ig u ra 10.17.
Im á g e n e s o b te n id a s p o r r a d ia c ió n s in c r o
tró n de la s trá q u e a s de un in s e c to .
Un sincrotrón, instrum ento que g enera un rayo de luz extre m adam ente lum inoso, se em plea para ob ten er vídeos radio gráficos de alta definición. M ediante esta técnica, los científicos han podido visualizar los m ovim ientos de las trá qu ea s de los insectos. En algunas especies, éstas llevan a cabo rápidos ciclos de expansión y contracción que son inde p endientes de los m ovim ientos del resto del cuerpo. Dichos m ovim ientos ayudan a ventilar las tráq u eas. (Reimpreso con el perm iso de W estneat, M.W. y col. 2003. Tracheal respi ration in insects. S c i e n c e 299 (5606): 588-560 C opyright 2003 AAAS).
gaseoso con el entorno. Como resultado, la presión parcial del oxígeno en las traqueólas disminuye a m edida que las m itocondrias consum en el oxígeno. Sin embargo, la presión parcial del dióxido de carbono no se increm enta de igual modo, dado que el dióxido de carbono producido po r el metabolism o reacciona con el agua del líquido intersticial p ara form ar bicar bonato (HC03~). La caída en el nivel de oxígeno sin un aum ento en el dióxido de carbono produce u n a leve
C A P ÍTU LO 10
dism inución en la presión gaseosa total de las tráqueas. En la fase siguiente, denom inada la fa s e de aleteo, los espiráculos se abren y cie rra n varias veces, rápida y sucesiva m ente. La baja presión de las tráqueas hace que el aire penetre en el cuerpo del insecto, impulsándolo m ediante flujo global por el gra diente de presión resultante. Final m ente, a m edida que se acum ula el dióxido de carbono y ya no es posible alm acenarlo como HC03~, la presión parcial del dióxido de carbono com ienza a increm entarse. En este m om ento, los espiráculos se abren por completo y se libera rápida m ente el dióxido de carbono. La im portancia del intercam bio gaseoso interm itente en lo referen te a la adaptación es tem a de deba te en tre los fisiólogos de insectos y se h an presen tad o tres hipótesis principales p a ra explicar este fenó m eno.
Cerrados
Fluctuación
Sistem as respiratorios 439
Abiertos
Tiempo (h) Fig u ra 10.18.
C ic lo s de in te r c a m b io g a s e o s o in te r m ite n te en los in s e c to s .
• El intercam bio gaseoso interm i A lgunos insectos m antienen los espiráculos cerrados d urante periodos prolonga tente puede facilitar la venti do s y sólo los abren brevem ente para el intercam bio gaseo so . ( F u e n t e : A daptado lación traq u eal al obtener una de Hetz y Bradley, 2005). baja presión gaseosa total o al inducir u n bajo nivel de Po2, de modo que el los tejidos sólo se exponen a elevados niveles de oxígeno se difunda en el anim al. Esto tiene espe Po2 en la fase abierta, m ientras que el Po, de las cial relevancia p ara los insectos que p asan gran tráq u eas perm anece bajo d urante el resto del p arte o la totalidad de su ciclo de vida bajo tierra, ciclo respiratorio. donde el nivel de Po 2 es bajo y el de Pco2 es alto. Es necesario continuar las investigaciones a fin • El intercam bio gaseoso interm itente puede ayu de d eterm inar cuál de estas hipótesis explica la evo d ar a m inim izar la p érdida de agua por las lución del intercam bio gaseoso interm itente en los tráq u eas, dado que se p erd ería agua sólo en la insectos. breve fase ab ierta del ciclo respiratorio. • El intercam bio gaseoso interm itente puede pro teger a los insectos de los efectos dañinos del oxígeno. Si bien el oxígeno es necesario p ara la vida anim al, es tam bién un químico altam ente reactivo que puede d a ñ a r los tejidos. Cuando los espiráculos de u n insecto se abren en su totali dad, el aire puro se difunde por el cuerpo, lo que h ace que el nivel de Po 2 en los extrem os de las traqueólas se aproxim e a los 20 kPa. En los ver tebrados, los tejidos internos r a ra vez se expo n en a u n Po 2 m ás elevado que 0,5 kPa, y la exposición a altos niveles de Po 2 causa daños en los tejidos. D urante la ventilación discontinua,
La resp iración aérea ha e v o lu cio n a d o varias veces en los verte b ra d o s Se cree que alrededor de 400 especies de peces exis tentes obtienen la totalidad o p arte del oxígeno del aire y que la respiración aérea h a evolucionado varias veces en ellos. Como resultado de estos pasos evolutivos independientes, los peces utilizan diversas estructuras p a ra el intercam bio gaseoso en el aire. Por ejemplo, los perioftalm os cuentan con branquias especializadas “reforzadas” que no se hu n d an del todo en el aire, lo que perm ite que el pez realice cierto intercam bio gaseoso fuera del agua. Muchos
440 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
peces p resen tan órganos accesorios de respiración especializados que em plean adem ás o en lugar de las b ran q u ias p a ra respirar. Las anguilas eléctricas utili zan la boca y la cavidad faríngea p ara el intercam bio gaseoso. La p arte in tern a de la boca está altam ente vascidarizada, lo que perm ite un im portante in ter cam bio gaseoso. Otros peces, incluyendo las viejas de agua (Liposarcus anisitsi), cuentan con estóm agos altam ente m odificados y vascularizados que em plean p a ra el intercam bio gaseoso en el aire. Muchos peces que resp iran en el aire, como los bichires (Polipteriform es) y los peces pulm onados (Dipnoos), utilizan bolsas especializadas de los intestinos p a ra el in ter cam bio gaseoso. Los peces pulm onados cuentan con los órganos accesorios de respiración m ás desarrollados de entre los peces. Las p aredes de estos pulm ones son muy com plejas y están cubiertas de pliegues y bolsas que aum entan la superficie respiratoria. Existen tres géneros vivos de peces pulm onados: el pez pulm o nado australiano (N eoceratodus) tiene un solo pul m ón y b ran q u ias bien desarrolladas, m ientras que el pez pulm onado africano (P rotopterus) y el pez pul m onado sudam ericano (Lepidosiren) presen tan pul m ones bilobulados y b ran q u ias de m enor tam año. Tal y como se analizó en el Capítulo 9, adem ás de los pulm ones altam ente desarrollados, los peces pulm o nados cuentan con un sistem a circulatorio de dos cir cuitos con un circuito pulm onar separado, lo que le
perm ite se p ara r la sangre oxigenada que procede del sistem a pulm onar de la sangre desoxigenada que proviene de los tejidos. Se cree que unos anim ales sim ilares a los peces pulm onados son el antepasado com ún de los tetrápodos (anfibios, reptiles, aves y mam íferos). Los peces que respiran en el aire ventilan los órga nos respiratorios a través de u n a bom ba bucal impelente sim ilar a la de los otros peces (Figura 10.19). Dejan caer el piso de la cavidad bucal y el aum ento de volumen produce una disminución en la presión que im pulsa el aire al interior de la boca. Al cerrarla y ele var el piso de la cavidad bucal, el pez im pulsa el aire por el órgano respiratorio. En pocas palabras, los peces que respiran en el aire simplemente tragan aire.
Los a n fib io s ve n tila n los pu lm o nes m ed ia nte una b o m ba bucal Los anfibios utilizan respiración cutánea, branquias externas, pulm ones o alguna com binación de las tres p ara el intercam bio gaseoso, dependiendo de que obtengan el oxígeno del agua o del aire. Éstos p re sentan pulm ones de bilobulados relativam ente senci llos que se form an como evaginaciones de la cavidad bucal. En algunas especies son incluso sim plem ente un p a r de sacos de paredes delgadas y altam ente vas cularizados. No obstante, en las ra n a s y los sapos terrestre s la p arte in tern a de los pulm ones se
Cámara de aire anterior del órgano respiratorio Cámara de aire posterior "“O del órgano respiratorio
( í ) • Se abre la boca • Se expande la cavidad bucal • El aire penetra en la cavidad bucal
Fig u ra 10.19.
( 2 ) • Se cierra la boca • Se comprime la cavidad bucal • El aire entra en la cámara del aire anterior del órgano respiratorio
• La boca permanece cerrada • La cámara anterior permanece cerrada • Se contrae la cámara posterior • Se exhala el aire de desecho por la cámara posterior • El aire sale por el opérculo
C ic lo de v e n tila c ió n de los p e c e s que re s p ira n en e l a ire .
4
) • La boca permanece cerrada • Se abre la cámara anterior • Se contrae la cámara anterior • El aire penetra en la cámara posterior • Se produce el intercambio gaseoso
C A P ÍTU LO 10
Boca
Narinas Cavidad Glotis I bucal /(cerrada)
i ) • El aire penetra en la bolsa de la cavidad bucal
F ig u ra 10.20.
Sistem as respiratorios 441
(cerrada)
( 2) • Se abre la glotis • Los pulmones vuelven de forma elástica a su posición original y la compresión de la pared torácica reduce el volumen pulmonar • El aire se expulsa de los pulmones y sale de la boca y las narinas
( 3)" • La boca y las narinas se cierran • El piso de la cavidad bucal se eleva • El aire se impulsa hacia los pulmones
(4 ) • Se clerrra la glotis • Se produce e intercambio gaseoso en l< pulmones
C ic lo de v e n t ila c ió n de la s ra n a s .
encuentra plegada o dividida en tabiques denom ina dos septos, lo que otorga im aspecto alveolado e increm enta la superficie disponible p ara el intercam bio gaseoso. Los anfibios ventilan los pulm ones a través de u n a bom ba bucal sim ilar a la utilizada por los peces que resp iran en el aire. En el prim er paso de la venti lación, la ra n a expande la cavidad bucal, im pulsando el aire por las n arin as abiertas (orificios respirato rios) o la boca (Figura 10.20). En esta etapa del ciclo la g lotis, u n a p equeña capa de tejido que actúa como válvula p a ra los pulm ones, se encuentra cerrada. Como resultado, se retiene el aire puro en un saco de la cavidad bucal. Es posible que la ran a repita los m ovim ientos bucales varias veces p ara renovar por completo el aire. A continuación, se abre la glotis. El retroceso elástico del pulm ón im pulsa el aire de des echo a la cavidad bucal y hacia fuera po r la boca y las narin as. La contracción m uscular en la pared to rá cica ayuda a realizar esta exhalación. El aire expul sado se m ezcla poco con el aire puro que se retiene en la cavidad bucal. A continuación, se cierran las n arin as y el piso de la cavidad bucal se eleva, im pul sando el aire de dicha cavidad a los pulm ones. En este m om ento se cierra la glotis como resultado de las contracciones m usculares, sellando los pulm ones y evitando que se escape el aire d urante el tiem po necesario p a ra el intercam bio gaseoso. Los anfibios generalm ente resp iran de m anera interm itente. Suelen h acer pausas d urante periodos considerables de tiem po antes de com enzar el ciclo respiratorio de nuevo. D urante el tiem po en que los
pulm ones están sellados por la glotis, la ra n a puede b om bear aire dentro y fuera de la cavidad bucal varias veces. Las diferentes especies de anfibios em plean m étodos de ventilación ligeram ente distin tos. En algunas especies, la ran a exhala aire de los pulm ones antes de llenar la cavidad bucal (es decir, los pasos descriptos en la Figura 10.20 se realizan en el orden 2, 1, 3, 4).
Los reptiles v e n tila n los pu lm o n e s m ed ia nte una bom ba aspirante La m ayoría de los reptiles tienen dos pulm ones, au n que las serpientes pueden ten er un solo pulm ón o uno bastante m ás pequeño que el otro. El pulm ón m ás sencillo, el unicameral, consiste en una cám ara con form a de saco con u n a pared de aspecto alveolar, sim ilar a la de los pulm ones anfibios m ás complejos. En el caso de las especies m ás activas, como los v a ra nos, las tortugas y los cocodrilos, los pulm ones están divididos en m uchas cám aras, lo que increm enta considerablem ente la superficie disponible p a ra el intercam bio gaseoso. Cada uno de estos pulm ones m ulticam erales presenta un tubo rígido denom inado b ronquio que perm ite que el aire p enetre en las cám aras pulm onares. En algunos reptiles la parte posterior del pulm ón está m uy poco vascularizada y actúa como fuelle p ara ayudar en la ventilación pul m onar. Los reptiles dependen de unas bom bas aspirantes (de succión) p ara ventilar los pulm ones, en lugar de im p ulsar el aire a éstos m ediante un a bom ba bucal. Esta
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Integrando sistem as fisiologicos
im portante innovación evolutiva separa los músculos utilizados p ara la alim entación de los em pleados para la ventilación, y tam bién puede observarse en aves y m am íferos. En todos estos grupos el ciclo de ventila ción se divide en dos fases: durante la in sp iración (in halación), el volum en de la cavidad torácica aum enta, dism inuyendo así la presión y haciendo que el aire pe n etre los pulm ones. D urante la espiración (exhala ción), el volum en de la cavidad torácica disminuye, increm entando la presión y expulsando el aire. Los reptiles em plean diversos m ecanism os p ara v ariar el volum en de la cavidad torácica d urante la respiración (Figura 10.21). Las serpientes y lagartos utilizan los m úsculos intercostales, ubicados entre las costillas. La contracción de un grupo de intercos tales eleva las costillas hacia adelante y hacia afuera, aum entando el volum en de la cavidad torácica y suc cionando aire hacia los pulm ones. En los lagartos, los m úsculos intercostales tam bién se em plean p a ra la locomoción: cuando u n lagarto corre, m ueve el cuerpo hacia adelante y hacia atrás lateralm ente, en form a de S, un movim iento en el que participan los m úsculos intercostales. Así, las contracciones m us culares necesarias p a ra la locomoción pueden influir en la ventilación pulm onar de algunas especies. Se sabe que algunos lagartos com plem entan la ventila ción con una bom ba bucal sim ilar a la em pleada por los anfibios, en especial d u ran te la locomoción. Las tortugas y galápagos (10.21b) presen tan una caja torácica fusionada con su duro caparazón, por lo que no pueden m overse p ara ventilar los pulm ones. En lugar de ello, estos anim ales cuentan con un par de m úsculos abdom inales de form a lam inar que expanden y com prim en los pulm ones. A dem ás, los m ovim ientos de las extrem idades ayudan a la venti lación pulm onar. No obstante, al igual que en el caso de los lagartos, d u ran te la locomoción pueden surgir conflictos entre los m ovim ientos necesarios p a ra la ventilación, por u n a parte, y p a ra la locomoción, por otra. Las tortugas no utilizan la bom ba bucal p ara ayudar a ventilar los pulm ones. En el caso de los cocodrilos (Figura 10.21c), una delgada capa de tejido conjuntivo denom inada septo hepático se une firm em ente con la p arte anterior del hígado y divide la cavidad visceral en un espacio ante rio r y otro posterior. Los músculos diafragm áticos se disponen de a pares desde el septo hepático hasta la cintura pélvica. Cuando se contraen estos m úsculos estiran el septo hepático y el hígado, dism inuyendo el volum en de la cavidad abdom inal y aum entando el volum en pulm onar. Este aum ento dism inuye la pre sión en los pulm ones y el efecto de succión resultante
Inhalación: las costillas se mueven hacia adelante y afuera y el tórax se expande
Pulmón
Exhalación: las costillas se mueven hacia atrás y adentro y el tórax se comprime
Músculos intercostales
(a) Ventilación pulmonar en los lagartos Los movimientos de los músculos abdomi nales y las extremida des modifican el volu men del tórax
Tráquea
(b) Ventilación pulmonar en los quelonios (tortugas) La contracción y relajación de los músculos diafragmáticos altera el volumen torácico
Flujo de aire
Pulmón
Cavidad abdominal ____ I____
Cavidad torácica ___ I____
Diafragmático
Cintura pélvica
(c) Ventilación pulmonar en los cocodrilos Fig u ra 10.21.
V e n tila c ió n p u lm o n a r en los r e p tile s .
(a) Los lagartos ventilan los pulm ones m ediante los m úsculos intercostales, (b) Los que lonios ventilan los pulm ones a tra vés de m ovim ien tos de los m úsculos abdom inales especiali zados y las extrem idades, (c) Los cocodrilos ventilan los pulm ones utilizando los m úsculos diafragm áticos.
hace que penetre el aire. En pocas palabras, el hígado actúa como un pistón que ayuda a com prim ir y a expandir los pulm ones de form a alterna.
Las aves v e n tila n los pu lm o nes de fo rm a u n id ire ccio n a l Las aves cuentan con pulm ones rígidos que experi m entan leves modificaciones de volumen a lo largo del ciclo de ventilación. En lugar de ello, presentan una
C A P ÍTU LO 10
serie de sacos de aire flexibles vinculados con los pul m ones que actúan a modo de fuelles (Figura 10.22a). El aire en tra al sistem a respiratorio por las n arin as y la boca y reco rre la tráq u ea reforzada con cartílago. En la syrinx, que funciona como la laringe del pájaro, la tráq u ea se divide en dos bronquios prim arios que conducen a los respectivos pulm ones. A m edida que los bronquios en tran en los pulm ones, se ram ifican Bronquio primario
Tráquea
Sacos aéreos anteriores Sacos aéreos posteriores
(a) Ventrobronquio Parabronquio
Flujo posteriores de aire en el parabronquio
Fig u ra 10.22.
E s tru c tu ra p u lm o n a r de la s a ve s.
El sistem a respiratorio de las aves consiste en un par de p u l m ones rígidos y una serie de sacos aéreos altam ente extensibles. El pulm ón rígido se com pone de hileras hexagonales de parabronquios. Las extensiones de los parabronquios, deno m inadas capilares aéreos, son las zonas de intercam bio ga seoso.
Sistem as respiratorios 443
en bronquios secundarios denom inados bronquios dorsales y luego en tubos m ás pequeños llam ados p arabronquios, que se disponen paralelam ente de form a hexagonal (Figura 10.22b). Los parabronquios conducen luego a los bronquios secundarios denom i nados ventrobronquios y nuevam ente a los b ro n quios prim arios. La pared de los parabronquios se pliega form ando cientos de dim inutas estructuras sin salida llam adas capilares aéreos, que se encuentran altam ente vascularizados y actúan como la zona de intercam bio gaseoso. El aire se difunde de los parabronquios a los capilares aéreos y luego p enetra en la sangre. Las delgadas paredes de los capilares aéreos perm iten el intercam bio gaseoso por difusión sin inconvenientes. En las aves, la ventilación de los pulm ones requie re dos ciclos de inhalación y exhalación. Debido a este p atrón de ventilación, el flujo de aire que recorre las su perficies respiratorias de los pulm ones es unidireccion aly casi continuo. La Figura 10.23 explica elrecorrido de un a bocanada de aire a m edida que se desplaza por el sistem a respiratorio del ave. Las aves inhalan ex pandiendo el volum en del pecho, utilizando los m úscu los costales y los sujetos al esternón. Este movimiento increm enta el volum en de los sacos de aire y dism inu ye la presión en su interior. El aire se introduce por la tráquea y los bronquios por el gradiente de presión y se desplaza sobre todo a los sacos de aire posteriores. A continuación, el ave exhala com primiendo el pecho, lo que aum enta la presión dentro de los sacos de aire. Di cho gradiente de presión em puja el aire de los sacos posteriores hacia los pulm ones. La inhalación siguien te desplaza el aire desde los pulm ones h asta los sacos de aire anteriores. A continuación, con la siguiente ex halación, el aire abandona los sacos de aire anteriores, recorre la tráquea nuevam ente y se expulsa por la boca o las narinas. Cabe destacar que si bien hem os se p ara do el ciclo de ventilación en cuatro pasos p a ra una m a yor claridad, este proceso en realidad se produce de m an era sim ultánea. Ambos grupos de sacos de aire se distienden durante la inhalación, pero el aire puro del entorno entra en los sacos de aire posteriores, m ientras que el aire de desecho de los pulm ones se tran sp o rta a los sacos de aire anteriores. Durante la exhalación, am bos grupos de sacos se desinflan, haciendo que el aire puro de los sacos posteriores pase a los pulmones, m ientras que el aire de desecho de los sacos anteriores se expulsa por las narinas y la boca. Los pulm ones de las aves son extrem adam ente eficaces y pueden extraer un elevado porcentaje de oxígeno del aire. De hecho, el Po 2 de la sangre que sale de los pulm ones suele ser m ayor que el del aire
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
La primera inhalación hace que el aire puro fluya por los bronquios hacia los sacos aéreos posteriores F ig u ra 10.23.
(2 ) La primera exhalación impusa el aire puro de los sacos aéreos posteriores hacia los pulmones
( 3 ) La segunda inhalación hace que el aire de desecho fluya de los pulmones a los sacos aéreos anteriores
( 4) La segunda exhalación impulsa el aire de desecho de los sacos aéreos anteriores hacia el exterior por la tráquea
C ic lo de v e n tila c ió n de la s a ve s.
exhalado. Según lo analizado, sólo los patrones de flujo contracorriente o cruzado pueden explicar este fenóm eno. A fin de diferenciar am bas posibilidades, los fisiólogos respiratorios realizaron el experim ento de invertir la dirección del flujo aéreo en el pulm ón de u n pájaro. Si el flujo se realizara a contraco rriente, la inversión debería h ab er dism inuido consi derablem ente la eficacia de extracción del oxígeno. Sin em bargo, el Po 2 de la sangre procedente del pul m ón su p erab a de todos m odos al del aire exhalado, sin im p o rtar la dirección del flujo aéreo. Este análisis dem uestra que la corriente sanguínea del pulm ón en las aves fluye de form a cruzada, lo que perm ite una alta eficacia de extracción del oxígeno. Es posible que dicha eficacia sea necesaria p a ra m an ten er el vuelo y puede desem peñar un papel im portante en la capaci dad de los pájaros p a ra to lerar grandes alturas.
Los alve o lo s son el lu ga r do nd e se produce el in te rca m b io gaseoso en los m am íferos El sistem a respiratorio de los m am íferos se ubica dentro de la cavidad torácica o tórax y se divide en u n tracto respiratorio superior, que consta de la boca, la cavidad nasal, la faringe, la laringe y la tr á quea, y u n tracto respiratorio inferior, que consta de los bronquios y las superficies de intercam bio gaseo so (Figura 10.24). El aire p en etra en los pulm ones a través de la boca y las fosas nasales, recorre la faringe y laringe y luego en tra en la tráq u ea refor zada p o r cartílago. La tráq u ea se divide en dos b ro n
quios prim arios, que a su vez se ram ifican en tubos m enores denom inados bronquios secundarios, te r ciarios y bronquiolos. Estos últimos term inan en sacos de p aredes delgadas y sin salida llam ados alveolos, que son el lugar en donde se produce el intercam bio gaseoso. El epitelio alveolar se com pone de dos tipos de células: las células alveolares delgadas de Tipo I se encargan del intercam bio gaseoso, m ientras que las de Tipo II, m ás gruesas, cum plen diversas funciones, incluidas las de m antener el equilibrio de líquidos en los pulm ones, secretar lipoproteínas denom inadas ten sioactivos y re p a ra r el epitelio alveolar. Los al veolos están cubiertos po r im a extensa red de capila res que com prenden entre el 80% y el 90% de la superficie alveolar. Am bos pulm ones están envueltos en un saco lle no de líquido denom inado saco p leu ral, que form a una doble m em b ran a alrededor de cada pulm ón (Fi gura 10.25). La presión in trap leu ral es por lo general subatm osférica, m ientras que la de los pulm ones en reposo equivale a la de la presión atm osférica. La p re sión inferior en el exterior de los pulm ones tiende a ab rir los pequeños tubos de aire y los alveolos, lo que evita que estas frágiles estructuras se h undan. Si se p in ch ara el saco pleural, la presión de la cavidad pleu ral au m en taría y se produciría u n a aelectasia de es tos pequeños tubos de aire y alveolos. E sta afección, conocida como neum otorax, produce u n a grave falta de aliento por la p érdida de los alveolos como su p er ficie eficaz de intercam bio gaseoso.
C A P ÍTU LO 10
Los m a m íferos em plean la ve n tila ció n co rrie n te para los pu lm o n e s
Sistem as respiratorios 445
Presión armosférica 760 mm Hg Saco pleural: presión intrapleural de 756 mm Hg
Los m am íferos p resen tan un p atró n de ventilación corriente. La inhalación com ienza cuando las n eu ro n a s m otoras som áticas originan la contracción del
Alveolos: presión intraalveolar de 760 mm Hg
Cavidad nasal
Boca Cavidal bucal
Pulmón
elástico pulmonar
F ig u ra 10.25.
Saco pleural
Fuerza la presión intrapleural negativa
Pared torácica
elástico de la pared torácica
R e la c ió n e n tre los p u lm o n e s , la p le u ra y la
p a re d to r á c ic a .
En reposo, la presión Intrapleural es m e n o rq u e la presión at m osférica, lo que estira los pulm ones y los m antiene expan didos. Poros alveolares
Macrófago alveolar Fig u ra 10.24.
' Capilares
E s tru c tu ra de los p u lm o n e s m a m ífe ro s .
Los pulm ones m am íferos constan de vías aéreas que no parti cipan en el intercam bio gaseoso y que term inan en una serie de sacos sin salida interconectados denom inados alveolos que conform an la superficie respiratoria. Los alveolos presentan form a de polígono, con paredes planas, y están cubiertos de vasos sanguíneos y suspendidos en una matriz de colágeno.
diafragm a y los m úsculos intercostales externos de la caja torácica. E stas contracciones hacen que las cos tillas se expandan y el diafragm a descienda, aum en tando así el volum en del tórax. Este increm ento de volum en dism inuye la presión intratorácica, que estira la pleura y dism inuye la presión de la cavidad pleural. Este descenso de presión intrapleural pro duce un increm ento en la diferencia de presión en las p aredes alveolares. El aum ento del gradiente de p resión tran sp u lm on ar produce u n a expansión de los pulm ones, dism inuyendo la presión de los alveo los. El gradiente de presión resultante entre la atm ósfera y los alveolos hace que el aire fluya hacia los pulm ones. La exhalación com ienza cuando los im pulsos nerviosos de las neuronas m otoras som áticas que recorren los m úsculos intercostales externos y el d ia fragm a se interrum pen, lo que perm ite que estos m úsculos se relajen. El tórax vuelve entonces a su posición inicial, dism inuyendo el volum en torácico y aum entando la presión intrapleural. Dado que los
446 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
Inhalación
F ig u ra 10.26.
Exhalación
C a m b io s de p re s ió n en los p u lm o n e s m a
m ífe ro s d u ra n te la r e s p ir a c ió n en reposo.
pulm ones contienen m ateriales elásticos, cuando no se estiran por la baja p resión intrapleural tienden a volver a su posición inicial. Este retro ceso elástico de los pulm ones dism inuye el volum en pulmonar, haciendo que se increm ente la presión alveolar y que el aire salga de los pulm ones. La Figura 10.26 resum e las variaciones de presión en el interior de la cavidad p leural y los pulm ones durante la resp ira ción en reposo. En el caso de la respiración agitada y p rofunda como la que se produce d urante el ejercicio físico, esta exhalación pasiva no es suficiente p a ra la ventilación, p o r lo que la contracción de los músculos intercostales internos y abdom inales com prime el tórax y expulsa el aire de los pulm ones de m an era activa.
El tra b a jo re q u e rid o para la ve n tila ció n depende de la resistencia de los pu lm o n e s La cantidad de energía que se necesita p ara ventilar los pulm ones depende de las propiedades elásticas de los pulm ones y la pared torácica, así como de la resis tencia al flujo de aire en las vías aéreas pulm onares.
La capacidad de los pulm ones de cam biar de form a de m anera reversible puede cuantificarse em pleando dos parám etros: la distensibilidad, que indica la facilidad p ara estirar determ inada estructura, y la elasticidad, que expresa la facilidad con la que la estructura recu p era su form a original. La distensibilidad pulm onar se define sencillamente como la m agnitud de variación del volum en pulm onar ocasionada po r cambios de presión. Los pulm ones que presentan una alta disten sibilidad se estiran m ás ante un cambio de presión que aquellos que cuentan con u n a distensibilidad reducida. Cuanto m enor sea la distensibilidad, m ás difícil resultará expandir los pulm ones y por ello m ayor será el esfuerzo de inhalación necesario. La distensibilidad pulm onar puede variar como resultado de algunas enferm edades. Por ejemplo, en el caso de la fibrosis pulm onar, que puede producirse por la inhalación crónica de am ianto, silicio o polvo de car bón, el tejido cicatrizado de los pulm ones reduce la distensibilidad y dificulta la respiración. Como conse cuencia, los individuos que padecen fibrosis pulm onar tienden a resp irar de form a m ás rápida y superficial p ara obtener la cantidad suficiente de oxígeno. La elasticidad pulm onar es lo opuesto a la disten sibilidad pulm onar y m ide el grado y/o la rapidez de vuelta al volum en en reposo u n a vez que el pulm ón se h a estirado. Cuando se p resen ta un a baja elastici dad pulm onar, los pulm ones son incapaces de volver a su form a original u n a vez que los m úsculos resp ira torios se han relajado. Como consecuencia, si la elas ticidad pulm onar es reducida, la exhalación debe ser activa en lugar de pasiva. En el caso de la enferm e dad enfisem a, se deterioran las fibras elásticas de los pulm ones, por lo que los individuos que padecen esta enferm edad cuentan con u n a alta facilidad p a ra insuflar los pulm ones (por la alta distensibilidad), pero dado que la elasticidad es reducida no podrá volver a su form a original igual que un pulm ón sano. Así, los enferm os de enfisem a tienen dificultades p a ra exhalar y deben em plear esfuerzo p a ra resp irar incluso en reposo.
Los te n sio a ctivo s aum entan la d is te n s ib ilid a d p u lm o n a r La tensión superficial del líquido que recorre los al veolos es la fuerza principal que ofrece resistencia a la distensión pulmonar. En los pulm ones m amíferos, la m ayor parte del esfuerzo en la inhalación se dedica a hacer frente a esta fuerza. La tensión superficial proviene de la unión del hidrógeno de las moléculas de agua. Los tensioactivos secretados por las células
C A P ÍTU LO 10
alveolares de Tipo II quiebran estas fuerzas cohesivas y reducen la tensión superficial de la capa de líquido que recorre los pulm ones. Así, los tensioactivos aum entan la distensibilidad pulm onar y aum entan así su facilidad de estiram iento. La secreción de ten sioactivos de las células de Tipo II se regula, y, al estirar dichas células (por ejemplo, durante la respi ración profunda), se estim ula la secreción. En los seres hum anos, la síntesis de tensioacti vos com ienza en u n a etapa relativam ente tard ía del desarrollo em brionario. Como consecuencia, los bebés que nacen p rem atu ros (más de ocho sem anas antes) no cuentan con el nivel necesario de tensioac tivos en los pulm ones, lo que dism inuye considera blem ente la distensibilidad pulm onar. Esta baja distensibilidad dificulta la respiración de los bebés p rem atu ro s y puede producir el síndrom e de dificul ta d respiratoria. La am niocentesis puede utilizarse con antelación al p arto p a ra d eterm in ar si el bebé sintetiza la cantidad n ecesaria de tensioactivos. Si no es posible re tra s a r el parto, el médico puede adm i n istrar corticosteroides a la m adre: estos fárm acos cruzan la p lacenta y aceleran el desarrollo pulm onar del bebé. D espués del parto, es posible tra ta r a los bebés con u n leve síndrom e de dificultad resp irato ria con oxígeno o respiración artificial. Asimismo, con frecuencia se tra ta a los bebés p rem aturos con tensioactivos artificiales que se pulverizan sobre los pulm ones o se ad m in istran a través de tubos de re s piración artificial.
La resistencia de las vías aéreas in flu ye en el tra b a jo necesario para respirar La resistencia de las vías aéreas es el determ inante final del esfuerzo exigido p a ra respirar. La ley de flujo global y la ley de Poiseuille (véase el Capítulo 9) nos indican que el diám etro de las vías aéreas es el factor m ás im portante en la determ inación de la resistencia de las m ism as. Esta resistencia influye en la m agni tud del gradiente de p resión necesaria p a ra expulsar el aire de los pulm ones. Cuando el diám etro de la vía aérea es pequeño, se p resen ta u n a alta resistencia y p o r ello se necesita u n a presión transpulm onar m ayor p a ra expulsar el aire. Dado que las contraccio nes m usculares y la consecuente modificación en el volum en torácico alteran la presión transpulm onar, debe dedicarse m ayor esfuerzo y m ás trabajo p a ra distendir los pulm ones cuando el diám etro de la vía aérea es reducido. El sistem a nervioso, las horm onas y los m ensaje ros químicos paracrin o s pueden afectar al diám etro
Sistem as respiratorios 447
de los bronquiolos. D urante la broncodilatación, el diám etro de la vía aérea aum enta, m ientras que en la broncoconstricción dism inuye. Las neuronas parasim páticas recorren los m úsculos lisos alrededor de los bronquiolos. La estim ulación de estas neuronas produce la broncoconstricción, efecto que se alcanza tam bién por la histam ina de los m ensajeros químicos paracrinos. Las histam inas se liberan en resp u esta a daños en los tejidos o como resultado de reacciones alérgicas. Debido al efecto que tienen las histam inas sobre los bronquiolos, las reacciones alérgicas gra ves pueden ocasionar dificultades respiratorias. La epinefrina circulante produce la broncodilatación actuando principalm ente a través de los receptores |32 de los m úsculos lisos. De igual m odo, los niveles elevados de C0 2 en los alveolos tam bién ocasionan la broncodilatación. Este circuito de retroalim entación negativa ayuda a m an ten er el Pco2 alveolar dentro de u n intervalo determ inado.
Los sistem as p u lm o n a re s basados en la asp ira ción presentan con sid erab le s espacios m ue rto s El volum en de aire total que se tran sp o rta en un ciclo de ventilación se denom ina volum en co rrien te (VT). Parte del aire que p en etra en cada ciclo de ventila ción no participa en el intercam bio gaseoso, lo que contribuye al espacio m uerto fisiológico (Vy del sis tem a. Este último consta de dos com ponentes: el espacio m uerto anatóm ico y el espacio m uerto alveo lar. El prim ero hace referencia al volum en de la tr á quea y los bronquios que no participan en el intercam bio gaseoso. La p arte restante del espacio m uerto fisiológico, denom inado espacio m uerto al veolar en los m am íferos, consiste en todas las áreas pulm onares que en principio pueden participar en el intercam bio gaseoso pero que por algún motivo no lo hacen durante un ciclo de ventilación determ inado. Por ejemplo, en los pulm ones m am íferos esto incluye el volum en de los alveolos que no reciben perfusión. Cuando un anim al exhala, p arte del aire de de secho que ab andona los pulm ones perm anece en los espacios m uertos anatóm icos y se resp ira nueva m ente en la inhalación siguiente. La cantidad total de aire puro que participa en el intercam bio gaseoso d urante un ciclo respiratorio equivale entonces al volum en corriente m enos el espacio m uerto (VT - VD) y en los m am íferos se sim boliza como VA, o volumen de ventilación alveolar. La ventilación efectiva total de los pulm ones po r unidad de tiem po es sim ple m ente la m ultiplicación de esta cantidad po r la fre-
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Integrando sistem as fisiologicos
te ra . Algunas aves presentan una tráquea extrem adam ente larga, lo que increm enta el espacio m uerto del sistem a respiratorio.
cuencia resp irato ria o tasa respiratoria ( /). De este m odo, la ventilación pulm onar equivale a f ( V T - Vy. Dado que la frecuencia resp iratoria se m ide por lo general en respiraciones p o r m inuto, suele denom i n arse ventilación alveolar p o r m inuto en los m am ífe ros y se sim boliza como VA. El punto sobre la V indica que se trata de un índice. Los aum entos en el tam año del espacio m uerto dism inuyen la ventilación alveo lar a determ inado volum en corriente. Este efecto es especialm ente im portante p a ra especies con cuellos m uy alargados, tales como la jirafa y algunos pájaros (Figura 10.27), dado que necesitan grandes volúm e nes corrientes p ara aseg u rar la ventilación adecuada de las superficies respiratorias.
Las pruebas de fu n ció n p u lm o n a r m iden la fu n c ió n y el v o lu m e n p u lm o n a r Las pru eb as de función p ulm onar perm iten a los clí nicos e investigadores m edir tanto el volum en como la función pulm onar. Se utiliza un instrum ento lla m ado espiróm etro p a ra m edir los volúm enes de aire inhalados y exhalados bajo diversas condiciones. Cuando se en cu en tran en reposo, la m ayoría de los anim ales no distienden ni desinflan por completo los pulm ones en cada respiración. Así, el volum en corriente suele ser m uy inferior a la cantidad
m áxim a que se puede in h alar o exhalar. En un ser h um ano adulto norm al, el volum en corriente en reposo es de aproxim adam ente 500 m i (el volum en pulm onar en m ujeres es un 20% m enor), m ientras que la capacidad pulm onar total alcanza alrededor de 5.800 m i (Figura 10.28). La cantidad m áxim a de aire que se puede in h alar po r encim a del volum en corriente en reposo se denom ina volum en de reserva inspiratoria, y el volum en corriente m ás el volum en de reserva inspiratoria constituyen la capa cidad inspiratoria. La cantidad m áxim a de aire que puede exhalarse po r encim a de la p arte restan te del volum en corriente constituye el volum en de reserva espiratoria. Al sum ar el volum en de reserv a esp ira toria y la capacidad inspiratoria, se obtiene la ca p a cidad vital, es decir, la cantidad m áxim a de aire que puede desplazarse dentro y fuera del sistem a re sp i ratorio en u n a respiración determ inada. Los m am í feros son incapaces de expulsar la totalidad del aire de los pulm ones, ni siquiera con la exhalación m áxim a. De hecho, los hum anos retienen alrededor de 1.200 m i de aire en los pulm ones incluso al té r m ino de la exhalación m áxim a. Este volum en resi dual se produce debido a que los pulm ones se m antienen estirados contra la p ared torácica m ediante el saco pleural. La cap acid ad pulm onar to ta l es la sum a de la capacidad vital y el volum en residual.
La eq uivale ncia entre la ve n tila ció n y la p e rfu sió n es im p o rta n te para el in te rca m b io gaseoso Para que pueda realizarse un intercam bio gaseoso eficaz, la ventilación de la superficie respiratoria debe equipararse con la perfusión de dicha superfi cie. La proporción entre la ventilación y la perfusión (VA /Q) cuantifica la relación. En un ser hum ano n o r m al, la ventilación alveolar (V,) ronda los 4-5 1/min, y el gasto cardiaco (0) los 5 1/min, de m odo que VÁ/Q se acerca a 1 en prom edio. Los pulm ones cuentan con m ecanism os hom eostáticos p ara m an ten er el equili brio entre la ventilación y la perfusión en el nivel alveolar. Si determ inado alveolo recibe poco o n ada de aire, su Po 2 se rá reducido, factor que actúa como señal p ara el músciúo liso alrededor de las arteriolas que conducen a ese alveolo. Recordem os del Capítu lo 9 que en los tejidos sistém icos un nivel reducido de Po2 constituye u n a señal de vasodilatación, que incre m enta el tran sp o rte de oxígeno a los tejidos. Por el contrario, un bajo nivel de Po 2 en los pulm ones oca siona la vasoconstricción, reduciendo el flujo sanguí
C A P ÍTU LO 10
Volumen pulmonar
Sistem as respiratorios 449
Capacidad pulmonar
Tiempo Volumen y capacidad pulmonar normales para un hombre sano de 70 kilos Volumen pulmonar
Capacidad pulmonar
Vj = Volumen corriente = 500 mi VRI = Volumen de reserva de inspiración = 3.000 mi VRE = Volumen de reserva de espiración = 1.000 mi VR = Volumen residual* = 1200 mi
Cl = Capacidad inspiratoria = VT+ VRI = 3.500 mi CV = Capacidad vital = VT+ VRI + VRE = 4.500 mi CRF = Capacidad residual funcional = VRE + RV = 2.200 mi CPT = Capacidad pulmonar total = VT + VRE + VRI + VR = 5.700 mi
*No se puede medir con el espirómetro F ig u ra 10.28.
V o lu m e n y la c a p a c id a d p ulm onar.
El volum e n y la capacidad pulm o nar pueden registrarse en un espiróm etro. La inhalación hace que la línea se desvíe hacia arriba, m ientras que la exhalación ocasiona el desvío hacia abajo de dicha línea.
neo a las zonas poco ventiladas. Esta vasoconstric ción pulm onar hipóxica es el m étodo principal que los pulm ones utilizan p a ra asegurar el equilibrio entre la ventilación y la perfusión. Sin em bargo, los m ecanism os m ediante los cuales las células de los m úsculos lisos y las arteriolas pulm onares detectan u n bajo nivel de Po2 e inducen la contracción no se com prenden todavía en su totalidad.
transporte gaseo so a los tejidos
externo y los tejidos. No obstante, m uchos anim ales tran sp o rtan gases a través del sistem a circulatorio. Según lo analizado en el Capítulo 9. los anim ales cuentan con un excelente control sobre el sistem a circulatorio y son capaces de regular el tran sp o rte de oxígeno y dióxido de carbono desde y hacia los teji dos a través de la vasocontricción o vasodilatación, alterando así la corriente sanguínea. En este a p a r tado analizarem os cómo em plean los anim ales el sis tem a circulatorio p a ra tran sp o rtar el oxígeno y el dióxido de carbono.
I El
A nim ales tales como las esponjas, cnidarios e insec tos, que hacen circular el líquido externo por casi la totalidad de las células del cuerpo, pueden depender de la difusión p ara tra n sp o rta r gases entre el medio
El transporte de oxígeno Es posible tran sp o rtar el oxígeno de la superficie re s p iratoria a los tejidos disueltos en el líquido circulato rio. Sin em bargo, debido a la reducida solubilidad del
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Integrando sistem as fisiologicos
Grupo hemo
oxígeno en líquidos acuosos como el plasm a, la canti dad de oxígeno que puede disolverse en el plasm a es relativam ente reducida. P ara com batir esta lim ita ción, la sangre de m uchos anim ales contiene metaloproteínas especializadas que sum inistran iones m etálicos p a ra u n ir el oxígeno de form a reversible. E stas m etaloproteínas au m en tan considerablem ente la cantidad de oxígeno que puede tran sp o rtarse en la sangre. Por ejemplo, la hemoglobina, encargada de tra n sp o rta r el oxígeno en los glóbulos sanguíneos de los vertebrados, increm enta h a sta un m áxim o de 50 veces la cantidad m áxim a de oxígeno que la sangre puede transportar, es decir, la capacidad tran sp or tadora de oxígen o. En la superficie resp irato ria la m ayor p arte del oxígeno que se difunde en la sangre se une a los po r tadores de oxígeno en las m etaloproteínas, red u ciendo de este m odo el Po2- Al quitar el oxígeno de la solución, los po rtad o res de oxígeno ayudan a m an te n e r el gradiente de Po2 de la superficie respiratoria, m ejorando la extracción de oxígeno. En los tejidos el consum o de oxígeno de las m itocondrias disminuye el Po2 de la sangre, haciendo que el oxígeno se disocie del p o rtad o r de oxígeno. Éste se difunde a continua ción por el gradiente de Po2 a las células.
Existen tres tipos de pigmentos respiratorios Los portad o res de oxígeno de las m etaloproteínas suelen denom inarse p igm en tos resp iratorios, debido a que los iones m etálicos que contienen les otorgan u n color en particular. En los anim ales hay tres tipos principales de m etaloproteínas que actúan como pigm entos respiratorios: la hem oglobina, la hem ocianina y la hem eritrina. La h em oglobin a (Hb) es el tipo m ás habitual de pigm ento respiratorio en los anim ales y puede encontrarse en u n a am plia variedad de taxones incluidos los vertebrados, los nem atodos, algunos anélidos, algunos crustáceos y algunos insectos. La hem oglobina consta de al m enos un a m olécula de u n a proteína de la familia glob in a unida de form a no covalente a u n a m olécula hem o, que consta de un anillo de porfirina con u n átom o de hierro ferroso en el centro (Figura 10.29). Las m oléculas de hierro de la hem oglobina son las que otorgan el color rojizo a la sangre de los vertebrados. Las globinas presen tan diversas estructuras, pero todas com parten una estru ctu ra terciaria característica denom inada el pliegue de globina, que indicaría que estas m oléculas com parten la m ism a historia evolutiva.
-OO C-CHr CH2
CH3
(b) Grupo hemo con un átomo de hierro (Fe) Fig u ra 10.29.
E s tru c tu ra de la h e m o g lo b in a en los m a m í
fe ro s .
La hem oglobina consiste en una o más proteínas globina en lazadas con un anillo porfirínico con hierro. La m ayoría de las hem oglobinas de los vertebrados son tetrám eros, com pues tos por cuatro globinas y los respectivos grupos hem o. La he m oglo bina de los m am íferos está form ada por dos cadenas alfa y beta de globina.
En este capítulo nos centrarem os en las globinas presentes en la sangre, bien en los glóbulos sanguí neos o fuera de ellos, aunque las m oléculas relacio nad as con la hem oglobina se encuentran en m uchos tejidos. Se cree asim ism o que la hem oglobina desem p eñ a un papel im portante en el tran sp o rte y alm ace nam iento de oxígeno. Por ejemplo, existe un tipo de hem oglobina llam ada m ioglob in a presente en los m úsculos, donde ayuda a sum inistrar el oxígeno necesario p ara el m etabolism o. Un tipo de proteína relacionada denom inada neuroglobina se encuentra en las neuronas. Se ha dem ostrado que ésta protege los tejidos neurales d urante los periodos de hipoxia (bajo oxígeno). Recientem ente se h a identificado otra
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p roteína relacionada con la mioglobina. La citoglobina está presen te en m uchos tejidos, especialm ente en las células de tejidos conjuntivos, aunque su fun ción aú n se desconoce. Las m oléculas activas de hem oglobina pueden form arse con u n núm ero com prendido entre cien y varios cientos de m oléculas globina y sus respectivos grupos hem o. La m ioglobina es m onom érica, m ien tras que la hem oglobina p resente en la sangre de los v ertebrados p o r lo general es tetram érica, es decir, consta de cuatro m oléculas globina. La hem oglobina de los anélidos como las lom brices {Lum bricus) con tiene casi 150 m oléculas globina m ás u n a cantidad de p roteínas vinculantes que no contienen hem o. La hem oglobina puede encontrarse en glóbulos sanguí neos, como en el caso de los vertebrados, o fuera de ellos, disuelta en el líquido circulatorio, como es el caso de m uchos invertebrados. Algunas familias de anélidos m arinos cuentan con pigm entos respiratorios poco com unes denom inados clorocruorina, o hem oglobina verde, dado que di suelta en soluciones se ve de color verdoso. Algunos in vestigadores afirm an que la clorocruorina constituye u n a clase diferente de pigm ento respiratorio, pero que com parten m uchas características con la hemoglobi na. La clorocruorina está com puesta por una m olécu la globina unida a u n anillo porfirínico de hierro. El anillo de porfirina de la clorocruorina difiere levem en te de la hem o, dado que u n a de las cadenas laterales de CH= CH2es reem plazada por u n a cadena lateral CHO. No obstante, la molécula globina com parte claros vín culos filogenéticos con las otras globinas de los inver tebrados, lo que indicaría que la clorocruorina es sim plem ente una subclase de hemoglobina. La h em ocian in a está presente en artrópodos y m oluscos, aunque en am bos grupos parece ten er orí genes evolutivos independientes. En los moluscos, se encuentra en algunos gasterópodos, algunos bivalvos y la totalidad de los cefalópodos. En el caso de los artrópodos, están p resentes en la m ayoría de los crustáceos, arácnidos y escolopendras. La hem ocia nina, en lugar de contener hierro, tiene un átom o de cobre que se une directam ente con la proteína en vez de form ar p arte de u n grupo hem o. La hem ocianina es u n a g ran p roteína m ultim érica form ada po r h asta 48 subunidades individuales por molécula. Por lo general se disuelven en la hem olinfa, m uchas veces a altas concentraciones, en lugar de ubicarse dentro de los glóbulos sanguíneos. Debido a que la hem ocia n in a carece de color cuando se desoxigena y se vuelve azul al oxigenarse, la hem olinfa de estas espe cies se p resen ta de color azul.
Sistem as respiratorios 451
La h em eritrin a está presente en especies de cuatro filos invertebrados (sipuncúlidos, priapúlidos, braquiópodos y anélidos). Sin em bargo, se d is tribuye entre estos filos de diferentes m an eras. Se encuentra en prácticam ente la totalidad de los gusa nos sipuncúlidos y priapúlidos y m uchos braquiópo dos, pero sólo en u n a fam ilia de anélidos m arinos. E sta distribución filogenética poco usual es in tri gante y puede se r un caso de evolución convergente o de transferencia genética horizontal. La hem eritrin a no contiene hem o; en su lugar, el hierro se une directam ente a la proteína a través de las cadenas de carboxilatos laterales de im glutam ato o un aspartato, m ientras que el im idazol se ag ru p a en cinco histidinas. La h em eritrina es en general u n a m olé cula trim érica u octam érica en la que cada subuni dad contiene dos iones de hierro. En la m ayoría de los casos se encu en tra en las células celóm icas circu lantes y en células m usculares. La hem eritrina carece de color cuando está desoxigenada y se vuelve de color violáceo y rosado cuando se oxigena. Como consecuencia, las células celómicas que con tienen h em eritrina tam bién se conocen a veces como glóbulos sanguíneos rosados. La im portancia de la gran variedad de pigm entos respiratorios anim ales no se com prende en su totali dad: es probable que representen un ejemplo de las diversas soluciones independientes frente al p ro blem a del transporte y alm acenam iento de oxígeno.
Los pigmentos respiratorios presentan curvas de equilibrio de oxígeno características La curva de equilibrio de oxígen o m uestra la rela ción entre la presión parcial de oxígeno en el plasm a y el porcentaje de pigm ento respiratorio oxigenado en determ inado volum en de sangre (Figura 10.30a). Cuando la presión parcial de oxígeno en un a solución equivale a cero, no h a b rá oxígeno unido al pigm ento respiratorio. A m edida que se increm enta la presión parcial, cada vez m ás m oléculas de pigm ento se u ni r á n al oxígeno h asta que las m oléculas disponibles se encuentren totalm ente unidas. En este m om ento se dice que la sangre alcanza la satu ración de oxígeno. Así, la curva de equilibrio de oxígeno se asem eja a las curvas de enlace de horm onas que analizam os en el Capítulo 4. En general la curva de equilibrio de oxígeno se expresa en térm inos del porcentaje de saturación, dado que nos perm ite com parar las propiedades de los pigm entos respiratorios de la sangre con diferen-
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Integrando sistem as fisiologicos
P50
Po2 (mm Hg) (a) Porcentaje de pigmento respiratorio oxigenado
40 Po2 (mm Hg) (b) Contenido de oxígeno en sangre F ig u ra 10.30.
C u rv as de e q u ilib r io de o x ig e n o .
ía) El porcentaje de saturación de un pigm ento respiratorio en funció n de la presión parcial de oxígeno. (b> El contenido de oxígeno en sangre en funció n de la presión parcial de la sangre con altos y bajos contenidos de pigm ento respiratorio.
tes cantidades de pigm ento. No obstante, tam bién es posible ex p resar esta relación en térm inos del conte nido total de oxígeno en sangre. La Figura 10.30b m u estra el contenido total de oxígeno en sangre que p resen ta diferentes cantidades de hem oglobina. Se puede com probar que, a m edida que aum enta la can tidad de hem oglobina, la cantidad total de oxígeno que puede tran sp o rtarse en la sangre, es decir, la capacidad portad o ra, tam b ién se increm enta. Muchos anim ales regulan la cantidad de pig m ento respiratorio en sangre. Por ejemplo, en m uchos vertebrados la exposición a entornos con bajos niveles de oxígeno, o hipoxia, ocasiona la pro ducción de glóbulos rojos. Un nivel reducido de Po 2 estabiliza u n a proteína llam ada HIF-1 (factor induci ble p o r hipoxia 1 ), lo que au m enta su nivel de con centración. Cuando existen altos niveles de HIF-1, la
proteína actúa como un factor de transcripción e induce la expresión de determ inada cantidad de genes en diversos tejidos, incluido el código genético de la eritropoyetina, u n a horm ona que induce la for m ación de glóbulos rojos. Este aum ento en la canti dad de glóbulos rojos, y el consecuente increm ento en la concentración de hem oglobina, aum enta la capacidad portad o ra de la sangre. Asimismo, se observa u n a variación evolutiva entre los anim ales en lo que concierne al nivel de pig m ento respiratorio en sangre. Por ejemplo, los m am íferos m arinos cuentan con niveles m ucho m ás altos de hem oglobina en sangre que los m am íferos terrestres, hecho que increm enta la capacidad p o rta dora de oxígeno de la sangre y perm ite que actúe como reserva de oxígeno al sum ergirse. Por el con trario, el pez hielo antártico (familia Channichthyidae) es el único vertebrado que no presenta hem oglobina en la sangre y la m ayoría de las espe cies h an perdido el código genético p a ra la hem oglo bina. Como consecuencia, la capacidad portad o ra de oxígeno en sangre en estas especies es m uy reducida (aproxim adam ente un décimo com parada con la de los peces nototenoideos, sus parientes cercanos). Los peces hielo tam bién carecen de m ioglobina en los m úsculoesqueléticos, si bien algunas especies expre san esta proteína en el corazón. Debido a las frías y estables tem p eratu ras del océano Antártico (la tem p era tu ra prom edio en McMurdo Sound es de aproxi m adam ente - 1 ,9 °C durante todo el año), la tasa m etabólica y por lo tanto la dem anda de oxígeno de estos peces es relativam ente reducida. Más aún, las bajas tem p eratu ras aum entan la solubilidad del oxí geno en el agua y el plasm a, increm entado así la con centración del oxígeno en sangre. No obstante, los peces hielo tam bién presen tan ciertas adaptaciones fisiológicas que ayudan a com pensar la falta de hem oglobina: cuentan con un corazón y vasos san guíneos de m ayor tam año, un m ayor volum en de sangre y un rendim iento cardiaco m ás elevado com p arado con sus parientes no antárticos. En conjunto, estos ajustes circulatorios ayudan a increm entar el tran sp o rte de oxígeno ante la carencia de un pig m ento respiratorio. La afinidad del oxígeno por el pigm ento resp ira torio indica la facilidad con la que el pigm ento se une con el oxígeno. H abitualm ente se expresa esta rela ción con la unidad de m edida P50, que es la presión parcial de oxígeno a la que se sa tu ra el pigm ento al 50%. Así, el P50 de un pigm ento respiratorio se ase m eja al Km de u n a enzim a. Cabe destacar que el P50, al igual que el K^, tiene u n a relación inversa a la afi
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nidad. Se considera que los pigm entos que requieren presiones parciales relativam ente bajas p a ra unirse al oxígeno (es decir, que p resen tan un reducido nivel de P50) tienen u n a alta afinidad por el oxígeno, m ien tras que los que exigen u n a presión parcial m ás ele v ada (es decir, u n alto P50) tienen u n a baja afinidad. El P 50 de un pigm ento respiratorio presenta im portantes im plicaciones en cuanto a su capacidad p o rtad o ra de oxígeno. Por ejemplo, el poliqueto Pista Pacifica cuenta con tres tipos diferentes de hem oglo bina, cada u n a de las cuales tiene un P 50 propio. Tiene u n a hem oglobina extracelular gigante con muy baja afinidad p o r el oxígeno que circula po r el sis tem a vascular, u n a hem oglobina de afinidad m edia ubicada en las células celómicas que viajan po r el líquido intersticial y u n a m ioglobina de alta afinidad en las células de la p ared corporal. Estos gusanos h ab itan cuevas que se en cuentran a casi un m etro de profundidad en los sedim entos anóxicos (sin oxí geno) de los esteros. Cuando la m area está alta, extienden las b ranquias al agua oxigenada sobre el estero p a ra respirar. El oxígeno se difunde en los vasos sanguíneos de las b ranquias, elevando el Po2 del líquido circulante. La hem oglobina de baja afini dad en esta circulación se une rápidam ente al oxí geno con el Po2 relativam ente alto de las branquias. Cuando la sangre ab an d o n a las branquias, la hem o globina de baja afinidad p asa el oxígeno a la hem o globina de afinidad m edia de las células celómicas que circulan p o r la cavidad corporal y que tran sp o r ta n oxígeno a los tejidos. En la p ared corporal, la hem oglobina de afinidad m edia p asa el oxígeno a la m ioglobina de alta afinidad de las células m us culares, sum inistrando oxígeno a los tejidos. En conjunto, estas tres hem oglobinas aseguran un tran sp o rte gaseoso eficiente de las branquias a los tejidos de estos anim ales. La hem oglobina tiene u n a alta afinidad po r el dióxido de carbono, con u n a capacidad fijadora 200 veces m ás ráp id a que con el oxígeno. Como conse cuencia, el dióxido de carbono puede interferir en la unión entre la hem oglobina y el oxígeno. De este modo, la exposición al dióxido de carbono, incluso a niveles relativam ente bajos, puede ser fatal, ya que dism inuye la capacidad p o rtad o ra de oxígeno en sa n gre y reduce así el sum inistro de éste a los tejidos.
La forma de las curvas de equilibrio de oxígeno puede diferir Las curvas de equilibrio de oxígeno pueden ser hiperbólicas o sigm oidales (Figura 10.31). Por ejem
Sistem as respiratorios 453
plo, la m ioglobina presenta u n a curva de equilibrio de oxígeno hiperbólica. La mioglobina es un pig m ento respiratorio m onom érico que contiene una sola m olécula hem o con un punto de unión con el oxí geno. Debido a que cada m olécula de m ioglobina se une con el oxígeno de m an era independiente de las dem ás, los principios de acción de m asa (véase el Capítulo 4) predicen que la curva de equilibrio debe ría ser hiperbólica. No obstante, debido a la estructura tetram érica, la hem oglobina de los vertebrados presenta una curva de equilibrio de oxígeno sigmoidal. Ésta se
(a) Curvas de equilibrio de oxígeno
Hemo Globln — x -. ¡
1
J y —
Estado tenso
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2
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3
0
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Enlaces de hidrógeno
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Estado R
(b) Modelo de cooperatividad para la hemoglobina Figura 10.31. o x íg e n o .
C o o p e ra tiv id a d en e l e n la c e con el
(a) Los pigm entos respiratorios m onom éricos, tales com o la
m ioglobina de los m am íferos, no se unen con el oxígeno de form a cooperativa y presentan una curva de e q u ilib rio de oxí geno hiperbólica. Por el contrario, los pigm entos respirato rios polim éricos com o la hem oglobina de los m am íferos con frecuencia m uestran enlaces cooperativos, dando com o re sultado una curva de e q u ilib rio de oxígeno sig m oidal, (b) Un m odelo de cooperatividad para la hem oglobina de los m am í feros (según W eber y Fargo, 2004). La oxigenación hace que la hem oglobina tetram érica pase del estado tenso, que se es tabiliza con puentes de sal y presenta una baja afinidad con el oxígeno, al estado relajado, que se estabiliza sólo por enlaces de hidrógeno y cuenta con un elevado nivel de afinidad.
454 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
com pone de dos subunidades alfa y beta: cada subun idad alfa se une herm éticam ente a u n a de las subu nidades b eta p a ra form ar dos dím eros ( a l p l y a 2 p 2) que u n en en tre sí de form a m ás laxa (Figura 10.31b). Cuando u n a m olécula de hem oglobina se desoxigena p o r completo, adopta u n a conform ación rígida deno m in ad a el estado tenso, o T, que se estabiliza por los enlaces de hidrógeno y puentes de sal entre las subu nidades. Por el contrario, la hem oglobina totalm ente oxigenada adopta u n a conform ación laxa que se denom ina el estado relajado, o R, en el cual las in ter acciones entre las subunidades se estabilizan sólo p o r los enlaces de hidrógeno. En el estado T, la hem oglobina p resen ta u n a afinidad po r el oxígeno relativam ente baja, pero cuando u n a m olécula de oxígeno se une a uno de los grupos hem o, ésta com ienza u n a transición del estado T al estado R. El enlace del oxígeno con el átom o de hierro hace que este últim o ab andone su posición central y se tra s lade al plano del anillo porfirínico del grupo hem o. Estos m ovim ientos se tran sm iten a las subunidades globina y debilitan los p u entes de sal que sostienen la m olécula en el estado de conform ación tenso. La afi n idad p o r el oxígeno au m en ta progresivam ente a m edida que cada átom o de oxígeno se une y la m olé cula va adoptando la conform ación relajada. El efecto global de esta unión cooperativa (o coop eratividad) es u n a curva de equilibrio de oxígeno con form a sigmoidal. Si bien la m ayor p arte de la hem oglobina de los v ertebrados sigue este m odelo, la de los peces agnatos (lam preas y mixinos) cuenta con un m ecanism o totalm ente diferente. La hem oglobina es m onom érica cuando está oxigenada, y form a dím eros, trím e ros o tetrám ero s cuando se desoxigena. Este cambio de u n a form a m ultim érica a un a m onom érica tam bién da como resultado u n a curva de equilibrio de oxígeno sigmoidal.
El pH y el Pco2 de la sangre pueden influir en la afinidad por el oxígeno Las alteraciones en el pH y el Peo, modifican la form a de la curva de equilibrio de oxígeno de los pigm entos respiratorios de m uchas especies, fenóm eno que se denom ina el efecto Bohr o desplazam iento de Bohr (Figura 10.32). Con el efecto Bohr, la dism inución del pH o el aum ento de Pco2reduce la afinidad po r el oxí geno de un pigm ento respiratorio, desplazando la curva de equilibrio de oxígeno hacia la derecha. Los p rotones (H+) producen el efecto Bohr al enlazarse con un pigm ento respiratorio en determ inado pimto
Pq 2 (mm Hg) F ig u ra 10.32.
E fe cto Bohr.
La dism inució n del pH o el aum ento del C 0 2 ocasionan el des plazam iento hacia la derecha de la curva de e q u ilib rio de oxí geno.
(en los vertebrados los protones se unen en los am i noácidos carboxiterm inales de las subunidades p y los am inoácidos am inoterm inales de las subunida des a). Este enlace m odifica la conform ación de la p roteína de pigm ento respiratorio que altera su afini dad con el oxígeno. Así, los protones actúan como m oduladores alostéricos de estos pigm entos resp ira torios. El dióxido de carbono puede o casionar el efecto Bohr m ediante dos m ecanism os diferentes. Como verem os con m ayor detalle m ás adelante, en la sa n gre el C 0 2 reacciona p a ra form ar un bicarbonato (HC03~) y u n pro tó n (H+) y este pro tó n puede p ro d u cir el efecto Bohr de la m a n e ra descrita a n te rio r m ente. Por otro lado, el dióxido de carbono puede te n e r u n efecto directo sobre la afinidad po r el oxí geno de los pigm entos resp irato rio s. El C 0 2 se une al grupo am ino de los am inoácidos de los pigm en tos resp irato rio s, form ando la carb am in oh em oglob in a, que tiene u n a m enor afinidad por el oxígeno. El efecto Bohr facilita el tran sp o rte del oxígeno a los tejidos activos. En la superficie respiratoria, donde el Pco2 es reducido y el pH es elevado, la afini dad del pigm ento respiratorio por el oxígeno será alta (la curva se desplazará hacia la izquierda), lo que perm ite el enlace con el oxígeno. Los tejidos m etabó licos producen C02, de m odo que el Pco2 y el [H+] de la sangre aum enta en los tejidos. Esta variación en el
C A P ÍTU LO 10
Sistem as respiratorios 455
descrito en su totalidad, aunque la m utagenia diri gida y otros estudios sobre la e s tru ctu ra y función de las p ro teín as indican que se prod u cen in terac ciones en tre los diferentes am inoácidos y que es posible que diferentes am inoácidos se an im p o rtan tes p a ra d eterm in ad as especies.
La temperatura afecta a la afinidad por el oxígeno
F ig u ra 10.33.
E fe cto Root.
El efecto Root se observa sólo en la hem oglobina de algunos peces teleósteos y pocas especies de invertebrados. La d is m i nución del pH hace que la curva de e q u ilib rio de oxígeno se desplace notablem ente hacia la derecha, lo que produce una caída en la capacidad transportadora de la sangre.
Pco2 y el pH produce el efecto Bohr, dism inuyendo la afinidad del pigm ento respiratorio por el oxígeno y desplazando la curva de equilibrio de oxígeno hacia la derecha. Esto facilita la liberación del oxígeno del pigm ento respiratorio, ayudando así a oxigenar los tejidos. El efecto Bohr influye de m an era diferente sobre los diversos pigm entos respiratorios. Por ejemplo, la hem oglobina de los peces elasm obranquios en gene ral no se ve afectada p o r el efecto Bohr, m ientras que la hem oglobina de los m am íferos y pájaros presenta u n a influencia m o d erad a y la de los peces teleósteos se ve gravem ente afectada. En algunos crustáceos, cefalópodos y m uchos peces teleósteos el au m en to del Pco 2y el pH no sólo p ro d u cen el efecto Bohr, sino tam bién la reducción de la cap acid ad p o rta d o ra de oxígeno del pigm ento resp irato rio (Figura 10.33), fenóm eno denom inado e fe c to R oot (o d esplazam iento de Root). Con un nivel reducido de pH, la capacidad p o rta d o ra de u n a hem oglobina bajo el efecto Root dism inuye consid erab lem en te, liberando oxígeno en solución. Así, la hem oglobina bajo el efecto Root puede a c tu a r como u n a b o m b a de oxígeno activada po r pro to n es, lo que in crem en ta enorm em ente el Po 2 del p lasm a cuando el nivel de pH es bajo. Este m ecanism o es im p o rtan te p a ra llenar la vejiga n atato ria, u n órgano que algunos peces utilizan p a ra la flotabilidad (véase la Caja 10.2). Los m eca n ism os que p articip an en el efecto Root no se h a n
Los aum entos de tem p eratu ra dism inuyen la afini dad po r el oxígeno de los pigm entos respiratorios como la hem oglobina en m uchas especies, despla zando la curva de equilibrio de oxígeno hacia la dere cha (Figura 10.34). Este efecto puede im pulsar el tran sp o rte de oxígeno d urante el ejercicio físico. El ejercicio m uscular genera calor, que increm enta la tem p eratu ra local de la sangre que riega los tejidos. A m edida que aum enta la tem peratura, el P 50 se eleva (disminuye la afinidad po r el oxígeno), lo que hace que el oxígeno se disocie de la hem oglobina y se tran sp o rte al tejido. Este efecto de tem p eratu ra tr a b aja en conjunto con el efecto Bohr p ara m axim izar el tran sp o rte de oxígeno. Del m ism o modo, la tem pe ra tu ra de la superficie respiratoria puede dism inuir d urante el ejercicio si la tem p eratu ra del medio externo se reduce. La dism inución de la tem peratura aum enta la afinidad de la hem oglobina po r el oxí geno, lo que podría fom entar la absorción de oxí geno. No obstante, incluso a tem p eratu ras norm ales,
Pq 2 (mm Hg) F ig u ra 10.34.
E fe c to s de la te m p e ra tu r a en la c u rv a de
e q u ilib r io de o x íg e n o .
456 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
Caja 10.2
E v o lu c i ó n y d iv e r s id a d La h e m o g lo b in a d e e f e c t o R o o t y l a s v e j ig a s n a t a t o r ia s
Los tejidos de los peces son más densos que el agua dulce o salada, principalm ente com o resultado de la alta densidad esquelética, por lo que, ante la falta de algún m ecanism o de com pensación para poder flotar, los peces tienden a hundirse. M uchos peces teleó steos utilizan un órgano lleno de gas denom inado v e jig a n a ta to r ia para m antener una posición vertical en el
agua, la cual se ubica ju sto por encima del intestino, debajo de la colum na vertebral y los riñones. Las paredes de la vejiga natatoria son en gran m edida im perm eables al gas, dado que presentan una baja vascularización y están com puestas por una gruesa capa de tejido conjuntivo. En algunas especies se encuentra cubierta por una capa de cristales de guanina, que reducen aún más la perm eabili dad. El contenido gaseoso de la vejiga natatoria varía según la especie, aunque en la mayoría el 0 2 es el gas prin cipal. La flotabilidad
que
proporciona
la vejiga
natatoria
depende del volum en de este órgano. Dado que presentan paredes flexibles y contienen gas, el volum en de éstas se m odifica de acuerdo con los cam bios de presión. La pre sión atm osférica aum enta con la profundidad, com o resul tado de la presión del agua que la cubre. De hecho, la presión aum enta aproxim adam ente 1 atm ósfera (atm) por cada 10 m etros de profundidad. Si un pez se sum erge a 10 m, el volum en de la vejiga natatoria se reducirá a la mitad, m ientras que a unos 100 m de profundidad tendrá 1/10 del volum en original. Por lo tanto, con el fin de m antener una flotabilidad neutra, los peces deben ser capaces de añadir gas a la vejiga natatoria a medida que descienden por la colum na de agua. En algunos peces, tales com o la anguila y el salmón, la vejiga natatoria se une con el intestino a través del c o n d u c to n e u m á tic o . Estos peces fis ó s to m o s pueden llenar
la vejiga natatoria al tragar aire o vaciarla al expulsarlo. De este modo, un pez fisó sto m o puede llenar la vejiga natato ria sólo cuando se encuentra en la superficie, donde tiene acceso al aire. Este sistem a crea graves problem as para los peces fisóstom os tales com o el salmón, que realiza exten sas m igraciones verticales para alim entarse a diferentes niveles de profundidad de la colum na de agua. A fin de
que la vejiga natatoria se com prim e gradualm ente en res
lograr una flotabilidad neutra en la profundidad, un pez
puesta a la creciente presión hidrostática. La flotabilidad
debe llenar la vejiga natatoria con una im portante cantidad
negativa es ventajosa durante el descenso porque dism i
de aire, hecho que, sin embargo, hace que el pez presente
nuye el esfuerzo de inm ersión, aunque presenta desventa
una flotabilidad positiva y tienda a flotar hacia arriba, lo que
jas a la hora de ascender, dado que aum enta el esfuerzo de
le dificulta la inm ersión. Los estudios han dem ostrado que
emerger.
el salm ón keta, un pez fisóstom o, no impulsa aire a la vejiga
El pez fis o c lis to , com o la perca, utiliza una solución
natatoria antes de sum ergirse. Com o consecuencia, logra
alternativa para llenar y vaciar la vejiga natatoria. Estos
una flotabilidad negativa a m edida que se sum erge, dado
peces carecen de conexión entre la vejiga natatoria y el
C A P ÍTU LO 10
in testino. En su lugar, los gases entran y salen de la vejiga
Sistem as respiratorios 457
La glándula de gas del pez fisoclisto se asocia con un
natatoria por m edio de la sangre. Así, un pez fisoclisto
lecho capilar especializado denom inado r e te
puede llenar la vejiga natatoria sin necesidad de regresar a
("red adm irable" en latín), o rete. Una rete es un grupo de
la superficie. La m ayor parte de la vejiga natatoria es im per
capilares que presentan un flujo contracorriente por los
m eable a los gases, debido a que el m ovim ien to gaseoso
vasos arteriales y venosos. El in tercam biador contraco
m ira b ile
hacia adentro y hacia fuera de la vejiga natatoria ocurre sólo
rriente evita la pérdida de oxígeno por la sangre de las
en estructuras especializadas denom inadas g lá n d u la d e
venas. La rete lo logra en gran m edida por el desplaza
g a s y ov a l. La glándula de gas participa de la secreción de
m iento del C 0 2 de la sangre venosa a la arterial, más que
gas dentro de la vejiga natatoria, m ientras que el oval se
por el m ovim iento de oxígeno. Cuando la sangre sale de la
encarga de la reabsorción gaseosa.
glándula de gas, presenta un elevado contenido de C 0 2,
Para que el oxígeno de la sangre se difunda a la vejiga
que se difunde del lado venoso de la rete al lado arterial por
natatoria, el Po2 de la sangre en la glándula de gas debe ser
m edio del intercam biador contracorriente. El aum ento del
m ayor al de la vejiga natatoria. Con este fin, los tejidos de la
C 0 2 y la consecuente caída en el pH en el lado arterial con
glándula de gas producen iones H+ y C 0 2. La dism inución
tribuyen a los efectos Root y Bohr, aum entando el Po2 de la
del pH y el aum ento del Pco2 resultantes producen los
sangre que penetra en la glándula de gas. Al m ism o
efecto s B o h ry Root. Debido al efecto Bohr, la afinidad de la
tiem po, la dism inución de C 0 2 y el increm ento asociado en
hem oglobina por el oxígeno dism inuye, haciendo que éste
el pH en el lado venoso hace que el oxígeno se una a la
se libere de la prim era. Con el e fecto Root la capacidad por
hem oglobina, dism inuyendo el Po2 de la sangre. Cuanto
tadora de oxígeno de la hem oglobina dism inuye, lo que
m ás extensa es la rete, m ayor cantidad de Po2 se alcanzará
produce la liberación del oxígeno. El resultado global de
en la glándula de gas. Los peces que viven a grandes pro
am bos efectos es que una im portante cantidad de oxígeno
fundidades deben ser capaces de generar elevados niveles
se disocia de la hem oglobina y se disuelve en la sangre. El
de Po2 en la glándula de gas para im pulsar el oxígeno a la
oxígeno disuelto contribuye a un aum ento del Po2 en la
vejiga natatoria. La extensión de la red de capilares es pro
sangre, lo que aum enta el Po2 de la sangre en la glándula
porcional a la profundidad m áxim a que estos peces pueden
de gas.
alcanzar. En algunos peces que habitan las profundidades
Las células de la glándula de gas contienen una reducida cantidad de m itocondrias. En su lugar, obtienen la m ayor
del mar, tales com o el Bassozetus, puede alcanzar hasta los 25 m m.
parte de la energía a través de la glicólisis anaerobia, lo que
Los peces fisoclistos vacían la vejiga natatoria en el oval.
hace que la célula se vuelva ácida. Las células de la glán
La reabsorción del oxígeno de la vejiga natatoria no pre
dula de gas luego segregan estos protones en la sangre,
senta un desafío tan grande desde el punto de vista fisio ló
ocasionando la acidosis sanguínea. Debido a que estas
gico com o el de segregar oxígeno en la vejiga natatoria, ya
células casi no contienen m itocondrias, la m ayor parte del
que éste sim plem e nte se difunde por el gradiente de pre
C 0 2 que producen no procede de la respiración m itocon
sión parcial de la vejiga natatoria a la sangre. En la mayoría
drial, sino que se origina en una vía denominada vía de la
de las especies, el oval está equipado con una válvula m us
pentosa fosfato, que produce C 0 2 com o subproducto. La
cular que se abre y se cierra, regulando así la cantidad de
glándula de gas tam bién añade iones a la sangre (principal
gas que se elim ina de la vejiga natatoria.
m ente lactato y bicarbonato, pero posiblem ente otros iones tam bién). Éstos producen un efecto de "desalación". Cabe recordar que la solubilidad de los gases en solución depende de la concentración de sal en el líquido. Cuando la
Referencias
concentración de sal aum enta, la solubilidad del gas dism i
• Pelster, B. 2004. pH regulation and swimbladder function in fish. Respiratory Physiology and Neurobiology 144:179-190.
nuye. Según la ley de Henry, podem os observar que para una cantidad determ inada de gas, si la solubilidad dism i nuye, la presión parcial aum enta. Por lo tanto, este efecto de desalación aumentará el Po2 y contribuirá a la difusión del oxígeno en la vejiga natatoria. O tros gases, incluidos el C 0 2 y el N2, están sujetos a este efecto, lo que explica los niveles relativam ente elevados de estos gases en la vejiga natatoria de algunas especies.
• Pelster, B., and D. J. Randall. 1998. The physiology of the Root effect In: Fish Respiration, S. F. Perry and B. L. Tufts, eds., San Diego: Aca demic Press 113-139. • Tanaka, H., Y. Takagi, and Y. Naito. 2001. Swimming speeds and buoyancy compensation of migrating adult chum salmon Oncorhynchus keta revealed by speed/depth/acceleration data log ger. Journal of Experimental Biology 204: 3895-3904.
458 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
la sangre suele estar casi totalm ente sa tu rad a de oxí geno en los pulm ones, p o r lo que el efecto descrito sería menor. La hem oglobina en algunos anim ales árticos como el reno y el buey almizclero no se ve afectada p o r los cam bios de tem p eratu ra. En estos anim ales, que h ab itan a tem p eratu ras de - 4 0 °C, la tem p era tu ra de los tejidos periféricos como las patas p re senta u n a diferencia de h asta 10 °C con respecto a la tem p eratu ra corporal central. Si la hem oglobina m o strara u n a afinidad m ayor po r el oxígeno con la reducción de tem p eratu ra, el tran sp o rte de oxígeno a los tejidos se vería gravem ente afectado.
Los moduladores orgánicos influyen en la afinidad por el oxígeno Diversos com puestos orgánicos actúan como m odu ladores de la afinidad de los pigm entos respiratorios po r el oxígeno. En la m ayoría de los m am íferos el com puesto 2,3-bifosfoglicerato, tam bién conocido como 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), actúa como un regulador alostérico de la hem oglobina. El 2,3-DPG es asim ism o el principal m odificador alostérico en los reptiles (a excepción de los cocodrilos), m ientras que en la m ayoría de las aves el inositol pentafosfato cum ple este papel. Por el contrario, es el trifosfato de adenosina (ATP) o el trifosfato de guanosina (GTP) el que regula la afinidad entre la hem oglobina y el oxí geno en la m ayoría de los peces (a excepción de los ciclóstomos). Los com puestos orgánicos como el lac tato, el urato y la dopam ina m odulan la hem ocianina de los artrópodos, en los que el increm ento de estos com puestos au m en ta la afinidad po r el oxígeno. En la m ayoría de los m am íferos, el efecto de un aum ento en el 2,3-DPG supone un increm ento del P 50 (disminución de la afinidad po r el oxígeno) de la hem oglobina (Figura 10.35). Una cantidad determ i n ad a de 2,3-DPG se encuentra presente en todo m om ento en los glóbulos rojos, por lo que el enlace entre la hem oglobina y el oxígeno se ve algo inhibido incluso en reposo. Los niveles de 2,3-DPG aum entan en resp u esta a la anem ia, u n a afección en la que los niveles de hem oglobina son bajos, ocasionando un m enor tran sp o rte de oxígeno a los tejidos. El aum ento de los niveles de 2,3-DPG produce un desplazam iento m oderado de la curva de equilibrio de oxígeno hacia la derecha. Esta alteración del P 50 no afecta la carga de oxígeno en los pulm ones, pero ayuda a la descarga del oxígeno en los tejidos. Como analizarem os m ás adelante, se produce u n efecto sim ilar en algunos m am íferos en resp u esta a la hipoxia de altitud.
F ig u ra 10.35.
M o d u la c ió n a lo s té r ic a de la a fin id a d de la
h e m o g lo b in a por e l o x íg e n o .
Los efectos del m odulador orgánico 2,3-DPG en la curva de e q u ilib rio de oxígeno para la hem oglobina de los m am íferos.
Transporte de dióxido de carbono El dióxido de carbono es m ucho m ás soluble en los fluidos corporales que el oxígeno. Sin em bargo, sólo un a pequeña p arte del CO, presente en la sangre se encuentra en form a molecular. Parte del C0 2 se une al oxígeno. Por ejemplo, cuando el C0 2 se une con la hem oglobina, se form a la carbam inohem oglobina, que constituye un im portante m edio de transporte del CO, en los m am íferos, aunque puede ser insignifi cante en otros organism os (que cuentan con m ucho m enos hemoglobina). La m ayor p arte del C0 2 se tran sp o rta en form a de bicarbonato (HC03~). El dióxido de carbono reac ciona de form a espontánea en el agua de acuerdo con la siguiente ecuación:
co 2+ h 2o
h 2c o 3 ácido carbónico
h c o 3- + H+ bicarbonato
La form ación del ácido carbónico es un a reacción extrem adam ente rápida, pero la form ación del b icar bonato es un proceso lento. En los anim ales, una enzim a denom inada an h id rasa carb ón ica cataliza la form ación del HC03~. Al igual que los pigm entos respiratorios, la an h id rasa carbónica es u n a metaloproteína, aim que en este caso la enzim a contiene un ion de zinc. El agua se une al ion de zinc de la p ro teína y se disocia p ara form ar H+ y OH~. La enzim a luego dirige la transferencia del ion de OH~ al dióxido de carbono, form ando un bicarbonato según la siguiente reacción:
C A P ÍTU LO 10
CO, + H20
HCO3- + H+
En principio el bicarbonato form ado como resultado de la catálisis de la an h id rasa carbónica puede diso ciarse m ás aún a carbonato (C0 3 ) y H+, aunque esta reacción no es significativa en la m ayoría de los ani m ales desde el punto de vista fisiológico. En con junto, el CO, molecular, la carbam inohem oglobina y el HC03~ com ponen el contenido total de C 0 2 en la sangre. En los m am íferos, aproxim adam ente el 70% del contenido de C0 2 en la sangre se encuentra en form a de HC03~, m ien tras que el 7% está disuelto en solución y el 23% en form a de carbam inohem oglo bina.
La curva de equilibrio de dióxido de carbono cuantifica el transporte de dióxido de carbono Las curvas de equilibrio de dióxido de carbono indi can la relación entre el Pco2 y el contenido total de dióxido de carbono en sangre y, como tales, se asem e ja n a la curva de equilibrio de oxígeno (Figura 10.36). La sangre no se satu ra con C02: existe un rápido increm ento del contenido de CO, cuando el nivel de Pco2 es reducido, m ientras que el aum ento es conti nuado pero lento a m edida que se eleva el Pco2. La form a exacta de la curva de equilibrio de CO, depende sobre todo de la cinética de la form ación de HC03~ en sangre. A su vez, la cinética de esta reac-
Pco2 (mm Ha) F ig u ra 10.36.
C urva de e q u ilib r io d e l d ió x id o de c arb o n o
(s a n g re h u m a n a).
La curva de e q u ilib rio de d ióxido de carbono de la m ayoría de los vertebrados difiere entre la sangre oxigenada y desoxige nada, fenóm eno que se denom ina efecto Haldane.
Sistem as respiratorios 459
ción depende del pH sanguíneo y de la facilidad con la que se am ortiguan los iones de H+. P ara com pren der este efecto debem os reco rd ar los principios de am ortiguación y la proporción de acción de m asa de la quím ica básica. Es posible determ inar la constante de equilibrio p a ra la reacción de CO, y H ,0 de la siguiente m anera: [HCOhIHH [C02] Dado que K es u n a constante, de esta ecuación podem os observar claram ente que cuando [H+] es elevado, [HC03~] debe dism inuir si [C02] perm anece constante. En pocas p alab ras, a m edida que dism i nuye el pH (y au m en ta el H+), p o r ejemplo, como resultado del m etabolism o m uscular anaerobio, la reacción entre el CO, y el bicarbonato (C0 2 + H20 HC03~ + H+) se desp lazará hacia la izquierda, dism inuyendo la cantidad de HC03~. Por el co n tra rio, si se increm enta el pH (y dism inuye el H+), la reacción se d esplazará hacia la derecha, au m en tando la cantidad de HC03~. En general, la sangre cuenta con u n buen nivel de am ortiguación. Cuando se form a el HC03~, los iones de H + ráp id am en te se unen con grupos am ortiguadores tales como los grupos am ino term inales de las p roteínas y las cadenas laterales de im idazol de los am inoácidos como la histidina, lo que evita la acum ulación de H+ y la m ayor form ación de HC03~. Cuanto m ayor es la capacidad de am ortiguación de la sangre, m ayor es la capacidad de fo rm ar HC03~. Por ejem plo, la sa n gre h u m an a cuenta con un nivel ta n elevado de am ortiguación que el 99,999% del H+ form ado por la a n h id ra sa carbónica puede am ortiguarse. La hem oglobina de los m am íferos p resen ta un nivel relativam ente alto de histidina y po r ello actúa como un am ortiguador eficaz. Por el contrario, la hem o globina de m uchos peces cuenta con poca histidina en la superficie de la m olécula y, como consecuen cia, p re se n ta un bajo nivel de am ortiguación. La diferencia en la capacidad am ortiguadora de la sa n gre influye en la form a de la curva de equilibrio de CO, entre las distintas especies.
La oxigenación de la sangre influye en el transporte de C 0 2 La sangre desoxigenada puede tran sp o rtar un a mayor cantidad de C0 2 que la oxigenada (Figura 10.36); es decir, la curva de equilibrio de C0 2 de la sangre des oxigenada se desplaza hacia la izquierda, fenómeno
460 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
conocido como el efecto Haldane. La hemoglobina oxigenada libera iones H+, que reduce el pH (al incre m en tar la concentración de iones H+), desplaza la reacción entre el CO, y el bicarbonato hacia la izquierda y reduce la cantidad de HC03~ en sangre y la cantidad total de CO, que puede transportarse. Por el contrario, la hem oglobina desoxigenada tiende a unir iones de H+, aum entando así el pH, el HC03~ y la can tidad total de CO, que puede transportarse. La im por tancia del efecto Haldane es que la desoxigenación de la hem oglobina en los tejidos fom enta la absorción de CO, en la sangre, m ientras que la oxigenación de la hem oglobina en la superficie respiratoria facilita la descarga de C02.
Los glóbulos rojos de los vertebrados intervienen en el transporte de C 0 2 En los vertebrados, la an h id rasa carbónica está p re sente sobre todo en los glóbulos rojos y la totalidad de las reacciones analizadas ocurren en dichos gló bulos en lugar de en plasm a. No obstante, la m ayor p arte del bicarbonato se tran sp o rta en realidad en el plasm a. Este fenóm eno puede explicarse sencilla m ente m ediante u n ejemplo de tran sp o rte de dióxido de carbono (Figura 10.37). En los tejidos, el CO, se produce p o r m etabolism o aerobio y se difunde rá p i
dam ente fuera de los tejidos y hacia los glóbulos rojos. En éstos, la an h id rasa carbónica cataliza la form ación de ÍIC0 3 . El H+ form ado po r dicha re a c ción se une a la hem oglobina. El bicarbonato no se difunde de inm ediato por las m em branas, aunque los iones de HC03~ salen de los glóbulos rojos po r un intercam biador de cloruro-bicarbonato tam bién conocido como b an d a III. Este proceso de intercam bio de CL/HC03~ se denom ina d esp lazam ien to de cloruros. Si no se elim inara el HC03~, se acum ularía en el glóbulo rojo y tendería a invertir la reacción de la an h id rasa carbónica. En el glóbulo rojo la ban d a III y la an h id rasa carbónica se unen entre sí y otro tipo isomorfo de la an h id rasa carbónica se enlaza con la b an d a III en la superficie extraceluiar de la m em brana. En conjunto, estas proteínas form an un m etabolón (un grupo de enzim as que trab ajan en conjunto p a ra d esem peñar determ inada función y se ubican espacialm ente en la célula). Los m etabolones perm iten que las vías actúen con m ayor velocidad que la que se lograría si los sustratos y productos tuvieran que difundirse po r la célula de u n a enzim a a otra. En la superficie respiratoria, el Pco2del entorno es m ás reducido que el de la sangre y el CO, se difunde del plasm a por la superficie respiratoria. Debido a la caída en el nivel de Pco2en el plasm a, el
Glóbulos rojos
Superficie respiratoria
(a) Tejidos sistémicos F ig u ra 10.37.
T ra n s p o rte de d ió x id o de c arb o n o en la s a n g re de los v e rte b ra d o s .
ía) El d ió xid o de carbono se difun de de los tejidos a los glóbulos rojos. A lgunos se enlazan con la hem oglobina, form and o la car barn inohem oglobin a (Hb ■C 0 2). La anhidrasa carbónica (AC) del gló b u lo rojo cataliza la form ación de HC 03~, que se transporta fuera del glób u lo rojo a cam bio del C h (desplazam iento de cloruros). Los iones de H+ producidos por la reacción de AC se a m o rti guan con la hem oglobina, (b) En los pulm ones, el C 0 2se difun de a los alveolos y el e q u ilib rio de AC se desplaza para favorecer la form ación de C 0 2, reduciendo la cantidad de HC 03~ en el glób u lo rojo. El HC 03~ entra al gló b u lo rojo a cam bio del C h y se con vierte en C 0 2, que a continuación se difun de en los alveolos.
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CO, sale del glóbulo rojo y pen etra en el plasm a. Esta dism inución en el nivel de [C02] en el glóbulo rojo desplaza la reacción entre el CO, y el bicarbonato, haciendo que la b an d a III tran sp o rte los iones de HC03~ del p lasm a a los glóbulos rojos p a ra intercam biarlos p o r Cl~ (en u n desplazam iento de cloruros inverso). El HC03~ y el H+ form an el ácido carbónico y luego C0 2 y el C0 2 se difunde del glóbulo rojo al plasm a y a continuación p or la superficie resp irato ria. La ubicación de la an h id rasa carbónica en el gló bulo rojo au m en ta la capacidad tran sp o rtad o ra de C0 2 total de la sangre al aseg u rar que los productos de la reacción po r an h id rasa carbónica no se acum u len en u n solo com partim ento, lo que obliga un des plazam iento hacia la derecha del equilibrio entre el C0 2y el bicarbonato e increm enta la cantidad de C0 2 que se tran sp o rta como HC03~. En m uchos v erteb ra dos, la an h id rasa carbónica está presente tam bién en los tejidos cubiertos p o r células endoteliales como los pulm ones. Como consecuencia, no es necesario que la totalidad del bicarbonato se transporte por los gló bulos rojos p a ra convertirse en C02.
El sistema respiratorio regula el pH de la s a n g r r*\
l
Debido a que la m ayoría de las proteínas cuentan con u n intervalo relativam ente limitado de pH en el que p u ed an funcionar de m an era eficaz, la m ayoría de los anim ales regulan estrictam ente el pH intracelular y el de los fluidos extracelulares como la sangre, p a ra red u cir la carga reguladora de las células individua les. Por ejemplo, en los hum anos, el pH sanguíneo norm al es aproxim adam ente 7,4: un pH que supere 7,7 o que sea inferior a 6,8 puede ser m ortal. Dado el fuerte vínculo entre el C0 2y el H+ d urante la reacción catalizada p o r la an h id rasa carbónica, los sistem as respiratorios desem peñan un papel im portante en la regulación del pH en los fluidos extracelulares como la sangre. Tanto el m etabolism o celular como el sistem a respiratorio pueden afectar al pH extracelular. D urante el ejercicio intenso, los m úsculos producen iones de H+. Esta alteración del pH suele denom i n arse lactoacidosis, porque el ejercicio intenso tam bién produce lactato como resultado de la glicólisis anaerobia. Como el lactato en sí no constituye la fuente de protones, la dism inución de pH se deno m ina m ás correctam ente como acid osis m etab ó lica. Ésta puede producirse tam bién por la pérdida excesiva de HC03+ del intestino d urante una grave d iarrea o como resultado de u n a insuficiencia renal.
Sistem as respiratorios 461
Por el contrario, la alca lo sis m etab ólica puede p ro ducirse como resultado de la p érdida del exceso de de H+ po r vómitos o p o r la pérdida de H+ en los riñ o nes debido a im a insuficiencia renal. Se produce la acid osis resp iratoria cuando no se realiza la venti lación n ecesaria p a ra elim inar el CO, producido por el m etabolism o, lo que ocasiona un desplazam iento de la reacción por an h id rasa carbónica hacia la d ere cha, aum entando el [H+] y dism inuyendo el pH. Por el contrario, se produce la alca lo sis resp iratoria cuando la ventilación es m ayor que la necesaria p ara elim inar el CO, producido po r el m etabolism o, lo que causa un a p érdida global de CO, que desplaza la reacción po r an h id rasa carbónica hacia la izquierda e increm enta el pH. La ventilación puede utilizarse asim ism o p a ra corregirlos desequilibrios delpH . Por ejemplo, la acidosis m etabólica produce u n a m ayor ventilación, lo que induce u n a alcalosis respiratoria y hace que el pH vuelva a niveles norm ales.
R e g u la c ió n de lo s s is te m a s re s p ira to rio s e n lo s v e rte b ra d o s Al igual que otros sistem as fisiológicos, los sistem as respiratorios se regulan estrictam ente en resp u esta a las variaciones en el entorno interno y externo. Los sistem as circulatorio y respiratorio trab ajan en con junto p ara regular el tran sp o rte gaseoso m ediante (1 ) la regulación de la ventilación, (2) la alteración de la capacidad portad o ra de oxígeno y la afinidad y (3) la alteración de la perfusión.
La regulación de la ventilación La ventilación constituye un proceso rítm ico que con tinúa incluso durante la pérdida del conocimiento. La actividad rítm ica de grupos de n euronas del sistem a nervioso central, o generadores centrales de p atro nes, da inicio a los m ovim ientos de ventilación en los anim ales. En el caso de los vertebrados, estos gene rad o res se ubican en el cerebro dentro del bulbo raquídeo. Todos los vertebrados analizados hasta el m om ento cuentan con u n a colum na de neuronas vin culadas con la respiración que recorren am bos late rales del bulbo. En los osteíctios el generador central de patrones se ubica en la p arte rostral (o anterior) del bulbo raquídeo, cerca de las neu ro n as que reco rre n la cavidad bucal. Las lam preas, los anfibios y los
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Integrando sistem as fisiologicos
dores de patrones respiratorios envían señales a las n euronas m otoras som áticas que controlan los m ús culoesqueléticos que participan en la respiración.
El aporte químico sensorial influye en la ventilación
Grupo respiratorio protuberancial (GRP) respiratorio parafacial (pre-I) Complejo preBótzinger
F ig u ra 10.38.
U b ic a c ió n de los g e n e ra d o re s c e n tr a le s
de p a tro n e s r e s p ir a to r io s en los m a m ífe ro s .
m am íferos, sin em bargo, cuentan con al m enos dos pares de generadores de patrones. En los m am íferos éstos se ubican en la m édula caudal. Se desconoce la ubicación de los generadores de patrones respirato rios en los reptiles y aves, aunque es probable que se encuentren en áreas sim ilares a las de los anfibios y m am íferos. La generación del ritm o respiratorio se ha estu diado m ás exhaustivam ente en los m am íferos (Figura 10.38). En éstos, im a pequeña p arte de la m édula caudal denom inada el com plejo p reB otzin g er resulta esencial p ara la generación del ritm o re s piratorio. Asimismo, otro complejo neuronal, el grupo resp ira to rio p ara fa cial o complejo pre-I tr a b aja en conjunto con el complejo preBotzinger. Las n eu ro n as del grupo respiratorio parafacial se dispa r a n con anterioridad a las del complejo preBotzinger y parecen desem peñar u n im portante papel en la determ inación del ritm o de este complejo. Algunas com binaciones entre células con propiedades intrín secas cardiorreguladoras y redes de grupos de n eu ro n as (véase el Capítulo 8) producen la actividad rítm ica de las neuronas, aunque se desconocen aún los m ecanism os m oleculares exactos. Estos genera
El aporte químico sensorial ayuda a m odular el re n dim iento de los generadores centrales de patrones. Los quim iorreceptores detectan alteraciones en el CO,, el H+ y el 0 2 y envían inform ación sensorial afe rente al cerebro. Diversas zonas cerebrales integran esta inform ación y la sum inistran a los generadores del ritm o respiratorio p a ra m odificar la frecuencia o la profundidad respiratoria. Estos cam bios actúan por retroalim entación negativa p a ra m an ten er el Po2 y el Pco2 de la sangre dentro de un intervalo limitado. La detección de oxígeno es de vital im portancia p ara los vertebrados que resp iran en el agua, al igual que la detección de CO, p ara los vertebrados que em plean la respiración aérea. La elim inación del CO, se realiza de m an era directa en los organism os que resp iran en el agua, y el nivel de CO, en la sangre por lo general es reducido. No obstante, los niveles de oxígeno en el agua son bajos com parados con los del aire, y la hipoxia, es decir, un nivel m ás bajo que el Po, habitual, se produce con frecuencia en los entor nos acuáticos. Por el contrario, si bien pueden encon tra rse elevados niveles de oxígeno en el aire, los organism os que resp iran en el aire encuentran cierta dificultad p a ra elim inar el CO, y el nivel global de CO, en la sangre es en general m ás elevado que el de los respiradores acuáticos. Los resp iradores acuáticos presen tan quim iorre ceptores de O, internos que controlan el Po2 de la sangre branquial. Asimismo, hay quim iorreceptores de O, en la superficie corporal, concretam ente en la cavidad branquial, aunque la distribución de dichos receptores puede v ariar entre las diferentes especies. Estos quim iorreceptores envían señales aferentes al bulbo raquídeo, que m odula el rendim iento de los generadores respiratorios y cardiacos. Las señales eferentes de estos generadores rítm icos regulan el volum en y la tasa de ventilación, así como el gasto cardiaco y el p atrón de perfusión de las branquias. Los organism os que resp iran en el agua tam bién cuentan con quim iorreceptores de C O /pH en las branquias, aunque se cree que éstos participan p rin cipalm ente en la detección de las características del medio externo. Los vertebrados que resp iran en el aire cuentan con quim iorreceptores internos de CO /pH que con
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trolan el Pco 2 o el pH en sangre. Debido al fuerte vín culo entre el CO, y el [H+] debido al equilibrio por an h id rasa carbónica, es difícil determ inar con exac titud qué p arám etro detectan estos quim iorreceptores, aunque según p ru eb as recientes detectan el pH intracelular. Hay dos grupos principales de quimiorrecep to res internos de CO,/pH: los quim iorrecepto res cen tra les, ubicados en el bulbo raquídeo, y los q u im iorrecep tores p eriféricos, ubicados en a rte rias específicas. Los quim iorreceptores centrales responden a alteraciones del pH en el líquido cefalorraquídeo. Si bien la b a rre ra sanguínea del cerebro es relativa m ente im perm eable a los protones, el C0 2 se difunde rápidam ente en el líquido cefalorraquídeo. La anhi d rasa carbónica de este fluido cataliza la form ación de HC03~ y H+, que estim ula estos quim iorrecepto res. El aum ento de C0 2 (y p o r lo tanto de H+) estim ula la ventilación, m ientras que su dism inución (y tam bién de H+) la reduce. Los quim iorreceptores periféricos de los m am í feros d etectan tan to el Po2 como el P co /p H . Los qui m io rrecep to res del cu erp o caro tíd eo se ubican en la a rte ria carótida y controlan la com posición de la san g re que fluye hacia el cerebro. Los quim iorre ceptores del cu erp o a ó rtico se ubican en la pared de la ao rta y controlan la com posición de la sangre que fluye hacia el cuerpo. Estos receptores no son m uy sensibles en cuanto al O, y detectan los bajos niveles de O, sólo en situaciones de hipoxia extrem a, m ien tras que la regulación resp irato ria diaria se logra m ediante la detección de C O /pH (Figura 10.39).
Otros factores que regulan la respiración Algunos reflejos m ecanosensibles tam bién influyen en la respiración. Por ejemplo, en los m am íferos cier tos irritan tes como las partículas inhaladas pueden estim ular los receptores de las vías aéreas pulm ona res. Estos m ecanorreceptores envían señales al sis tem a nervioso central que producen la constricción de los bronquios. Esta broncoconstricción protectora evita la inhalación de m ás partículas. Otro grupo de m ecanorreceptores, los receptores elásticos pulm o n ares de adaptación lenta, detectan la tensión de la p ared de las vías aéreas, incluidos la tráq u ea y los bronquios. Si el volum en corriente se vuelve exce sivo, estos receptores elásticos activan el reflejo de H erin g-B reu er de d isten sión , que finaliza la in h a lación y protege los pulm ones ante daños por una excesiva insuflación. Asimismo, son sensibles al CO,
F ig u ra 10.39.
Sistem as respiratorios 463
R e g u la c ió n r e fle ja de la v e n tila c ió n en los
m a m ífe ro s .
de la circulación pulm onar: el increm ento de CO, inhibe los receptores y así se estim ula la ventilación. La respiración tam bién se regula en centros cere brales superiores del hipotálam o y el cerebro. Por ejemplo, podem os m odificar nuestros p atrones de respiración de form a intencionada. No obstante, si bien nos es posible dom inar los centros respiratorios de m an era tem poral, no podem os hacerlo indefinida m ente. Si uno intenta contener la respiración, al final el im pulso respiratorio se vuelve tan fuerte como resultado de la en trad a de los quim iorreceptores a los centros respiratorios m edulares que uno se ve obligado a respirar.
Hipoxia am biental Los organism os regulan el sistem a respiratorio en resp u esta a variaciones en el entorno externo e interno. La ta sa de ventilación y la frecuencia respi rato ria suelen aum en tar como respuesta a increm en tos en la dem anda m etabólica, como sucede durante
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Integrando sistem as fisiologicos
el ejercicio físico. Los anim ales tam bién deben hacer frente a las variaciones en los niveles de oxígeno y dióxido de carbono en el entorno. En los entornos acuáticos, p o r ejemplo, el nivel de oxígeno en el am biente suele ser diferente al estado de normoxia. D urante el día, cuando la fotosíntesis se encuentra en su m áxim o nivel y las plantas son productoras de oxí geno, los cuerpos de agua cerrados tales como estan ques, m arism as o pozas de m area se vuelven hiperóxicas, es decir, so b resaturadas de oxígeno. Por el contrario, durante la noche, cuando las plantas son consum idoras de oxígeno, estos hábitats se vuel ven extrem adam ente hipóxicos y los peces que h ab i ta n en ellos experim entan niveles de oxígeno sum am ente reducidos. Los anim ales terrestre s ra ra vez sufren la hiperoxia pero pueden padecer de hipo xia en m ad rig u eras o a gran d es alturas. Tam bién se em plea el térm ino h ip oxem ia, es decir, un nivel m ás reducido que el contenido de oxígeno habitual en la sangre arterial. Ésta puede darse po r la hipoxia am biental, la ventilación inadecuada, el bajo nivel de hem oglobina en sangre y diferentes enferm edades. Los térm inos h ip ercap n ia e h ip ocap nia describen niveles de Po 2 m ás elevados o reducidos que el h ab i tual en el entorno o en la sangre. Al igual que la hipo xia, la hipercapnia am biental se produce en entornos cerrados como las m adrigueras.
Los peces responden a la hipoxia de diferentes maneras Se cree que algunos peces cuentan con quim iorrecep tores de oxígeno externos que detectan la hipoxia am biental y les perm iten iniciar respuestas conducti vas y fisiológicas p ara evitar la hipoxem ia, po r ejem plo, al alejarse del agua hipóxica. Si esta estrategia inicial falla, la hipoxia am biental produce una dismi nución inicial y generalm ente transitoria del Po2 de la sangre, hecho que estim ula los quim iorreceptores de 0 2 internos y conduce a u n a m ayor ventilación. Los peces que se ventilan de form a pasiva habitualm ente ag ran d an aún m ás la boca p ara increm entar el flujo acuático por las branquias, m ientras que un pez que utiliza el bom beo bucal opercular aum enta la frecuen cia y profundidad de estos movimientos. Si los ajustes respiratorios aún no son suficientes p ara com pensar la hipoxia am biental, el pez puede iniciar estrategias conductivas tales como la respiración superficial acuática, por la cual se desplaza a la superficie del agua y ventila las branquias m ediante la delgada capa de agua m ejor oxigenada que se encuentra en el punto de contacto entre el aire y el agua.
U na exposición prolongada a la hipoxia produce un aum ento de la cantidad de glóbulos rojos y, como consecuencia, de la concentración de hem oglobina, lo que in crem en ta la capacidad p o rtad o ra y de extracción de oxígeno del entorno. El pez tam bién puede red u cir su ta s a m etabólica al red u cir el nivel de actividad o al suprim ir el m etabolism o de for m a activa p a ra conservar la energía (véase la Caja 10.3).
Los organismos que respiran en el aire experimentan hipoxia de altitud La m ayoría de los organism os que resp iran en el aire sólo experim entan bajos niveles de oxígeno en el entorno cuando se encuentran en determ inados hábitats, como d urante la inm ersión, en espacios cerrados como m adrigueras, o a grandes alturas. Cuando se llevan anim ales adaptados a las tierras bajas a grandes alturas, éstos p asan po r un a serie de modificaciones fisiológicas, de las cuales algunas se producen p a ra ad ap tarse a la hipoxia am biental y otras son patológicas, si dichos anim ales no logran adaptarse. Cuando un m am ífero adaptado a bajas alturas se enfrenta con la hipoxia de altitud, sufre u n a caída en el Po, de la sangre. Los quim iorrecepto res detectan esta caída y envían un a señal al bulbo raquídeo a fin de au m en tar la frecuencia y profundi dad respiratoria, restau ran d o total o parcialm ente el Po 2 en sangre. Debido al increm ento de la frecuencia respiratoria, se p erd erá u n a cantidad m ás elevada de C02, lo que produce la hipocapnia, es decir, un nivel de Pco 2 en sangre inferior al habitual. Cabe reco rd ar que en el caso de los m am íferos el Pco 2 p ro porciona el im pulso respiratorio prim ario. El bajo nivel de Peo, sanguíneo a grandes alturas puede oca sionar dificultades respiratorias, especialm ente du ran te el sueño, cuando se elim ina el im pulso r e s piratorio consciente. Debido al equilibrio por a n h i d ra sa carbónica, la hipocapnia tam bién ocasiona un a caída en el nivel de [H+], De este m odo, la re s puesta de ventilación frente a la altitud produce u n a alcalosis respiratoria. Tras u n a exposición prolon gada a las grandes alturas, la alcalosis resp irato ria persistente hace que los riñones excreten HC03~, p a ra in ten tar reg u lar de m a n e ra hom eostática el pH de la sangre. La hipoxia de altitud tam bién conduce a aum en tos en la concentración de glóbulos rojos a través de la anteriorm ente m encionada vía m ediada por HIF. Este efecto de la altura constituye uno de los motivos por los cuales los atletas profesionales optan por
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Sistem as respiratorios 465
Caja 10.3 Evolución y diversidad Supresión m etabólica hipóxica En entornos de poco oxígeno, es posible
m etabolism o para sobrevivir en condiciones adversas, in
que los animales no sean capaces de obtener
cluidas las bajas tem peraturas, la falta de alim ento o la de
el oxígeno suficiente para satisfacer las necesidades m eta
secación, además de la hipoxia. Si bien la naturaleza de estas
bólicas de los tejidos. M uchos animales que sobreviven en
afecciones es variada, en cada caso los animales necesitan
la hipoxia am biental utilizan una estrategia denominada su
reducir la tasa m etabólica para preservar las reservas de
presión m etabólica hipóxica (o h ip o m e ta b o lis m o ), por la
energía. La h ib e rn a c ió n (un prolongado periodo de depre
cual reducen la actividad y las necesidades m etabólicas fren
sión m etabólica asociado con las bajas tem peraturas) y el le
te a la reducción del oxígeno disponible. La reducción de la
ta r g o (un periodo de depresión m etabólica más breve que
tasa m etabólica dism inuye la demanda de oxígeno y perm i
se observa con frecuencia durante la noche) son estados hi
te que el animal sobreviva durante periodos prolongados a
pom etabólicos especialm ente interesantes debido a que se
pesar de la hipoxia am biental. Por ejem plo, algunas especies
producen en condiciones norm óxicas. Cuando los animales
de las tortugas de zonas tem pladas emplean la supresión
entran en estado de hibernación o letargo, voluntariam ente
metabólica hipóxica para vivir largos periodos sumergidas.
reducen la ventilación ju n to con la dism inución de la tasa m e
Las tortugas de agua dulce, tales com o la tortuga pintada
tabólica. Así, estos animales reducen de form a activa la de
(Chrysem ys picta) y la tortuga de orejas rojas (Trachemys
manda y el sum inistro de oxígeno. M uchos m am íferos
scripta), se ven obligadas a respirar en el aire, pero pueden
hibernantes, tales com o las ardillas terrestres, presentan du
perm anecer sum ergidas durante periodos prolongados, por
rante la hibernación un patrón de respiración interm itente,
ejem plo, en lagunas cubiertas de hielo durante el invierno. Al
que intercala prolongados periodos de apnea con episodios
gunas especies tam bién se entierran en fango anóxico. La
ventilatorios. Los m ecanism os que transform an el patrón
tasa m etabólica de una tortuga sum ergida a bajas tem pera turas es m enor del 0,1 % de la tasa m etabólica norm óxica del
respiratorio regular de los m am íferos en uno in term itente durante la hibernación aún se desconocen, pero presum i
verano. Parte de esta dism inución en la tasa m etabólica es el
blem ente im plican cam bios en la función de los cardiorre
resultado del descenso de tem peratura, aunque una parte
guladores respiratorios en el lóbulo raquídeo.
considerable se debe a la supresión activa del m etabolism o. Los detonantes que producen la supresión m etabólica hi póxica aún se desconocen, aunque una clave sería la acidosis en los tejidos. Cuando el sum inistro de oxígeno no es suficiente para satisfacer las necesidades m etabólicas del organismo, com o la que se produce durante la hipoxia am biental, el ATP debe producirse m ediante vías anaerobias. En la mayoría de los animales esto implica un flujo por glicólisis, que produce lactato com o producto m etabólico final. Un ele vado flujo glicolítico que no se equilibra con la respiración ae robia conduce a la acidosis m etabólica, es decir, el aum ento en la producción celular global de iones de hidrógeno. La pro nunciada acidosis m etabólica presenta graves consecuen cias para los organismos, dado que la mayoría de las enzimas son m uy sensibles al pH del cuerpo. La exposición inicial a la hipoxia produce una acidosis m oderada en los tejidos, que luego ocasiona una reducción en la tasa metabólica, a fin de proteger al animal de una m ayor acidosis. Los estados hipom etabólicos no son exclusivos de los am bientes hipóxicos. M uchos organism os utilizan el hipo-
en tren arse a grandes altu ras o utilizan u n a cám ara hipobárica, que proporciona un entorno artificial de presión y Po 2 reducidos. En la actualidad se debate si este increm ento en la cantidad de glóbulos rojos (o
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policitem ia) realm ente ayuda a la adaptación a la altitud. La policitemia produce un aum ento del hematocrito, es decir, la proporción del volum en sa n guíneo ocupado po r los glóbulos rojos. Un nivel ele
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Integrando sistem as fisiologicos
vado de hem atocrito increm enta la viscosidad de la sangre, que puede afectar al flujo sanguíneo por los capilares e interferir en el intercam bio gaseoso en los tejidos. En los seres hum anos y m uchos anim ales ad ap tados a las bajas alturas, la hipoxia tam bién incre m en ta los niveles de 2,3-DPG en los glóbulos rojos, lo que, en principio, dism inuiría la afinidad por el oxí geno sanguíneo y podría ayudar a la descarga de oxí geno en los tejidos. No obstante, la alcalosis resp irato ria asociada con la hiperventilación por lo g eneral anula este efecto, p o r lo que no se producen cam bios globales en la afinidad de la hem oglobina p o r el oxígeno a grandes alturas. Asimismo, la hipoxia am biental influye en la co rrien te sanguínea pulm onar de los anim ales ad ap ta dos a las tierras bajas. El reducido nivel de Po 2alveolar que se produce como consecuencia del bajo nivel de Po 2 en el entorno vasoconstriñe las arteriolas pulm o n ares, dism inuyendo la perfusión en los pulm ones. Esta resp u esta patológica reduce la absorción de oxí geno de la atm ósfera y resu lta peligrosa porque la va soconstricción generalizada increm enta la presión sanguínea en los pulm ones, hecho que puede conducir a un edem a pulm onar o acum u lación de fluidos en los pulm o nes. El edem a p ulm onar es especialm ente peligroso p o r que el fluido acum ulado a u m enta la distancia de difusión del epitelio alveolar, lo que dis m inuye la eficiencia del in ter cam bio gaseoso. El edem a p ulm onar de a ltitu d es u n a de las form as m ás graves del “m al de altu ras” en los seres hum anos y constituye u n a de las consecuencias m ás peli grosas de la exposición a la al titud (Figura 10.40). D eterm inadas especies m am íferas, incluidas algunas poblaciones hum anas, han colonizado h áb itats que se en cu en tran a grandes alturas. Por ejemplo, las poblaciones de pueblos indígenas en China, Nepal. Tibet, Etiopía y P erú h ab itan altitudes que causan problem as resp irato rios en poblaciones h u m an as Fig u ra 10.40. R e s p u e s ta
ad ap tad as a las tierras bajas. Desde hace poco se están com enzando a entender las diferencias fisioló gicas entre los individuos de estas poblaciones y las tierras bajas, pero los datos recopilados hasta el m om ento indican que los prim eros em plean una estrategia diferente p ara enfrentarse a las grandes alturas. Por ejemplo, los quechuas del P erú en gene ral p resen tan un tórax con form a de tonel, lo que indicaría que cuentan con u n a capacidad pulm onar superior a la habitual y un alto nivel de hem oglobina. Por el contrario, las poblaciones tibetanas no p resen ta n ese tipo de tórax ni tam poco tienen un alto nivel de hem oglobina. Los individuos de las poblaciones tibetanas difieren en el nivel de saturación de oxí geno en la hem oglobina arterial y los que cuentan con niveles m ás elevados de saturación tienen una m ayor tasa de supervivencia de descendencia que aquellos que presen tan niveles m ás reducidos. Se ha com probado que esta diferencia en los niveles de saturación puede ser hereditaria y por tanto podría estar sujeta a la selección natu ral en curso. Los indi viduos de las poblaciones a grandes alturas en Etio pía presen tan otro patrón. No tienen un tórax en
de los h u m a n o s fr e n te a las g ra n d e s a ltu ra s .
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tonel, ni elevadas cantidades de hem oglobina ni una alta afinidad p o r el oxígeno, pero son capaces de m an ten er la saturación de oxígeno de las arterias a u n nivel norm al aun en entornos de escaso oxígeno. La b ase fisiológica p ara esta diferencia aún se desco noce. Otros m am íferos h a n colonizado las alturas, incluidas especies como la llam a, la chinchilla, el conejillo de Indias y el ratón ciervo. Las poblaciones de rato n es ciervo ad ap tad as a la altitud presen tan un m enor nivel de 2,3-DPG en los glóbulos rojos en com p aración con las poblaciones de bajas alturas cuando am bas se crían en una m ism a altura. Esta dism inu ción en el nivel de 2,3-DPG produce un aum ento de la afinidad de la hem oglobina por el oxígeno, lo que perm ite ex traer de m an era eficaz el oxígeno de la atm ósfera de las gran d es alturas. Las llam as, vicu ñas, chinchillas y conejillos de Indias tam bién cuen ta n con u n nivel de afinidad poco habitual. En las llam as y vicuñas el aum ento se debe a un a o varias m utaciones de los genes globina que anulan los efec tos del 2,3-DPG, dando como resultado una m ayor afinidad p o r el oxígeno. Los gansos hindúes (A n ser indicus) tienen una afinidad con el oxígeno extrem adam ente elevada. Existen sólo cuatro diferencias entre los am inoácidos de la hem oglobina principal de estas aves y la de sus parien tes cercanos los án sares com unes, que habitan las tierras bajas. Una de estas m utaciones produce la p érd id a de u n enlace de hidrógeno que habitual m ente estabiliza el estado T de la hem oglobina, haciendo que ésta adopte un a conform ación m ás laxa y aum ente así su afinidad por el oxígeno. Asi m ism o, m uchos pájaros son capaces de tolerar la hiperventilación, así como la hipocapnia y alcalosis resultantes, m ejor que los hum anos, lo que les p er m ite in crem en tar la extracción de oxígeno a grandes alturas.
Sistem as respiratorios 467
los m e jo re s buce adores de los m a m ífe ro s m arinos, con in m e rs io n e s registradas a una profu n d id a d su p e rio r a 2 .0 0 0 m y por un perio do su p e rio r a una hora. A s i m is m o , los análisis del c o n te n id o de sus e s tó m a g o s indican que pue den s u m e rg irs e a 3 .0 0 0 m . Los pinfped os (focas y le ones m arinos) ta m b ié n son e x c e le n te s buce adores. E n tre é s to s el e le fa n te m arino m a n tie n e el récord de las in m e rs io n e s m ás prolongadas y profundas a casi 1.600 m y durante unos 80 m in u to s . El pingüino em p e ra d o r pue de s u m e rg irs e a 500 m , aun que durante p erio dos re la tiv a m e n te c o rto s de tie m p o de unos 3 m in u to s de m edia. Sin em bargo, se ha re gistrado que pue den s u m e rg irs e hasta 22 m in u to s . Las to rtu g a s m arinas ve rd e s pue den p e rm a n e c e r en el agua durante 5 horas, aun que las in m e rs io n e s activas suelen se r de e n tre 5 y 10 m in u to s de m edia. Cuando se s u m e rg e un v e rte b ra d o que respira en el aire, deb e d e p e n d e r de la reserva de oxígeno para m an te n e r el m e ta b o lis m o aerobio. Estas reservas de a bordo por lo general son s u fic ie n te s para in m e rs io n e s breves, pero no son capaces de m a n te n e r el m e ta b o lis m o du rante las in m e rs io n e s prolongadas, por lo que es ne c e sario re c u rrir al m e ta b o lis m o ana ero bio (Figura 10.41). El
límite de inmersión aerobia, es decir, el p u n to a partir del cual el anim al deb e e m e rg e r para respirar o com enzar a e m p le a r el m e ta b o lis m o anaerobio, varía e n o rm e m e n te e n tre las d ife re n te s espe cies. Por e je m p lo , las focas d e W e d d e ll adu ltas, que cazan debajo de las placas de hielo antárticas, cuen tan con un lím ite de in m e rs ió n ae robio de unos 20 m in u to s , m ie n tra s que el de los le ones
Límite de
S is te m a s in te g ra d o re s
La fisiología de la inmersión C iertos ve rte b ra d o s que respiran en el aire, in cluidos algunos m a m ífe ro s, aves y reptile s, han a do ptad o un
Duración de la inmersión (min)
m o d o de vida to ta l o p a rc ia lm e n te acuático. No obs ta n te , to d o s e s to s anim a les d e p enden del aire c o m o m e d io re sp ira to rio y deb en p o d e r cazar a c tiv a m e n te m ie n tra s d e p enden de las reservas de oxígeno que lle van c o n sig o cuan do se s u m e rg e n . Los c a cha lotes son
Fig u ra 10.41.
A c u m u la c ió n de la c ta to en las fo c a s de
W e d d e ll d u ra n te la in m e rs ió n .
El lím ite de inm ersión aerobia es el periodo de inm ersión en el que el lactato com ienza a acum ularse com o resulta do del cam bio al m eta bolism o anaerobio.
468 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
pulmones mayores y por lo general no los utilizan para almacenar oxí geno durante las inmersiones. De hecho, algunas especies como la foca de Weddell se sumergen justo a continuación de exhalar, demostrando así que nadan activa m ente sin tener aire puro en los pulmones. A medida que un animal se sumerge, la presión del agua cir cundante aumenta. La elevada pre sión ambiental hace que el volumen pulmonar disminuya, lo que incrementa la presión parcial de los gases pulmonares. Este
Oxígeno total (ml/kg) Fig u ra 10.42.
R e s e rv a s to ta le s de o x íg e n o en los m a m ífe ro s b u c e a d o re s y h u
m a n o s (m e d id a s por kg de m a sa c o rp o ra l).
efecto puede ser beneficioso por que tiende a impulsar una mayor cantidad de oxígeno a la circula
marinos de California es sólo de unos 5 minutos. En prin cipio, es posible realizar dos ajustes fisiológicos para al terar el límite de inmersión aerobia: el aumento de las
ción, pero también presenta un riesgo considerable, dado que la mayor presión puede impulsar nitrógeno a la circulación, lo que puede ocasionar una afección
reservas de oxígeno y la disminución de la demanda de oxígeno. Los mamíferos marinos utilizan ambas estrate
denominada narcosis por nitrógeno. Los síntomas de esta afección se asemejan a los del consumo de alco
gias para incrementar el periodo de inmersión.
hol, comenzando por una sensación inicial de euforia, pasando por la desorientación y finalm ente llegando a la
Los vertebrados pueden almacenar el oxígeno en tres lugares: en la sangre (enlazado en gran parte con la hemoglobina), unido a la mioglobina muscular y en los pulmones. Las reservas de oxígeno globales del cuerpo tienden a ser mayores en los mamíferos acuáticos que en los terrestres, aunque esta relación se observa con clari dad en los buceadores más competentes (Figura 10.42). Los mamíferos buceadores suelen presentar un elevado volumen de sangre y capacidad portadora de oxígeno, lo que les permite almacenar más oxígeno en sangre que un animal terrestre. Por ejemplo, la foca de Weddell es capaz de almacenar hasta cinco veces más oxígeno en la sangre que los humanos. Cabe recordar de nuestro análi sis sobre los efectos de la altitud que la policitemia aumenta la viscosidad de la sangre y puede ocasionar difi cultades cardiacas. Algunas especies de focas superan este problema al almacenar glóbulos rojos en el bazo y liberarlos durante los periodos de inmersión. Los glóbulos luego vuelven a almacenarse allí cuando el animal no se encuentra sumergido. Los animales buceadores por lo general también cuentan con elevados niveles de mioglobina muscular. Las focas de Weddell tienen más de 50 mg de mioglo bina por gramo de músculo y las focas de bandas pre sentan hasta 80 mg/g, mientras que los humanos sólo cuentan con unos 5 o 10 mg de mioglobina por gramo de músculo. Los animales buceadores no cuentan con
pérdida de la consciencia. Se cree que el nitrógeno actúa de forma similar al anestésico óxido nitroso, alte rando la actividad del sistema nervioso al afectar la acción de los receptores N M DA y estimular la actividad de los receptores opioides inhibitorios. Una afección relacionada conocida com o "baro traum a" o enfermedad por descompresión, se produce cuando un buceador emerge a la superficie con exce siva velocidad. En las profundidades, el contenido de nitrógeno en sangre es elevado. A medida que emerge el buceador, el nitrógeno sim plem ente se difunde de nuevo en los pulmones y se exhala. Sin embargo, si el nadador emerge con demasiada velocidad, el nitrógeno abandonará la solución mientras aún se encuentra en la sangre, form ando burbujas. Esto se asemeja a lo que ocurre cuando se abre un refresco gaseoso, em bote llado a una gran presión de dióxido de carbono. Al abrirse, la presión cae bruscamente, haciendo que se form en burbujas. Las burbujas en la sangre no son necesariamente dañinas. Sólo ocasionan problemas si son de un tamaño considerable, dado que las burbujas mayores pueden alojarse en los capilares obstruyendo el flujo sanguíneo, presionar las terminaciones nervio sas o quedar atrapadas en otros espacios cerrados como las articulaciones. La enfermedad por descom presión se asocia con varios síntomas, de los cuales el
C A P ÍTU LO 10
Sistem as respiratorios 469
más común es el dolor en las articulaciones y los mús
músculos y otros órganos no esenciales al corazón y el
culos y los problemas neurológicos como cefalea y embolia cerebral. El riesgo de la narcosis por nitrógeno
cerebro. El cerebro depende únicamente del metabo lismo aerobio y no tolera la falta de oxígeno durante
y "barotraum a" es más elevado en el buceo con esca
periodos prolongados, mientras que otros tejidos son
fandra que en el buceo libre, aunque en el buceo libre extremo, en el que las inmersiones se realizan a profun
capaces de hacer frente al reducido sum inistro de oxí geno disminuyendo la tasa metabólica y dependiendo
didades superiores a los 70 m, también pueden produ cirse algunos de estos efectos. Los efectos de la
del metabolismo anaerobio. Al m ism o tiem po, los mús
enfermedad por descompresión se han observado en
culos lisos y el bazo se contraen, lo que obliga a que los eritrocitos saturados de oxígeno almacenados se intro
los cuerpos de cachalotes encallados que emergieron a la superficie con excesiva velocidad al ser sorprendidos
duzcan en el sistema circulatorio. Durante una inmer sión prolongada o forzada, la frecuencia cardiaca
por señales de sonar.
también se reduce, equiparándose a la demanda circu
Muchos animales marinos buceadores evitan la nar cosis nitrogenada y la enfermedad por descompresión al
latoria menor. El nivel de bradicardia de inmersión depende de la duración de las inmersiones voluntarias,
perm itir que sus pulmones (para mayor exactitud, sus al veolos) se hundan por com pleto durante la inmersión.
de modo que en las breves casi no se produce bradicar
Cuando esto ocurre, el aire se impulsa por las vías aéreas
dia, mientras que durante las prolongadas se observa una elevada bradicardia.
pulmonares, que no participan en el intercambio gaseo so. De este modo, los niveles de nitrógeno en sangre de
La respuesta cardiovascular a la inmersión no es propia únicamente de los mamíferos buceadores, sino
las focas buceadoras se mantienen relativamente esta
que constituye una característica fundamental de todos
bles a cualquier profundidad de inmersión. Se descono ce cóm o evitan este problema las aves buceadoras, dado
los vertebrados. La mayoría de los animales disminuyen la tasa metabólica y redistribuyen el flujo sanguíneo a
que sus pulmones son rígidos. Esta diferencia en la ana tomía pulmonar puede explicar por qué pocas aves son
los tejidos esenciales cuando se encuentran con una
capaces de sumergirse a grandes profundidades o du rante periodos prolongados. Algunos experim entos de laboratorio con pingüinos de Adelia indican que los nive les de nitrógeno pueden aumentar hasta alcanzar la zona de peligro durante inmersiones más prolongadas o pro fundas de lo habitual. Además de aumentar las reservas de oxígeno, los mamíferos marinos también adaptan su demanda de oxígeno durante las inmersiones prolongadas, a fin de conservar el oxígeno e incrementar el límite de inmer sión aerobia. De hecho, los experim entos realizados en
baja disponibilidad de oxígeno. No obstante, la res puesta a la inmersión es por lo general más marcada en los mamíferos buceadores que en los terrestres, como los seres humanos. Finalmente, cabe considerar los efectos del C 0 2 producidos durante una inmersión y la consecuente caída en el pH de la sangre. Los animales buceadores parecen contar con una capacidad amortiguadora suma mente elevada, lo que les perm ite amortiguar o evitar grandes alteraciones en el nivel de pH en la sangre. Más aún, los mamíferos buceadores presentan una res puesta de ventilación mucho más reducida ante el C 0 2.
focas de Weddell buceando libremente en sus hábitats
En los humanos, la acumulación gradual de C 0 2y la con
indican que la tasa metabólica durante la inmersión es más reducida que la de los periodos que pasan en la
secuente disminución del pH en sangre durante la apnea estimula la respiración. Cualquiera que haya intentado
superficie, pese a que estos animales cazan activa
nadar grandes distancias bajo el agua, habrá experimen tado este fuerte impulso a respirar como resultado de la
m ente cuando se sumergen. Los animales buceadores emplean diferentes estrategias biomecánicas para
acumulación de C 0 2. Los animales buceadores, como
reducir los gastos de locomoción en el agua (véase el Capítulo 13 para un análisis pormenorizado de estos
las focas, no sienten un impulso tan fuerte cuando se encuentran sumergidos, por lo que pueden permanecer
temas). Durante las inmersiones forzadas en el labora
bajo el agua durante periodos mucho más largos sin la
torio o cuando un animal buceador se ve obligado a permanecer bajo el agua durante un periodo más pro
necesidad de emerger a respirar. !
longado, por ejemplo, para esconderse de un depreda dor, el animal recurre a una serie de mecanismos fisiológicos que se denominan colectivamente res
Resumen
puesta a la inmersión. Durante ésta, las arteriolas que conducen a los músculoesqueléticos, la piel, los riñones
El sistem a respiratorio consiste en la totalidad de las estructuras que los anim ales em plean p a ra obtener oxígeno del entorno y desechar el dióxido de car
y los intestinos se contraen, desviando la sangre de los
470 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiologicos
bono. Los anim ales que apenas superan los pocos m ilím etros de diám etro utilizan u n a com binación de difusión y flujo global p a ra tran sp o rtar gases entre el entorno y los tejidos. Las esponjas, los cnidarios, algunos platelm intos y varios tipos de artrópodos h acen circular el medio externo por el cuerpo, au n que m uchos anim ales em plean un sistem a circulato rio p a ra el tran sp o rte gaseoso. La superficie externa, es decir, la piel o las b ran q u ias externas, puede utili zarse p a ra el intercam bio gaseoso con el entorno. No obstante, m uchos anim ales p resen tan b ranquias o pulm ones internalizados y h acer circular el líquido externo m ediante flujo global po r la superficie respi ratoria. La relación entre el flujo global del m edio y la sangre influye en el intercam bio gaseoso en estas especies. El m étodo contracorriente es la form a de intercam bio m ás eficaz. Los anim ales que h ab itan en el agua y en el aire em plean diferentes estrategias resp irato rias, debido a las distintas propiedades físi cas de estos dos m edios. C oncretam ente, la diferen cia en la solubilidad gaseosa y la densidad del medio im plican que los resp irad o res acuáticos, en com pa ración con los aéreos, deben dedicar m ayor esfuerzo p a ra obtener oxígeno. Los anim ales que resp iran en el agua utilizan diversas estrategias p ara ventilar las branquias, en las que p o r lo general p articipan los cilios o el bom beo m uscular. Los pepinos de m ar se destacan entre aquellos que resp iran en el agua debido a que cuen ta n con pulm ones de ventilación corriente. Los ani m ales que em plean el aire como medio respiratorio utilizan u n sistem a traq u eal o pulm ones p a ra el intercam bio gaseoso. Los peces que resp iran en el aire y los anfibios trag an aire m ediante u n a bom ba bucal. Por el contrario, los reptiles, pájaros y m am í feros ventilan sus pulm ones a través de u n a bom ba aspirante. Los reptiles y los m am íferos em plean la ventilación corriente, m ien tras que las aves los venti lan de form a unidireccional. Los pulm ones de los m am íferos consisten en una serie de vías aéreas que conducen a num erosos al veolos de p ared es delgadas. Esta especie ventila los alveolos al contraer los m úsculos intercostales exter nos y el diafragm a, m oviendo la caja torácica y expandiendo la cavidad del tórax. La baja presión que se produce como consecuencia succiona aire a los pulm ones. En reposo, la exhalación en general es u n a acción pasiva producida como resultado del retroceso elástico de los pulm ones, aunque durante el ejercicio físico intenso puede em plearse la exhala ción activa. El trabajo necesario p a ra la ventilación depende de la resistencia pulm onar.
Una vez que el oxígeno p enetra en el cuerpo, se transporta a los tejidos disuelto en la sangre o enla zado a un pigmento respiratorio como la hem o globina, hem eritrina o hem ocianina. La sangre que contiene estos pigm entos tiene un a curva de equilibrio propia, aunque la form a de esta curva difiere según los diferentes tipos de pigm entos y entre las distintas especies, variando la afinidad por el oxígeno y la capa cidad portadora. El pH, el Peo,, la tem peratura y los m oduladores orgánicos de la sangre pueden influir la form a de la curva de equilibrio de oxígeno. Por ejem plo, el desplazam iento de Bohr se produce como resul tado de la dism inución del pH o el aum ento del C0 2 y representa un desplazam iento hacia la derecha, haciendo que el oxígeno se descargue en los tejidos. El dióxido de carbono puede tran sp o rtarse en la sangre como CO, disuelto, IIC0 3 o unido a proteínas como la hem oglobina. Los niveles de CO,, HC03~ y pH se encuentran interrelacionados a través del equili brio por an h id rasa carbónica. La oxigenación de la sangre afecta al tran sp o rte del C02, al alterar la unión del CO, con la hem oglobina y el pH de la san gre. Los glóbulos rojos de los vertebrados desem pe ñ an un papel im portante en el transporte del C02, dado que sep aran los reaccionantes y los productos del equilibrio por an h id rasa carbónica, aum entado sustancialm ente la capacidad portad o ra de C0 2 de la sangre. Debido al equilibrio por an h id rasa carbó nica, el sistem a respiratorio puede producir altera ciones en el nivel de pH y regular el pH en sangre. En los vertebrados, los generadores centrales de patrones del bulbo raquídeo dan inicio al proceso de ventilación. Los aportes quím ico-sensoriales influyen en la acción de estos generadores de patrones, m odulando la frecuencia y profundidad respiratoria. Los m ecanorreceptores y el control consciente tam bién afectan a la respiración. La hipoxia am biental y la inm ersión constituyen dos ejemplos de las form as en las cuales los vertebrados regulan el sistem a re s piratorio en resp u esta a los cam bios en el entorno.
P reguntas de revisión 1. ¿Por qué la difusión es u n a estrategia respirato ria ineficaz p a ra los organism os que superan los pocos m ilím etros de espesor? 2. Compare y contraste el pulm ón de las aves y m am íferos y el sistem a traqueal de los insectos. 3. Explique cómo el flujo contracorriente perm ite u n a m ayor eficacia de intercam bio gaseoso en u n a superficie respiratoria.
C A P ÍTU LO 10
4. Com pare y contraste las bom bas im pelentes y asp iran tes del sistem a respiratorio en los verte brados tetrápodos. 5. Describa las variaciones en la presión alveolar e in trapleural durante u n ciclo de ventilación en los m am íferos. 6 . Si u n m am ífero p resen ta un volum en por minuto de 5.200 m l/m in, u n a frecuencia respiratoria de 13 respiraciones p o r m inuto, un a capacidad vital de 4.600 mi y u n volum en de reserva espiratoria de 1.200 mi, ¿cuál es el volum en corriente y el volum en de reserva inspiratoria? 7. Com pare y contraste el efecto Root y el efecto Bohr.
8 . ¿Cuál es la im portancia del glóbulo rojo p a ra el tran sp o rte de C0 2 en los vertebrados? 9. Indique cómo los quim iorreceptores influyen en el proceso de ventilación de los m am íferos.
Sistem as respiratorios 471
3. Una m ujer padece u n a enferm edad que no le p e r m ite producir tensioactivos en los pulm ones. Si presenta un volum en corriente norm al, ¿qué se podría afirm ar sobre la presión intrapleural durante la inhalación?
4. ¿Qué efectos pueden esperarse de un m am ífero cuya hem oglobina principal h a m utado de tal m odo que carece del efecto Bohr? 5. La tasa metabólica puede increm entarse hasta 40 veces po r encim a de los valores en reposo como resultado de la alim entación en el caso de algu nas especies de reptiles. Asimismo, durante la digestión se secreta un a gran cantidad de H+ en el estómago, lo que da como resultado la denom i n ad a m area alcalina, una im portante alcalosis m etabólica durante la cual aum enta el nivel de pH en sangre. Indique la respuesta probable del sistem a respiratorio frente a este aum ento de dem anda de oxígeno y la alteración del pH.
6 . En los peces existe u n a correlación positiva entre
P reguntas de síntesis 1. Muy pocos anim ales que utilicen la respiración acuática cuentan con pulm ones. En su lugar, la m ayoría em plea b ran quias p a ra el intercam bio gaseoso. ¿Qué desventajas funcionales p resentan los pulm ones en el agua?
2. En u n experim ento p ara determ inar el papel que desem peñan los sacos aéreos de los pulm ones de las aves, los fisiólogos ataron un saco de aire, de modo que el gas de dicho saco no pudiera pene tra r en el pulmón. A continuación, los investiga dores inyectaron monóxido de carbono al saco de aire sellado. Esta m anipulación no disminuyó la saturación de oxígeno de la hem oglobina en la sangre arterial. Explique los motivos de este fenó m eno y lo que d em uestra este experim ento sobre la natu raleza de los sacos aéreos en las aves.
la ta sa m etabólica global y la superficie de la branquia. ¿Qué puede explicar sobre esta rela ción?
7. Los m am íferos adaptados a la altitud no suelen m o strar u n a vasoconstricción pulm onar ta n p ro nunciada frente a la penetración por inhalación de niveles reducidos de Po, (hipoxia am biental), en com paración con los m am íferos adaptados a las tierras bajas. ¿Qué ventajas puede p resen tar esta diferencia en las grandes alturas?
8 . Como p arte de un experim ento fisiológico se pide que un hum ano respire po r u n a m anguera de 1 m de largo y 3 cm de diám etro (el extrem o de la m anguera está abierta al aire am biental). ¿Qué variaciones pueden esperarse en cuanto a la tasa de ventilación y el volum en corriente en com pa ración con los m edidos cuando el m ism o sujeto resp ira norm alm ente? (Explique sus respuestas).
C a p ít u lo 1 1 Equilibrio iónico e hídrico
n algún lugar, hace a pro xim a da m e nte unos
E
700 m illo n e s de años, su rgie ro n las prim eras fo rm a s de vida . Eran o rg a n ism o s m arinos, m u y sim ila res a las esponjas actuales. Al igual que las esponjas, estos a nim ales p rim a rios se hallaban bajo la fo rm a de un agregado laxo de células bañado en agua de mar. En el tra n scu rso de los marino. s igu ie ntes 150 m illo n e s de años, la e volu ción cond uPlatelminto jo
a im p o rta n te s ca m bio s en la organización de los te ji dos anim ales, y los a nim ales se hicie ron más co m p le
lar, em ple a nd o bom bas iónicas y tra n sp o rte activo para
ió n ico e hídrico. Un p rim e r h ito fu e la fo rm a c ió n de ca
crear y m a nte ne r los g radientes electro q u ím icos que
pas de te jid o . Después v in o la capacidad para p ro d u cir
m anejan los procesos sintético s y de tra n sp orte. A par
capas especializadas de te jid o exte rn o, m ediante célu
tir de esta co nd ición ancestral, llam ada ionoconformación, su rgie ro n varias estrategias io n o rre gu lad o ra s y
las interconectadas de ta l m anera que lim ita ra n el paso del agua de m a r al cuerpo. La fo rm a c ió n de este te jid o epite lial supuso una barrera entre el m u nd o ex
o sm orre g u la d ora s bien definidas. M ú ltip le s líneas de anim ales e volu cion a ron de ta l fo rm a que les p e rm itie
te rn o y los líq uid o s internos. A com ienzos del perio d o
ran un m a yor d o m in io sobre sus p rop io s te jid o s extra-
C ám brico (hace 545 m illo n e s de años) su rgie ro n nu
celulares, pud ie nd o escapar de las restricciones del
m erosos m ecanism os que p e rm itie ro n que los a n im a
agua de mar. Varias líneas se tra slad a ro n a aguas más
les a dquiriesen co n tro l sobre la naturaleza iónica y
salubres, otras p oblaron el agua dulce, y, con el tie m po ,
o sm ótica de sus líq uid o s extracelulares.
algunas se asentaron en la tie rra , explo ra nd o nuevos
A u n qu e la duración exacta de estos a con tecim ien to s e v o lu tivo s sigue siendo co n tro ve rtid a , podem os o bservar estas tra n sicio n es en las p ropiedades de es
472
capaces de co n tro la r su co m po sició n iónica ¡ntracelu-
jos, con profu nd a s im plicacio n es para el e q u ilib rio
e ntornos y superando nuevos retos relacionados con la regulación iónica y osm ótica. En la evolución de los cordados, se llevaron a cabo
pecies conte m po rá ne a s de a nim ales cuyos antepasa
cam bios fundam entales en la regulación iónica y osm ó
dos se re m on ta n a la época precám brica. Los anim ales más antig u o s que existen, las esponjas, no regulan la
tica. Los protocordados, los antepasados de los verte
co m po sició n de su te jid o extraceluiar, sino que, p o r el
com posición de su líquido extraceluiar de la m ism a fo r
co n tra rio , cada célula de la esponja m antiene su p rop io
ma que los m arinos invertebrados. Los prim eros verte
brados, son ionoconform adores y regulan la
e q u ilib rio hídrico e iónico con el agua circundante. Los
brados, los m ixinos, conservan su característica
verte b ra d o s sim ples co m o los p la te lm in to s conservan
ancestral de ionoconform ación, aunque han desarrolla
un líq uid o extra ce lu iar separado físicam ente del agua
do m aneras de co ntro la r la concentración iónica especí
de m ar pero, en su m a yo r parte, idéntico en co m p o si
ficas, com o Ca2+, M g2+ y SO2-. Sin em bargo, los
ción. No o bstante, incluso estos anim ales sim ple s son
osteíctios, que aparecieron después, son tanto osmorre-
de ag u a d u lc e re to rn a ro n m á s a d e la n te al m ar, m a n tu v ie ro n un p e rfil o s m ó tic o d is tin to al d el a g u a sala d a , a d ife re n c ia de s u s a n te p a s a d o s a g n a to s . La c a p a c id a d para m a n te n e r un m e d io s a lin o in te r n o m ie n tra s se e n c u e n tra n en a g u a d u lc e ta m b ié n p e r m ite a v a ria s lín e a s de a n im a le s e n fre n ta rs e a los d e s a fío s o s m ó tic o s a s o c ia d o s c o n b re v e s in c u rs io n e s e n tie rra . La p rim e ra de v a ria s o le a d a s de in v a s o re s te rre s tre s fu e de in v e rte b ra d o s . En p r im e r lu gar, lo s a n ti g u o s m iriá p o d o s , d e s p u é s sus d e p re d a d o re s a rtró p o d o s , o c u p a ro n la tie r ra hace m á s de 420 m illo n e s de añ o s. M á s a d e la n te , hace a p ro x im a d a m e n te u n o s Mixino.
400 m illo n e s de a ñ o s , lo s p rim e ro s a n fib io s se a v e n tu ra ro n a la tie rra . U n a e x is te n c ia te rre s tre p o n e a lo s a n im a les en rie s g o de d e s e c a c ió n y las esp e c ie s q u e o c u p a ro n
g u ia d o re s c o m o ¡o n o rre g u la d o re s y m a n tie n e n un p e rfil
la tie r ra c o n é x ito m u e s tra n a d a p ta c io n e s e v o lu tiv a s que
ió n ic o y o s m ó tic o c o n s is te n te d is tin to al d e l a g u a s alada
re d u c e n la p é rd id a de a gu a. P o r un la d o , n e c e s ita n una
c irc u n d a n te . Los o s te íc tio s s u rg ie ro n p ro b a b le m e n te de
s u p e rfic ie c o rp o ra l m á s re s is te n te a la d e s e c a c ió n . A l no
u n o de lo s g ru p o s a g n a to s q u e in v a d ie ro n el a g u a d u lc e
p o d e r e x c re ta r lo s d e s e c h o s m e ta b ó lic o s d ire c ta m e n te
hace 400 m illo n e s de añ o s. Los o s te íc tio s se d iv e rs ific a
en el a g u a , n e c e s ita n ta m b ié n de una fo rm a a lte rn a tiv a
ro n de fo rm a re p e tid a a lo la rg o de lo s p e rio d o s T riá s ic o
de e lim in a r lo s d e s e c h o s n itro g e n a d o s .
(hace 245 m illo n e s de añ o s), J u rá s ic o (hace 208 m illo n e s
El e q u ilib r io h íd ric o , el e q u ilib r io ió n ic o , la e lim in a
de año s) y C retáceo (hace 144 m illo n e s de añ o s). E stos
c ió n de n itr ó g e n o y el e q u ilib r io d e l pH s o n p ro c e s o s
a n im a le s s u m a m e n te p ró s p e ro s , a h o ra o c u p a n casi
in te r d e p e n d ie n te s q u e d e b e n re g u la rs e (y e v o lu c io
to d o n ic h o a c u á tic o y s e m ia c u á tic o d el p la n e ta , to le r a n
na n ) d e fo rm a p a ra le la p a ra a s e g u ra r la h o m e o s ta s is .
d o a m e n u d o c o n d ic io n e s o s m ó tic a s e ió n ic a s in h ó s p i
La d iv e rs id a d e n tre lo s a n im a le s m o d e r n o s re fle ja las
tas, e n to rn o s co n un pH m u y a lto o m u y b a jo , s a lin id a d
d iv e rs a s s o lu c io n e s a lo s p r o b le m a s q u e lo s a n im a le s
e x tre m a e in c lu s o p e rio d o s de d e s h id ra ta c ió n . P o r e je m
e n c o n tr a r o n al c o m e n z a r la e v o lu c ió n .
•
p lo , lo s c íc lid o s v iv e n en las a g u a s a lc a lin a s del Lag o M a g a d i (pH 10) y lo s ta m b a q u is se d e s a rro lla n a d e c u a d a m e n te en las a g u a s ácid a s d e l A m a z o n a s (pH 3,5). Los pece s se p u e d e n e n c o n tra r en a g u a s c o n d ife re n te s g ra d o s de s a lin id a d , d e s d e lo s h ip e rs a lin o s m a re s in te rio re s y cié n a g a s, a tra v é s de la s a lin id a d o s c ila n te de la zona in te rm a re a l hasta la g o s y ríos q u e carecen p rá c tic a m e n te de io n e s e sen ciales. A lg u n o s o s te íc tio s , c o m o el pez p u lm o n a d o de lo s tró p ic o s , e x p e rim e n ta n en o c a s io n e s una c o m p le ta d e s h id ra ta c ió n , e n c o n tra n d o re fu g io en lo s c a p u llo s m u c o s o s . U n a de las p r in c ip a les razones p o r las q u e lo s o s te íc tio s han o b te n id o ta n to é x ito es p o rq u e sus e s tra te g ia s o s m ó tic a s s u rg ie ro n en ag u a d u lc e , d o n d e e x is te una g ra n n e c e s id a d de un c o n tr o l o s m ó tic o e ió n ic o . C u a n d o a lg u n o s de e s to s peces
Cacerola de las M olucas.
473
474 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I P re s e n ta c ió n El funcionam iento norm al del anim al depende de la correcta regulación de las diferentes relaciones físicas y procesos bioquímicos que a su vez están influidos por el entorno químico. El térm ino entorno puede ser interpretado en el sentido m ás amplio. El entorno p ara todo el anim al es el m undo externo, p ara una célula es el líquido extracelular y p a ra las enzim as intracelulares, el citoplasma. Los anim ales m antienen u n perfil favorable de solutos y soluciones en sus líqui dos corporales intracelulares y extracelulares sobre todo por medio de los tejidos epiteliales que form an la b a rre ra contra el medio externo (Figura 11.1).
Cada grupo de anim ales utiliza diferentes com bi naciones de tejidos p a ra controlar el equilibrio iónico e hídrico. En la m ayoría de los anim ales, el equilibrio iónico e hídrico es regulado po r los tejidos renales (tejido del riñón o de tipo renal) al igual que po r los tejidos epiteliales extrarrenales, como las branquias, la piel y la m ucosa digestiva. Estos tejidos regulan tres procesos hom eostáticos p a ra asegurar u n a com posición quím ica apropiada. • La regulación osm ótica es el control de la p re sión osm ótica del tejido, que determ in a la fuerza im pulsora del m ovim iento del agua a tr a vés de las m em b ran as biológicas. Los anim ales y las células no p ueden b o m b ear agua de form a activa. La regulación osm ótica requiere el m ovi m iento de solutos a través de las m em b ran as p a ra alte ra r así los gradientes osm óticos. • La regulación iónica es el control de la com posi ción iónica de los líquidos corporales. Este capí tulo se centra en los iones que constituyen solutos im portantes y por consiguiente son relevantes en las estrategias osm orreguladoras. En el Capítu lo 12 se tratan a fondo algunos de los cam inos por los que los anim ales obtienen los iones nece sarios p a ra la biosíntesis: oligoelementos y m icronutrientes. • La eliminación de nitrógeno es el cam ino por el que los anim ales elim inan am oniaco1, el producto final tóxico nitrogenado del catabolismo de las proteínas. El proceso p a ra expulsar amoniaco, o las alternativas m etabólicas como la u rea y el acido úrico, está vinculado al control de la ho m eostasis iónica y osmótica. Los tejidos del sis tem a excretor son responsables de la recolección de los desechos de nitrógeno y de su expulsión en el entorno.
Célula interna (eritrocito) Fig u ra 11.1.
Líquido extracelular (plasma)
E q u ilib rio ió n ic o e h íd r ic o en d ife r e n te s
en to rn o s .
Se produce un intercam bio de agua y solutos entre los flu id o s internos y externos, com o se m uestra en un perro de agua. La últim a capa está com puesta por células epiteliales. La m em brana apical ¡nteractúa directam ente con el m edio externo y a m enudo la protege una capa de m ucosa. La m em brana basolateral de las células epiteliales se com unica con un c o m p a rti m ento interno de líquidos, típicam ente, el líquido intersticial u otras form as de líquido extracelular. Tanto las células in ter nas com o los vasculocitos y los glóbulos sanguíneos están rodeados com pletam ente por flu id o extracelular.
Diversos m ecanism os garantizan que las propie dades de los anim ales se m antengan dentro de unos lím ites aceptables. En los vertebrados sim ples, la responsabilidad de la regulación iónica y osm ótica recae principalm ente en las células individuales. En los anim ales m ás complejos, los tejidos especializa dos cargan con la ta re a de m an ten er la composición quím ica apropiada de los líquidos corporales.
1 Cuando se emplea el término amoniaco, no se hace una dis tinción entre el M l:i y el NH4+. Cuando una forma molecular se considera importante, se emplea una formula química.
C A P ÍTU LO 11
I E q u ilib rio ió n ic o e h íd ric o Cada tipo de entorno im pone u n a com binación de retos a nivel iónico e hídrico p a ra la hom eostasis. Los anim ales que h ab itan en entornos m arinos están expuestos a niveles iónicos altos. El agua dulce es pobre en iones y los anim ales deben obtener los iones esenciales del agua y alim entos, m ientras hacen frente a u n a en trad a constante de agua. Los anim ales terrestre s viven en condiciones de deshidratación donde la pérdida de agua es la m ayor am enaza. Muchos anim ales ab arcan múltiples entor nos y deben ten er m ecanism os hom eostáticos flexi bles p a ra h acer frente a diferentes niveles hídricos e iónicos. Las estrategias osm óticas ab arcan los num e rosos procesos de tran sp o rte a través de las m em b ran as y tejidos celulares, que perm iten a los anim ales su p erar los desafíos iónicos e hídricos p a ra m an ten er la hom eostasis.
Estrategias para la regulación iónica y osmótica Todos los anim ales ejercen un control sobre la n atu raleza de los solutos en sus tejidos, pero las estrate gias osm orreguladoras y ionorreguladoras se pueden distinguir p o r la relación entre las condiciones in ter n as y del entorno. Todos los anim ales regulan el perfil iónico de los líquidos intracelulares, pero los anim ales difieren en la natu raleza de los com partim entos de líquido extracelular. Un ion ocon form ad or ejerce poco control sobre el perfil del soluto en su espacio extracelular. Estos anim ales h ab itan p or lo general en aguas de mar. Sus líquidos extracelulares se asem ejan al agua m arin a en térm inos de las concentraciones de los principales aniones (Na2+, Ca2+ y Mg2+) y cationes (C1 y S042~). E ntre los ionoconform adores se incluye a los invertebrados m ás sim ples (como los cnidarios), a los deuteróstom os sim ples (como las ascídeas) y a los vertebrados m ás antiguos (mixinos). Los ionoconfom adores m ás avanzados, como los mixinos, son capaces de reducir las concentraciones de Mg2+ y Ca2+ a niveles inferiores a los del agua m arin a y les perm iten inco rp o rar estos m etales en las vías regula doras. A diferencia de los ionoconform adores, los io n o rreg u la d o res controlan los perfiles iónicos de los líquidos extracelulares, em pleando com binacio nes de estrategias de absorción y elim inación de iones. La regulación de los perfiles iónicos de los com partim entos de líquido extracelular dism inuye la carga depositada sobre cada u n a de las células.
E quilibrio ió nico e hídrico 475
La osm olaridad interna de un osm oconform ador se aproxim a a la del medio externo: si las condi ciones osm óticas externas varían, la osm olaridad difiere de m an era similar. Los invertebrados m arinos y los vertebrados primitivos (agnatos y condrictios) son osm oconform adores. Por tanto, un m olusco m arino en agua de m a r sin diluir p resen ta un a os m olaridad 2 de aproxim adam ente 1.200 mOsM, con centración unas tres veces m ayor que en la sangre hum ana. Un osm oconform ador es capaz de controlar el perfil de los solutos extracelulares, pero el entorno im pone la osm olaridad. Un osm orregulador m an tiene una osm olaridad interna dentro de un m argen estrecho, independientem ente del medio externo. Según las condiciones, el anim al podría tener una osm olaridad m ayor o m enor que la del agua circun dante. La m ayoría de los anim ales vertebrados son osm orreguladores y m antienen un a osm olaridad muy p o r debajo que la del agua m arin a circundante. Los vertebrados e invertebrados de agua dulce son osm o rreguladores y m antienen la presión osmótica interna m uy po r encim a de la del agua. Todas las nutrias, por ejemplo, tienen una osm olaridad interna similar, estén en agua dulce, como el caso de la nu tria de río, o en agua salada, como el caso de la nu tria de mar. Estos anim ales deben retener los iones esenciales y se deshacen de los iones sobrantes, m ientras controlan tam bién el m ovimiento del agua. La Tabla 11.1 resum e las estrategias iónicas y osmóticas de los an i m ales acuáticos. Los térm inos osmorregulador y osm oconforma dor son m ás aplicables a los anim ales acuáticos. Los anim ales terrestre s tam bién controlan la osm olari dad de los tejidos dentro de un m argen estrecho, tal y como lo h a ría un osm orregulador. Los anim ales terrestre s regulan la osm olaridad intracelular m ediante el control del equilibrio iónico e hídrico. La m ayoría de los anim ales encuentran la form a de reducir la p érdida de agua, pero pocos anim ales p re sentan adaptaciones fisiológicas que les perm itan sobrevivir a la deshidratación (véase la Caja 11.1). Los anim ales tam bién se clasifican según su habilidad p a ra tolerar los cam bios en la osm olaridad externa. Los anim ales estenohalinos son capaces de to lerar sólo un reducido m argen de concentraciones salinas, m ientras que los anim ales eurihalinos pue-
La osmolaridad es una medida del número de solutos osmóti camente activos por litro de solución, medida en miliosmoles (mOsM) por litro. Las unidades relativas de osmolaridad ex presan las concentraciones de soluto por kilogramo de solu ción antes que por litro de solución.
2
476 SEG UN DA PARTE
Tabla 1 1 .1 .
Integrando sistem as fisiológicos
E s tra te g ia s o s m o rre g u la d o ra s y io n o rre g u la d o ra s de los a n im a le s a c u á tic o s .
Osmolaridad del plasma
¿Ionorregulador?
Animales de agua marina (-1.200 mOsM) Mayoría de artrópodos
Isosmótico
Moluscos (calamar)
Ligeramente hiperosmótico
No Sí
Agnatos (mixino)
Ligeramente hiperosmótico
No
Agnatos (lamprea)
Hiposmótico (-250 mOsm)
Sí
Condrictios (tiburón)
Ligeramente hiperosmótico
Sí
Osteíctios (atún), anfibios (rana cancrívora), reptiles (galápago), mamíferos (orea), aves (gaviota)
Hiposmótico (-350 mOsM)
Sí
Mayoría de artrópodos (p. ej., cangrejo de río, larvas de insectos)
Hiperosmótico (250-400 mOsM)
Sí
Animales de agua dulce (<10 mOsM)
Moluscos (almeja de agua dulce)
Ligeramente hiperosmótico (~ 50 mOsM)
Sí
Agnatos (lamprea)
Hiperosmótico (-270 mOsM)
Sí
Condrictios (pastinaca)
Hiperosmótico (-350 mOsM)
Sí
Osteíctios (carpa dorada)
Hiperosmótico (-350 mOsM)
Sí
Anfibios (rana leopardo)
Hiperosmótico (-250 mOsM)
Sí
Reptiles (tortuga m ordedora), m amíferos (nutria fluvial), aves (pato de Laysan)
Hiperosmótico (-350 mOsM)
Sí
den to lerar osm olaridades que varían am pliam ente. No existe u n a relación predeterm inada entre la estrategia (osm oconform ador frente a osm orregulador) y el grado de tolerancia (eurihalino frente estenohalino) (Figura 11.2). Por ejemplo, los m oluscos interm areales son osm oconform adores eurihalinos, m ien tras que los peces in term areales son osm orreguladores eurihalinos. Los anim ales estrecham ente relacionados pueden diferenciarse en su tolerancia al estrés osmótico. Considerem os, po r ejemplo, los crustáceos decápodos. Las langostas habitan en agua salada, los cangrejos de río en agua dulce y hay espe cies de cam arones que hab itan en agua salada y agua dulce. A diferencia de estas especies estenohalinas, el cangrejo azul es excepcionalm ente eurihalino. El cangrejo azul es osm oconform ador en condiciones de elevada salinidad, pero es osm orregulador si el grado de salinidad se encuentra po r debajo del um bral. Las estrategias osm óticas se sum an a los diversos sistem as fisiológicos p a ra garan tizar que la com posición hídrica e iónica in tern a sea propicia p a ra la función de las m acrom oléculas, las células y los tejidos.
El entorno proporciona agua y solutos en diversas formas P ara m uchos anim ales acuáticos el agua circundante constituye im a carga constante. Los anim ales de agua dulce deben hacer frente a un a en trad a conti n u a de agua, m ientras que los anim ales m arinos se enfrentan a cargas iónicas. La dieta en sí es u n a com binación de agua y solu tos con diferentes estructuras quím icas. Los anim a les acuáticos ingieren un poco de agua líquida m ientras se alim entan y deben lidiar con las conse cuencias iónicas y osm óticas resultantes. Muchos anim ales acuáticos expulsan los líquidos antes de que penetren en el tracto gastrointestinal. Las balle nas que se alim entan po r filtración como el misticeto ingieren grandes cantidades de agua m arina llena de krills y, a continuación, utilizan la lengua p a ra com prim ir el alim ento contra las b arbas, expulsando el exceso de agua de mar. Varios anim ales m arinos poseen m ecanism os que les perm iten expulsar la sal sobrante, lo cual les otorga la posibilidad de ingerir agua de m ar p ara obtener agua. Por ejemplo, varias
C A P ÍTU LO 11
Rango eurihalino
_____I_____ Rango estenohalino
Muerte
O E
Muerte E
Cfí O ■Animal estenohalino -A nim al eurihalino
Osmolaridad externa (mOsM) (a) Osmoconformador
E quilibrio ió nico e hídrico 477
aves y reptiles m arinos pueden ingerir agua de m ar porque poseen glándulas secretoras de sal especiali zadas. Sin la capacidad p a ra desechar la sal cor poral, un anim al que ingiera agua salada se d esh id ratará poco a poco. Los tejidos de las plantas y anim ales son fuentes im portantes de agu a alim en ticia p a ra los anim ales (;véase la Tabla 11.2). E sta agua se preform a en los alim entos, atrap ad a dentro de los alim entos sólidos o como com ponente líquido de la comida. Un anim al no puede absorber toda el agua de la dieta, porque debe conservar un poco de agua con el fin de d a r a las heces la consistencia apropiada p a ra su tránsito a través del ap arato gastrointestinal. Una vez ingeri das, m uchas m acrom oléculas experim entan la hidró lisis como p arte del proceso digestivo En la hidrólisis, literalm ente “ru p tu ra de la m olé cula de agua”, se consum e u n a m olécula de agua p a ra rom p er un enlace químico. D espués de esta pequeña inversión de agua al comienzo de la diges tión, los siguientes procesos m etabólicos generan agua como resultado de la fosforilación oxidativa (;véase la Figura 3.4); esta agua se conoce como agu a m etab ólica. Cada u n a de las m acrom oléculas princi pales produce casi la m ism a cantidad de agua m e tabólica, expresada en unidades de energía m etabólica. A p artir de u n a m ism a cantidad de en er gía m etabolizable de 100 Kcal, los carbohidratos pro ducen 15 m i de agua; las proteínas, 10,5 m i de agua; y la grasa, 11,1 mi. P ara un ser hum ano medio, ap ro xim adam ente el 10% de agua diaria necesaria pro cede de la producción m etabólica de agua, el 60% de
Tabla 1 1 .2 .
C o n te n id o de agua y s o lu to s en los a lim e n to s .
Nutriente
Contenido de agua (% de peso húmedo)
Líquidos de animales y plantas (b) Osmorregulador
Fig u ra 11.2.
E s tra te g ia s o s m o r r e g u la d o r a s y to le r a n c ia
a la s a lin id a d .
(a) En los osm oconform adores, la osm olaridad interna refleja la osm olaridad externa, (b) Los osm orreguladores m antienen su osm olaridad interna casi constante fren te a los cam bios en la osm olaridad externa. Los anim ales eurih alinos toleran cam bios considerables en la osm olaridad externa y pueden ser osm oconform adores u osm orreguladores. Los anim ales que no toleran los cam bios en la salinidad externa son estenohalinos.
Savia y néctar
90-100%
Sangre
95%
Leche (mayoría de mamíferos)
87%
Leche (mamíferos marinos) Frutas y plantas
40% 80-95%
Tejidos de plantas y animales Músculo y tejidos animales Semillas y granos
50-70% <1 0 %
478 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 11.1 Evolución y diversidad Vida sin agua El agua es esencial para la vida pero algu nas especies sobreviven con muy poca. Muchos animales terrestres mantienen el conte nido en agua de sus tejidos dentro de un estrecho margen, aproximadamente el 70% de la masa corporal. Muchos verte brados que prosperaron en los desiertos sobreviven en condi ciones extremas de sequía, mediante el empleo de mecanismos fisiológicos para retener y recuperar agua, y, durante todo el tiempo, mantienen el nivel de agua corporal dentro del margen típico de un vertebrado. Sobreviven porque tienen una capacidad superior para mantenerse hidratados. Por el contrario, existen varios vertebrados, al igual que muchos invertebrados, que sobreviven al estrés por déficit hídrico tolerando la deshidratación. Pocas especies sobreviven si no hay agua disponible, fenómeno conocido como anhidrobiosis. Estos animales viven en zonas normalmente conside radas como secas, como el árido desierto del Valle de la Muerte y las frías zonas desérticas como la Antártica. Aunque vemos estos lugares como algo muy lejano, existen muchos ejemplos de tolerancia a la desecación. Muchos invertebrados, como los rotíferos y los tardígrados, que viven y se reproducen en musgo húmedo, entran en un estado de letargo cuando el pantano se seca. Los mecanismos para sobrevivir a la deshi dratación y a la anhidrobiosis incluyen estrategias tanto osmó ticas como metabólicas. A diferencia de sus primos los bivalvos y los cefalópodos, los caracoles pulmonados son terrestres y usan un solo pul món para respirar, lo que los expone a un alto riesgo de deshi dratación. Por su vulnerabilidad, la mayoría de los caracoles pulmonados están limitados a vivir en ambientes húmedos y tropicales donde el riesgo de desecación es muy bajo. Sin embargo, algunos caracoles pulmonados tienen una buena tolerancia a la desecación, como el caracol Helix que soporta condiciones secas entrando en un periodo de letargo (estivación), en el que disminuye la tasa metabólica precipitada mente, sella su concha y retarda la pérdida de agua. En algunos casos, el caracol puede perder hasta casi el 50% del agua corporal mediante una exposición prolongada, pero como la masa seca también disminuye proporcionalmente, la propor ción del agua de los tejidos se mantiene constante. Todavía más tolerantes a la desecación son los nematodos que viven en la Antártica. Estos gusanos deben sobrevivir al estrés por frío y al estrés osmótico. El aire seco y frío puede des hidratar a un animal, pero estos nematodos también experimen tan estrés hiperosmótico cuando el agua que se descongela disuelve las sales, incrementando la osmolaridad hasta cinco veces más. Durante la deshidratación, el contenido en agua de los tejidos del nematodo puede disminuir entre el 2 y el 10% de la masa corporal. Al igual que los caracoles, los nematodos sobreviven a la deshidratación extrema entrando en un periodo de letargo e hipometabolismo que puede durar décadas. El campeón de la tolerancia a la desecación es la artemia. Los embriones enquistados, a menudo llamados huevos, se venden como "m onos de m ar", con la promesa de que los ani males desecados se reanimarán mediante al añadirles agua. Si se protegen de los efectos dañinos del oxígeno, los huevos deshidratados de la artemia pueden sobrevivir cientos de años
en este estado de deshidratación. Una vez que los huevos se abren, la larva pierde su tolerancia a la desecación. La artemia habita en aguas que experimentan deshidratación periódica. Cuando hay agua, los huevos de la artemia se abren y la larva madura rápidamente para iniciar un rápido ciclo reproductivo. La artemia mantiene una tasa metabólica normal hasta que el contenido de agua corporal alcanza el 50%; entonces la tasa metabólica disminuye a medida que pierde más agua corporal. En las etapas finales, cuando los niveles de agua corporal están por debajo del 1 % , no se detecta ninguna muestra de vida. El metabolismo en esencia se detiene, como lo demues tran los niveles de energía metabólica, el intercambio gaseoso y la producción de calor. Lo esencial para la mayoría de las especies que toleran la anhidrobiosis es la acumulación de agentes protectores, sobre todo carbohidratos y proteínas. Por ejemplo, cuando el nematodo experimenta algo de desecación, produce grandes canti dades del disacárido trehalosa, que se acumula y llega a alcanzar niveles tan altos que equivalen al 15% de su masa seca. La trehalosa reemplaza las moléculas de agua en la cás cara hidroiónica de proteínas y otras macromoléculas, y forma un revestim iento alrededor de las proteínas, los lípidos y otras macromoléculas que estabiliza la estructura macromolecular. En muchas especies la capacidad para sobrevivir a la deshidra tación está relacionada con los niveles de trehalosa, lo que sugiere que es necesaria para la supervivencia. Estudios recientes han ido más allá, para demostrar si la trehalosa por sí sola es suficiente para dotar a la célula de una tolerancia a la desecación. Un grupo de investigadores sumergieron plaque tas de mamífero en trehalosa y permitieron que éstas absor bieran el azúcar. Las células a continuación fueron congeladas lentamente y deshidratadas en este estado de congelamiento y se produjo una reducción del contenido de agua en un 5% de la masa. Cuando las plaquetas fueron descongeladas éstas seguían siendo funcionales. También se habían creado unas células transgénicas de mamífero para demostrar la hipótesis de que la trehalosa por sí sola podía producir tolerancia a la desecación. Cuando se realizó la transfección de las células de ratón con dos genes bacterianos que codificaban la enzima tre halosa sintetasa, éstas produjeron niveles muy altos de la enzima (cerca de 100 nM). Por desgracia, las células no pudie ron sobrevivir al proceso de desecación, de lo que se deduce que tal vez sean necesarios otros factores para dotar al animal de una tolerancia a la desecación. Referencias • Crowe, L. M. 2002. Lessons from nature: The role of sugars in anhydrobiosis Comparative Biochem istry and Physiology—Part A : M olecular & Integrative Physiology 131: 505-513. • Tunnacliffe, A., A. Garcia de Castro, and M. Manzanera. 2001. Anhydrobiotic engineering o f bacterial and mammalian cells: Is intracellular tre halose sufficient? Cryobiology43:124-132. • Wharton, D. A. 2003. The environmental physiology of Antarctic terrestrial nematodes. Journal o f Comparative Physiology "\73B: 621-628. • Wolkers, W . F., F. Tablin, and J. H. Crowe. 2002. From anhydrobiosis to freeze-drying o f eukaryotic cells. Comparative Biochemistry and Physiol ogy—Part A : Molecular & Integrative Physiology IS -]: 535-543.
C A P ÍTU LO 11
la ingesta de líquido y el 30% del agua contenida en alim entos sólidos. Muchos anim ales del desierto no ingieren ningún líquido, sino que po r el contrario obtienen el agua en su totalidad de los alim entos sóli dos y del agua m etabólica. La dieta es tam bién im a fuente im portante de solutos. La m ayoría de los com ponentes de n u estra dieta se derivan de tejidos vegetales o anim ales, y la natu raleza de los solutos es un reflejo del perfil de soluto generado por el organism o p ara sus propios fines. La m ayoría de los tejidos anim ales son com bi naciones de los líquidos intracelulares (ricos en K+) y de los líquidos extracelulares (ricos en N a+). De esta form a, los anim ales hem atófagos obtienen ab u n dante Na+ en la dieta.
E quilibrio ió nico e hídrico 479
(a) Solutos desestabilizadores y compatibles
Los solutos se pueden clasificar en desestabilizadores, compatibles o contrarrestantes En el Capítulo 2 se expuso la quím ica de los solutos y solventes en los sistem as biológicos. La concentra ción total de solutos fija u n a osm olaridad y d eter m ina el gradiente osmótico a través de las m em b ran as biológicas, y, po r tanto, la dirección y la m agnitud del desplazam iento de agua. Adem ás de estos efectos osm óticos generales de los solutos, exis ten efectos específicos. Es posible distinguir tres cla ses de solutos p o r sus efectos en la estructura y la función de las m acrom oléculas, como las enzim as (Figura 11.3). Los solutos desestabilizadores deses tabilizan la fimción m acrom olecular en concentra ciones norm ales p resen tes en el interior del anim al. E ntre éstos se incluyen los iones inorgánicos que se en cu en tran en los líquidos corporales, principal m ente Na+, K+, Cl~ y S04+, al igual que algunos solu tos orgánicos, como los am inoácidos cargados (por ejemplo, arginina). Los solutos compatibles ap e nas influyen en la función m acrom olecular y pueden acum ularse en altas concentraciones sin efectos deletéreos en los procesos celulares. Los solutos com patibles m ás com unes en los líquidos corporales son los poliolos (trehalosa, glicerol y glucosa) y am i noácidos no cargados, incluidos varios de los a-am i noácidos (alanina, glicina, serina y prolina), así como otros am inoácidos (p-alanina y taurina). Los con trarresta n tes son deletéreos cuando se em plean por sí solos, pero pueden utilizarse en com binaciones donde los efectos deletéreos de un soluto co n trarres ten los efectos deletéreos del otro. Por ejemplo, la u rea desestabiliza las interacciones hidrofóbicas y las m etilam inas las intensifican. Una com binación de
(b) Solutos contrarrestantes F ig u ra 11.3.
S o lu to s d e s e s ta b iliz a d o r e s , c o m p a tib le s ,
c o n tra rre s ta n te s .
Cada tip o de soluto ejerce unos efectos característicos sobre la estructura y funció n m acrom olecular, com o la cinética enzi m ática (Vmaxo Km). (a) Se ha dem ostrado que un soluto desestabillzad or Incrementa el va lo r Km de una enzima hipotética, m ientras que un soluto com patible a la m ism a concentración no tiene efecto sobre la Km.
u rea y m etilam inas perm ite que los efectos de un soluto anulen los efectos del otro. Los m etilam inas m ás com únm ente em pleadas por los anim ales son el óxido de trim etilam ina (OTMA), la betaína y la sarcosina. La Figura 11.4 resum e la composición de los solu tos de una selección de anim ales p a ra ilustrar la im portancia relativa de los diferentes solutos en dis tintas especies y com partim entos celulares. El espa cio extracelular de la m ayoría de los anim ales está dom inado por el Na+ y el Cl~. Los ionoconform adores m arinos poseen concentraciones extracelulares de estos iones, así como tam bién de Mg2+ y de Ca2+, cer canas a las de los niveles del agua salada. En los iono-
480 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Osmoconformador
Osmorregulador
-------- 1--------- 1 Hn
lonoconformador
Fig u ra 11.4.
lonorregulador
S o lu to s o rg á n ic o s e in o rg á n ic o s en los
flu id o s e x t r a c e lu la r e s de los a n im a le s .
El agua de m ar presenta principalm ente unos niveles altos de Na+ y Cl , y unos niveles más bajos de otro s iones com o K+, M g2+ y Ca2+. Los io noconform ad ore s tienen niveles altos de Na+ y Cl- , m ientras que los niveles de estos iones son in fe rio res en los ionorreguladores. Los osm oconform adores tienen la m ism a osm olaridad que el agua de m ar pero m antienen un perfil de iones inorgánicos m uy sim ila r al de un osm orreg ula dor. La osm olaridad restante depende de los solutos orgáni cos, com o la urea, los am inoácidos y las m etilam inas.
reguladores osm oconform adores (moluscos, tiburo nes), el aum ento en el nivel de solutos orgánicos com patibles y co ntrarrestantes perm ite que los niveles iónicos desciendan. Los iones inorgánicos m ás abun dantes en el líquido extracelular de los osm orreguladores son tam bién el Na+ y el Cl~, aunque los niveles constituyen por lo general aproxim adam ente u n a te r cera parte de la fuerza del agua m arina. El citoplasma de la m ayoría de los anim ales está bajo el control de los m ism os iones; el catión principal es el K+ y los aniones principales son el SOf~, el acetato y el Cl~. Los solutos orgánicos están presentes en todos los anim a les pero son m ás abundantes en osm oconform adores m arinos. Los peces cartilaginosos dependen de los solutos contrarrestantes: la u rea y las diferentes m eti lam inas como el OTMA, la sarcosina y la betaína. Los invertebrados poseen concentraciones elevadas de solutos com patibles, principalm ente am inoácidos como la p-alanina, la tau rin a y la prolina. Estos solu tos orgánicos confieren m ás de la m itad de la osm ola ridad en los osm oconform adores m arinos. Cuando la osm olaridad cam bia, las concentraciones de solutos orgánicos varían a m enudo de form a desproporcio nada, lo que perm ite que el nivel de solutos iónicos perm anezca constante.
Las células transportan los solutos al interior y al exterior del líquido extracelular para controlar el volumen celular Las células controlan su volum en m ediante el tra n s porte de solutos a través de la m em brana plasm ática, lo que produce variaciones en la presión osm ótica que suscitan el desplazam iento del agua. Aunque algunas células interactúan directam ente con el m edio externo, la m ayoría de las células del cuerpo hum ano están rod ead as por líquido extracelular. Dependiendo de la célula, el líquido extracelular puede ser el plasm a o la linfa. El líquido intersticial (el líquido extracelular presente en las zonas estre chas las células) posee un a com posición química m uy diferente a la del plasm a o la linfa porque se trata de u n a pequeña cantidad que está bajo el efecto directo de los procesos de tran sp o rte celular. Los anim ales regulan la com posición del líquido extracelular p a ra p roporcionar a las células u n a solución externa que les p erm ita m an ten er un volu m en celular apropiado. Las células anim ales se com p o rtan como osm óm etros, variando el volum en celular en resp u esta a los gradientes osm óticos a través de la m em b ran a plasm ática. Las variaciones en el volum en celular son problem áticas por di v ersas razones. Las condiciones gravem ente hipotónicas p ueden h acer que u n a célula estalle, provocando u n a resp u esta inm unológica local que puede desestabilizar las células contiguas. Las célu las hinchadas pueden desestabilizar la estructura del tejido o pueden ocluir los vasos sanguíneos. Cuando el m ovim iento de agua m odifica el volum en celular, tam bién influye en la concentración in trace lular de m etabolitos y enzim as del interior de las células, con efectos desestabilizadores sobre la regu lación m etabólica. Las variaciones en el volum en celular tam bién pueden deform ar el citoesqueleto y la m em brana plasm ática y, po r consiguiente, alterar la función de los receptores y portadores. Una variación en el volu m en celular puede surgir como respuesta al estrés osmótico del entorno, pero tam bién como p arte de las vías de señalización. Por ejemplo, algunas h o r m onas inducen un cambio en el volum en celular que constituye un com ponente crítico de las vías de seña lización. Así, un cam bio de volum en puede provo carse en u n a célula p a ra com pensar el desequilibrio osmótico o en u n a célula no estresad a como p arte de un a vía de señalización. Las células producen un aum ento del volum en regulador (RVI) m ediante la penetración de iones, lo que provoca u n a en trad a de
C A P ÍTU LO 11
agua. Un descenso del volum en regulador (RVD) tiene lugar cuando las células expulsan iones y pro vocan así u n a en trad a de agua. El RVD se com prende m ejor en el contexto de u n a recuperación de u n a hinchazón, pero se cree que los m ism os principios tienen aplicación cuando se induce a las células norm ales a contraerse como p arte de u n a vía de señalización. Se pueden utilizar varias com binaciones de portadores p a ra experi m en tar un RVD. El m ecanism o m ás com ún consiste en la activación de los canales de K+. Con un gra diente externo de K+, el K+ desaloja la célula, lo que provoca que la m em b ran a polarizada se hiperpolarice h asta alcanzar el potencial de equilibrio p a ra el potasio (¿y . Al m ism o tiempo, los canales de CU se ab ren p a ra perm itir que el CU desaloje la célula como resp u esta a los efectos hiperpolarizadores de los m ovim ientos del K+. La com binación de movi m ientos de K+ y CU reduce el contenido total del soluto de la célula, p ara crear un gradiente osmótico que provoca la salida de agua de la célula. Otra vía de RVD incluye u n cotran sp ortador electroneutral de K+-CU, que bom bea el K+ y el CU fuera de la célula. Este p o rtad o r produce en gran m edida el mismo efecto que la com binación de la activación de los canales de K+ y CU .Una tercera vía utiliza el in ter cam biador N a+/C a2+ , que actúa de tal m an era que expulsa N a+ e introduce Ca2+ . El Ca2+ es a continua ción conducido al exterior de la célula m ediante la Ca2+ ATPasa. Finalm ente, algunas células utilizan su N a+/K +ATPasa p a ra reg u lar el volum en celular. Este p o rtad o r activo conduce al exterior tres N a+ a cam bio de dos K+ y reduce por consiguiente la osm olari dad intracelular. Las células producen un RVI p a ra recuperarse del encogim iento celular o causar hinchazón m e diante el tran sp o rte de solutos a la célula. Por lo general, las células activan a su cotransportador de N a+-K+-2CU (NKCC) e introducen estos solutos en la célula p ara producir hinchazón osmótica. La célula tam bién puede producir hinchazón m ediante la ap ertu ra de los canales de N a+. El N a+ en tra precipi tad am en te en la célula en respuesta a su gradiente electroquím ico, despolariza la m em brana y da lugar a un gradiente osmótico que reduce la en trada de agua. La m ayoría de las células com plem entan los efectos de los canales de N a+ con otros portadores, como el intercam biador N a+/H+. Puesto que la canti dad de hidrógeno está en gran p arte asociada a los am ortiguadores, este intercam bio conduce a un increm ento neto en los solutos celulares, con una tendencia a au m en tar el volum en celular.
E quilibrio ió nico e hídrico 481
En el caso de la m ayoría de las células existe una gran cantidad de portadores que perm iten alterar las distribuciones de los solutos y el volum en celular. La Figura 11.5 resum e la m an era en que los diversos portadores pueden utilizarse en conjunto p a ra pro ducir m ovim ientos iónicos netos que ocasionen
Canal de Cl v
\
Canal de Na+ \ c 3 Cotransportador Na+-K+-2CI_ Intercambiador Na+/H+
X J
É h \ln te rc a m b ia d o r Na*/Ca2*
l V
y Para la hinchazón de las células
Canal de K+ y ^ C a n a l de ClCotransportador
__^
ATPasa Ca2+ VyN aVK W Pasa Para la contracción de las células
ca Na+
F ig u ra 11.5.
In c re m e n to y d is m in u c ió n d e l v o lu m e n
re g u la d o r.
Las células cam bian de m anera activa ei volum e n celular des plazando iones hacia el in te rio r y el exterior de la célula. Cada una de las células presenta una com binación de tran sporta dores utilizados com únm ente para tra n s fe rir Iones hacia el In te rio r la célula (dando lugar a u n Increm ento en el volum en) o el exterior de la célula (haciendo que la célula se encoja).
482 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
variaciones de volumen. Aunque se conocen bien los m ecanism os involucrados en las variaciones com pensatorias, el desencadenante exacto de la activa ción aún no está claro. Es probable que diversos p o rtad o res estén estim ulados en p arte po r vías m ecanosensibles, p o r lo que los cam bios de volum en alteran la form a del citoesqueleto y la m em brana plasm ática con el consiguiente cambio en la activi dad de los po rtad o res de m em brana. De m an era alterna, las enzim as m odificadoras de las proteínas, como las proteincinasas, pueden m odificar la estruc tu ra de los m ecanism os de tran sp o rte p a ra aum entar su perm eabilidad (canales) o p a ra bom bear (porta dores).
El papel de los tejidos epiteliales Los anim ales cam bian el perfil del líquido extracelu lar (líquido extracelular) m ediante la entrada o la salida de agua y iones a través de aquellos tejidos epi teliales que interactúan con el medio externo. Entre éstos se incluyen las superficies externas, como la piel y branquias, al igual que las superficies “externas” internalizadas, como las luces del sistem a excretor y el sistem a digestivo. Estos tejidos epiteliales constitu yen el límite entre el anim al y el entorno y po r lo gene ra l tienen otras responsabilidades fisiológicas, como la respiración y la digestión. Sin em bargo, las caracte rísticas que convierten u n tejido en adecuado p ara el intercam bio gaseoso o la absorción de nutrientes (una g ran superficie y u n a alta perm eabilidad) lo h acen m ás sensible a los desplazam ientos hídricos e iónicos. Un tejido epitelial presenta unas propiedades que reflejan un equilibrio entre sus diversos papeles fisiológicos. Cada anim al confía en su conjimto de teji dos p ara controlar el equilibrio iónico y osmótico (Figura 11.6). En los apartados siguientes se tra ta rá la función de varios de estos tejidos epiteliales, pero sobre u n órgano im portante, el riñón, se discutirá m ás adelante en este capítulo.
El integumento es una barrera osmótica Los anim ales reducen el flujo de agua a través de la superficie corporal m ediante la perm eabilidad al agua de los tejidos epiteliales. Algunos anim ales reducen esta perm eabilidad m ediante el control del n úm ero de proteínas acuaporinas en la m em brana plasm ática. Como se vio en el Capítulo 3, cada acuap orina perm ite que pasen m ás de m il millones de m oléculas de agua por segundo. Una célula epitelial
con acuaporinas puede ser 100 veces m ás perm eable al agua que u n a célula sin acuaporinas. Los niveles de acuaporinas en la m em brana plasm ática depen den de la expresión de los genes de acuaporinas y de las vías de circulación intracelular que controlan el intercam bio de acuaporinas entre las vesículas de alm acenam iento y la m em brana plasm ática Algunos anim ales reducen la pérdida de agua m ediante el recubrim iento de las superficies externas con una densa capa de moléculas hidrófobas. El moco, una secreción extracelular de mucopolisacáridos, lípidos y proteínas, constituye un ejemplo de dicha b arre ra hidrofóbica. Las capas de mucosidad, en la superficie del pulm ón y el tracto gastrointestinal reducen la pérdida de agua a través de estos epitelios. Muchos anim ales sem iacuáticos, como las ranas, em plean el moco p ara evitar la pérdida de agua y m antener la piel hidratada. El estrato grueso de moco de un pez pulm onado hibernante se seca p a ra form ar un capullo im perm eable al agua que impide que el anim al se deshidrate durante los varios m eses del periodo de estivación. El moco de la superficie tam bién reduce los costes osm orreguladores m ediante la retención de u n a capa de agua entre el anim al y el entorno. Este estrato de agua es un m icrocom partim ento que actúa como un a zona de am ortiguación osmótica e iónica. Los anim ales terrestres em plean adaptaciones m ás elaboradas en la estructura epite lial p ara evitar la pérdida de agua a través de la piel Los q u eratinocitos de la piel de los anfibios te rre s tres y am niotas3 secretan proteínas y lípidos modifica dos p a ra form ar u n a densa m atriz extracelular hidrofóbica. Los am niotas, pero no los anfibios, poseen un a capa adicional sobre los queratinocitos. Esta capa, llam ada estrato córneo, está com puesta por queratinocitos que se h an diferenciado p ara form a form ar otro tipo de célula llam ada corneoc.ito. Durante el proceso de diferenciación, las células pro ducen gruesos haces de la proteína queratina, un fila mento interm edio del citoesqueleto. Estos haces están, a su vez, interconectados po r otras proteínas, como la queratohialina. La célula produce a continua ción u n a capa compleja de proteínas, llam ada envol tura corniflcada que acaba por sustituir a la m em brana plasm ática del corneocito. Durante la cornificación, el corneocito experim enta u n a m uerte celular program ada, y lo que se m antiene es la red de queratina rodeada por la envoltura corniflcada. Las
3Los amniotas son vertebrados que experimentan un desarro llo embriónico en amnios como los reptiles, aves y mamíferos.
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 483
Agua dulce + Sales (branquias) + Agua (branquias)
+ Sales (branquias)
Agua (orina) Sales (orina)
Elasmobranquio + Agua \ (alimento) + Sales (alimento) (glándula rectal) Pastinaca
+ Sales (alimento) -A g u a (heces) -A g u a (orina) + Agua (alimento) - Sales (heces) - Sales (orina)
+ Sales (branquias) + Agua (branquias)
Sales (branquias)
Osteíctio
Agua (heces) Sales (heces)
+ Agua (alimento) + Sales (alimento)
+ Sales (alimento) (alimento) Agua (heces) Sales (heces)
Agua (orina) Sales (orina)
Agua (heces) Sales (heces)
Agua (orina) Sales (orina)
Carpa dorada Sales (glándula de sal)
Reptiles y aves
+ Sales (alimento) + Agua ^ (alimento)
+ Agua ^ (alimento) Agua (heces)Sales (heces)
Iguana marina Fig u ra 11.6.
Agua (heces) (alimento) Agua (orina) Sales (orina)
Tortuga mordedora
T e jid o s in v o lu c ra d o s en e l c a m b io o s m ó tic o y ió n ic o en a n im a le s a c u á tic o s .
proteínas de la m atriz extraceluiar conectan estos ves tigios celulares con u n cúmulo de m oléculas lipídicas llam adas m em b ran a laminar. Una vez form ada, esta mezcla de proteínas y lípidos experim enta un a serie de procesos químicos y enzimáticos que la modifican en el estrato córneo (Figura 11.7). Aunque el tejido esta m uerto, éste perm anece sensible a los cambios físicos e incentiva a los eritrocitos subyacentes a secretar proteínas, lípidos y agentes señalizadores. La variabilidad en las propiedades de la piel de los vertebrados se debe principalm ente a la form a en que se estru ctu ra el estrato córneo. Las escam as de reptiles y aves están com puestas po r parches de
estrato córneo interconectados (queratina en su m ayor parte). La piel de los m am íferos esta tam bién queratinizada, aunque sólo algunos m am íferos con servan las “escam as” ancestrales como el revesti m iento de la cola de un roedor o la concha de un arm adillo. Las m odificaciones del estrato córneo queratinizado proveen a los vertebrados terrestres de otras estructuras, como las escam as grandes en el vientre de las serpientes, que son em pleadas en la locomoción, y las espinas protectoras de los lagartos del desierto. Sin em bargo, todos los tetrápodos dependen de su estrato córneo queratinizado p ara reducir al m ínim o la desecación (Figura 11.8).
484 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Estrato córneo
Corneocito
Queratinocito
-Epiderm is
5----- Membrana basal
delgada de glucolípidos que cubre el estrato córneo y llena los espacios entre las células. El exosqueleto de los insectos está recubierto en su superficie por una larga cadena de ácidos grasos y ásteres de cera. De hecho, esta delgada capa de lípidos proporciona al exosqueleto de los insectos una resistencia a la per m eabilidad al agua. La capacidad de las capas de lípi dos p a ra lim itar los movimientos del agua depende de la interacción entre las moléculas de lípidos, creando una b arre ra hidrofóbica que m antiene aparte el agua. La capa de lípidos se m antiene unida m ediante enla ces de hidrógeno, y, según se estudió en el Capítulo 2, un increm ento en la tem peratura debilita tales enla ces. Por tanto, la capa de lípidos pierde su integridad a tem peraturas m ás altas, increm entando en gran m edida la pérdida de agua por evaporación. De
& ^ F ig u ra 11.7.
•
sanguíneo
E s tru c tu ra d e l e s tra to c ó rn e o .
El estrato córneo es la gruesa capa externa del e pite lio m o d i ficado que se encuentra en los m am íferos. Los que ratin oci tos se diferencian en la form a ció n de los corneocltos y producen una capa Im perm eable, com puesta por una red de proteínas Intracelulares y extracelulares, y ésta es am pliada por los lípidos.
El otro grupo im portante de anim ales terrestres, los artrópodos, poseen u n tipo diferente de integu m ento im perm eable. La cu tícu la del insecto es una red compleja de m oléculas hidrofóbicas que cubre todas las superficies externas de los insectos, inclui das las superficies de la tráq u ea y el intestino. El com ponente estru ctu ral principal de la cutícula es el polisacárido quitina. Ésta se sintetiza dentro de las células de la epiderm is y luego es tran sp o rtad a al espacio extracelular, donde se modifica quím ica m ente, se cristaliza y se com bina con otras proteínas y otros polisacáridos p ara obtener las propiedades físicas apropiadas. La cutícula m ad u ra tiene una m uy baja perm eabilidad al agua y es lo suficiente m ente rígida p a ra servir de esqueleto externo del anim al. Se ex am inará la natu raleza de la cutícula del insecto con m ayor detalle en el Capítulo 13, cuando se evalué su papel como exoesqueleto en los sistem as locomotores. Los integum entos de los tetrápodos e insectos terrestres poseen una capa de lípidos adicional que reduce la pérdida de agua por evaporación. Las célu las de la epiderm is secretan estos lípidos, que luego form an u n a capa continua que actúa como impermeabilizador. Las aves y los m am íferos poseen una capa
(a) A rm a d illo
(b) Iguana F ig u ra 11.8.
D iv e rs id a d en e l e s tra to c ó rn e o de
v e rte b ra d o s te trá p o d o s .
C A P ÍTU LO 11
m an era conjunta, las propiedades del integumento, establecidas por las células de la epiderm is, controlan la magnitud de la pérdida de agua. Aunque nos hem os centrado en el recubrim iento del cuerpo externo, los m ism os procesos ocurren a lo largo de otro tejido epi telial: la superficie respiratoria. La magnitud de la pé r dida de agua por vía respiratoria depende de las características estructurales descritas p ara el integu m ento externo, así como tam bién de otros factores. Por ejemplo, im anim al de respiración aérea con u n a tasa m etabólica b asal elevada presen tará unas tasas de ventilación m ás altas y por consiguiente una m ayor p érdida de agua por vía respiratoria. Muchos anim ales, sobre todo los anim ales del desierto, a los que se h a rá referencia m ás adelante, poseen a d a p ta ciones anatóm icas que reducen la p érdida de agua p o r vía respiratoria.
Los te jid o s ep ite lia le s co m p arten cua tro p ro pieda de s especializadas que in flu ye n en el m o v im ie n to ió nico Las propiedades de los tejidos epiteliales dependen de las propiedades de tran sp o rte de cada u n a de las
E quilibrio ió nico e hídrico 485
células epiteliales y de la form a en que dichas células están interconectadas p ara form ar el tejido. Los dife rentes tejidos epiteliales, desde la piel de la ran a hasta el tubo de Malpigio, com parten cuatro caracte rísticas generales (Figura 11.9). En prim er lugar, la fimción de las células epitelia les depende de la distribución asim étrica de los p o r tadores del interior de la célula. La m em brana celular apical, expuesta al m undo exterior, tiene un perfil de proteínas diferente al de la m em b ran a celu la r basolateral, que da hacia dentro. Esta topografía celular se origina porque las células in se rtan proteí n as en la posición correcta y restringen su m ovi m iento en la capa doble de lípidos. En parte, las p roteínas se acum ulan en regiones de la m em brana bien definidas quím icam ente, como en las balsas lipídicas. Una vez situadas en las m em branas, se fijan en u n a posición correcta al adherirse al citoesque leto. En segundo lugar, las células epiteliales están interconectadas por enlaces de proteínas que con vierten el conjunto de células en u n a lám ina im per m eable de tejido. Como se expuso al inicio del Capítulo 3, las uniones herm éticas se form an cuando las proteínas de la m em b ran a de u n a célula se enla-
Membrana apical Mitocondria Unión (unión
Vista desde arriba, corte transversal
Membrana basolateral Membrana basal
Vista lateral, corte transversal F ig u ra 11.9.
C a r a c te r ís tic a s g e n e r a le s de los e p ite lio s .
El tejido epitelial típico presenta cuatro características principales: (1) una d istribu ción asim étrica de las proteínas de la m em bra na; (2) unas conexiones intercelulares herm éticas que controlan el m o v im ie n to paracelular; (3) una m ultip licid a d de células; y (4) una alta concentración de m itocondrias.
486 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
zan con una proteína específica de una célula adya cente. La interacción entre células adyacentes limita el m ovim iento del agua y los solutos alrededor de las células. E stas conexiones intercelulares tam bién crean una b an d a proteica que rodea la periferia de la célula epitelial y restringen el movim iento libre de p roteínas entre las regiones de las m em branas apical y basolateral p a ra conservar la topografía celular. En tercer lugar, los tejidos epiteliales están com puestos por m uchos tipos de células. Esta diversidad es m ucho m ayor en el sistem a digestivo, que se tr a ta rá en el capítulo siguiente. Sin em bargo, incluso los tejidos relativam ente simples, como las branquias de los peces, están com puestos p o r varios tipos de célu las y cada u n a desem peña un papel im portante, como proporcionar un tipo de tran sp o rte específico o u n soporte estructural. En cuarto lugar, el tran sp o rte iónico requiere una gran cantidad de energía. La m ayoría de las células epiteliales que desem peñan u n papel im portante en el tran sp o rte poseen ab u n d antes m itocondrias p ara producir ATP. En algunos casos, las m itocondrias se en cu en tran a corta distancia de las regiones de la m em b ran a plasm ática que se ocupan de los procesos de tran sp o rte. En otros casos, las proteínas m otoras y el citoesqueleto tran sp o rtan activam ente m itocon drias a estas regiones cuando la dem anda m etabólica aum enta. Los gastos a nivel energético del transporte iónico corresponden a casi la m itad de la tasa m eta bólica del tejido.
Los so lu to s se desplazan a través de los te jid o s ep ite lia le s por m e d io del tra n sp o rte parace lular y tra n sce lu la r Aunque los tejidos epiteliales tran sp o rtan algunos solutos p ara sus propios fines, la m ayoría de los pro cesos de tran sp o rte sirven p ara transferir los solutos de u n lado del tejido al otro. Los tejidos epiteliales em plean dos ru tas principales de transporte a través de la célula (Figura 11.10). El tran sp orte tr a n sc e lu lar es el m ovim iento de solutos (o agua) a través de las células epiteliales. Por ejemplo, los solutos pue den dispersarse a p artir del líquido extraceluiar que b añ a las células y desplazarse por la m em brana basolateral, a través del citoplasm a y la m em brana apical hacia el m edio externo (ya sea el agua exterior o la luz de u n órgano que com unique con el medio externo). A la inversa, el movim iento de los solutos (o el agua) entre las células adyacentes es e l tr a n s porte p aracelu lar. Por ejemplo, las m oléculas se
F ig u ra 11.10.
T ra n s p o rte tr a n s c e lu la r y p a r a c e lu la r .
(a) Los epite lio s im perm eables pueden tra n s p o rta r los solu tos a través de la célula em pleando portadores en la m em brana plasm ática apical y basolateral. (b) Los solutos de m e n o rta m a ñ o tam b ién pueden m overse entre las células pasando a través de las uniones herm éticas que interconectan las células.
desplazan desde la sangre, a través del líquido extracelular, hacia dentro de los estrechos confines del líquido intersticial entre las células adyacentes. Desde allí, las m oléculas atraviesan las uniones herm éticas que conectan las células epiteliales en lám inas. Las células adyacentes pueden secretar m oléculas en el espacio intersticial p a ra controlar su naturaleza y así crear unos gradientes que produz can m ovim ientos paracelulares. Aunque las uniones herm éticas pueden im pedir que pasen las m oléculas de m ayor tam año, las m oléculas pequeñas (el agua, los iones) pueden p asar a través de los enlaces de proteínas. Los tejidos que perm iten el transporte paracelular suelen denom inarse ep itelios p erm ea b les. Los tejidos que se ocupan del transporte p a ra celular m ínim o se llam an ep itelio s im perm eab les. Los tejidos finos epiteliales poseen un conjunto de portadores, incluidos los siguientes tran sp o rtad o res frecuentem ente im plicados en el equilibrio iónico e hídrico.
C A P ÍTU LO 11
• La N a+/K+ATPasa es esencial p a ra los m ovim ien tos iónicos, y em plea energía de la hidrólisis del ATP p a ra llevar al exterior tres N a+ a cam bio de la en trad a de dos K+. Algunos tejidos finos em plean u n a H+ ATPasa p a ra bom bear protones con el fin de v ariar el pH, u n a fuerza im pulsora de otros procesos de transporte
Célula de mucosa
Célula pavimentosa
• Diversos canales iónicos (de Cl~, K+y N a+) pu e den ab rirse o cerrarse en respuesta a señales m ecánicas, eléctricas o quím icas p a ra perm itir que iones específicos fluyan a través de gradien tes electroquím icos. • Los cotransportadores electroneutrales tra n s p o rtan aniones y cationes en la m ism a dirección como resp u esta al gradiente electroquímico. Hay cotransportadores de N a+-K+-2C1~ (NKCC) y co transportadores de K+-Cr.
E quilibrio ió nico e hídrico 487
Célula de cloruro
(a) Superficie branquial (SEM)
• Diversos intercam biadores electroneutrales son tran sp o rtad o res reversibles conducidos po r los gradientes electroquímicos, incluidos los gra dientes del pH. Hay intercam biadores N a+/H + (NHE), intercam biadores NH4/H + e intercam bia dores Cl / HC03~.
Célula pavimentosa
Célula de cloruro
Las bra nq uia s d e W fp é c e s tra n sp o rta n iones d e ntro y fuera del agua Las lam elas branquiales están com puestas por c élu la s de cloruro ricas en m itocondrias que están entre m ezcladas entre dos tipos de célu las pavim entosas, unas ricas en m itocondrias (como las células de clo ruro) y otras con u n bajo contenido m itocondrial (Figura 11.11). Los dos tipos de células ricas en m ito condrias, que realizan la m ayor parte de las funciones de transporte de las branquias, se pueden distinguir m ediante el empleo de m étodos histoquímicos. Se pueden incubar secciones de la célula con un ligando llam ado lectina aglutínina del cacahuete (PNA) que se une diferencialm ente a tipos de células específicos. Al visualizar las células de cloruro se identifican p o r su capacidad p a ra un irse al PNA (células PNA+), m ien tras que las células pavim entosas no lo hacen (células PNA- ). La dirección del tran sp o rte iónico e hídrico depende de la salinidad del agua (Figura 11.12). Las b ran q u ias de los peces de agua dulce deben tom ar del agua el Na+, el Ca2+y otros iones, frecuentem ente en contra de u n cambio brusco de los gradientes electroquím icos. Las células PNA~ tom an el Na+ a través de u n canal. Aunque existe un gradiente des favorable p a ra la en trad a de N a+, estas células crean
(b) Célula de cloruro (TEM) Fig u ra 11.11.
C é lu la s de la s b ra n q u ia s de los p e c e s .
Las branquias de los peces son un sitio im portante de in ter cam bio de iones tanto en especies de agua dulce com o de agua salada. Éstas tienen m últiples tip o s de células, incluidas las células mucosas, las células de clo ruro y las células pavi mentosas. SEM, TEM: M icrografía electrónica de barrido y de tran sm isión. (Im ágenes por cortesía del Dr. Steve Perry, U ni versidad de Ottawa).
una acidificación local utilizando una H+ATPasa que increm enta la fuerza electroquím ica p a ra la entrada de N a+. Una vez dentro de la célula, el Na+ es llevado hacia el líquido extracelular m ediante la N a+/K +
488 SEG UN DA PARTE
Fig u ra 11.12.
Integrando sistem as fisiológicos
P ro c e s o s de tra n s p o rte ió n ic o en
b ra n q u ia s de p e c e s m a rin o s y de a g u a d u lc e .
Las branquias poseen células bom beadoras de iones que pro ducen la entrada de Na+ y Cl- en agua dulce y la salida de Na+ y Cl- en agua salada, (a) Las branquias de los peces de agua dulce poseen dos tip o s de células bom beadoras de iones que se diferencias por su habilidad para unirse al ligando PNA. Las células secretoras de ácidos (PNA- ) im portan Na+ del agua m ediante los canales de N a+, ayudadas por la acidificación lo cal causada por una bom ba de protones. Las células secreto ras de bases (PNA+) im portan Cl m ediante el intercam biador Ch/HCOg- , con entrada de Ca2+, m ediante los canales de Ca2+. (b) La excreción de sal en las branquias de peces m arinos se lleva a cabo m ediante los canales de Cl- y el transporte paracelular de Na+, conducida por la carga transepitelial.
ATPasa basolateral. El otro tipo de célula bom bea dora de iones, la célula de cloruro PNA+, introduce Cl~ en el interior de la célula m ediante la utilización
de un intercam biador C1~/HC03~ apical que sale luego a través de canales basolaterales de Cl~. En los dos m ecanism os de transporte, la producción de HC03~ y H+ m ediante la an h id rasa carbónica es esen cial y sum inistra iones que se pueden utilizar como contraiones o p a ra cam biar el pH. A diferencia de los peces de agua dulce, los peces m arinos deben evitar el consum o excesivo de iones y lim itar la pérdida de agua. Las branquias son esen ciales p a ra el equilibrio iónico y las células de cloruro en particular son decisivas p a ra la excreción de iones. Las acciones com binadas de la Na+/K+ATPasa y el cotransportador N a+/K+-2CL llevan K+ y Cl~ (y un poco de N a+) a la célula desde la sangre. Los can a les de Cl- de la m em brana apical perm iten que el Cl~ salga al agua de m ar y los canales basolaterales de K+ perm iten que el K+ regrese a la sangre. El despla zam iento de Cl~ y otros iones crea un potencial tra n s epitelial de m em brana (negativo por fuera). Se cree que el Na+ sale a través de los canales paracelulares, conducido po r el potencial transepitelial de la m em brana. Esta disposición de portadores es com ún en otras células epiteliales bom beadoras de iones que expulsan el C r de las células, como la glándula rectal del tiburón. Como se puede observar, la ta re a de las células bom beadoras de iones de las b ranquias de los peces cam bia dependiendo de las condiciones externas. Algunas especies de peces son diádrom os, y se des plazan entre el agua de m ar y el agua dulce. Los peces catádrom os, como las anguilas, em igran hacia el agua dulce p a ra reproducirse. Por el contra rio, los peces anádrom os, como el salm ón, em igran desde el agua de m ar hacia el agua dulce p ara re p ro ducirse. El salm ón joven se desarrolla en agua dulce y luego em igra hacia el mar. Antes de la em igración las branquias de estos peces experim entan una im portante reorganización celular a m edida que las características de bom beo de iones de las células de las b ranquias se p re p a ra n p a ra el nuevo entorno (Figura 11.13). Curiosam ente, el proceso de rem ode lación se presenta antes de la exposición al agua de mar. Este proceso de rem odelación, llam ado esm oltiflcación , se activa gracias a num erosas horm onas. Los cam bios en la osm orregulación dependen en gran p arte de la horm ona de crecim iento, del factor de crecim iento insulínico tipo 1 , del cortisol, y en un m enor grado, de la horm ona tiroidea. La esmoltificación conduce tam bién a la rem odelación de otros teji dos involucrados en el equilibrio iónico e hídrico, incluido el tracto gastrointestinal y probablem ente el riñón. Como consecuencia de los cam bios celulares,
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 489
se presenta muy poca alteración iónica y osm ótica cuando el salm ón en tra en el mar. Preesguín (amuje)
Esguín
Los e p ite lio s dig e stivo s in te rvie n e n en la transfe rencia de iones y agua
(a) Esmoltificación
* Amuje
. ' « Preesguín
Esguín
Postesguín
(b) Cambios en la Na+/K+ ATPasa en las branquias
rr
*
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»
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l 65 |i,m ¥
NKCC
^#Na+/K+ ATPasa
1
NKCC
II Agua salada
Na*/K+ ATPasa
1 Agua dulce
1
(c) Agua salada frente a agua dulce Fig u ra 11.13.
E s m o ltific a c ió n y r e g u la c ió n ió n ic a .
El salm ón experim enta unos cam bios fis io ló g ic o s co m ple jos cuando se traslada de los ríos y riachuelos al océano, donde se desarrollan y alcanzan la m adurez re productiva. Adem ás de un cam bio de color (a), el salm ón reestructura sus tejidos epiteliales para hacerlos más aptos para la expulsión de iones. Las branquias, los in testinos y la piel increm entan la acción de los m ecanism os de bom beo de iones, (b, c) Las im ágenes fluorescentes de una branquia de salm ón m uestran la relativa abundancia de portadores relevantes. Los niveles de Na+/K+ ATPasa (rojo) aum en tan durante la esm oltifica ción (b). Los niveles del c otra nsportad or Na+/-K +2CI~(NKCC) y de la N a+/K + ATPasa tam b ié n difieren m uchas veces en los peces dependiendo de si están habituados al agua dulce o al agua salada. (Im agen por cortesía de Ryan Pellis y el Dr. Steve M cCorm ick, Contes A n adrom o us Fish Labo ratory).
El tracto digestivo, con su gran área de superficie, es un sitio im portante de intercam bio de solutos y agua. Es evidente que la ingesta de agua es la fuente principal de ésta en m uchos anim ales, pero tam bién pueden ingerir agua al alim entarse. Muchos insectos, por ejemplo, ingieren ali m entos ricos en agua, como la savia, el néctar o la sangre. Considérese el desafio osmótico al que se enfrenta el R hodnius, un insecto hem atófago que consum e m ás de 12 veces su m asa corporal en un a sola comida form ada por sangre. Los insectos hem atófagos deben ex traer el agua de la sangre con la cual se alim entan con el fin de procesar el resto de las m acrom oléculas ricas en energía. Frente a retos sim ilares, un m os quito h em b ra orina incluso m ientras se alim enta, p a ra perm itirle com pri m ir en el intestino el alim ento consti tuido por sangre. Los científicos debaten la relevancia relativa del tran sp o rte transcelular y paracelular en el transporte hídrico a través del intestino pero parece que am bos procesos son im portantes. El tra n s porte transcelular depende de los gradientes osm óticos y es facilitado p o r las acuaporinas en las m em b ra n as tanto basolateral como apical del epitelio. El tran sp o rte paracelular se p resenta cuando los fluidos internos y externos son casi isosmóticos. Los iones, principalm ente el Na+ y el C1 , son secretados en el interior del espacio intersticial p a ra crear un gradiente osmótico que im pulsa el m ovim iento del agua a través de las uniones herm éticas. Una vez dentro del líquido intersticial, el agua se abre paso en la sangre.
490 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Los reptiles y las aves poseen glán dulas de sal Debido a que el agua dulce posee una muy baja con centración de solutos, ésta crea un a presión osmótica in tern a que ayuda a conducir la ingesta de agua. No obstante, pocas especies de anim ales beben agua de m ar, lo que p resen ta dos desafíos. En prim er lugar, las m oléculas del agua deben ser tran sp o rtad as selectivam ente a través del intestino en contra del gradiente osmótico. Es probable que el transporte transcelular a través de los epitelios im perm eables sea im portante en estos anim ales. En segundo lugar, los anim ales deben estar capacitados p ara expulsar la sal que acom paña al agua de m a r que consum en en su dieta. Muchos reptiles y aves poseen u n a g lán d ula de sa l que ayuda al equilibrio iónico e hídrico excre tando soluciones hiperosm óticas de N a+ y CL. Ya h abiten en el océano o en el desierto, las especies que poseen glándulas de sal pueden arreglárselas au n que no ten g an acceso al agua dulce m ediante la obtención de agua a p artir de la ingesta de agua de m ar hipertónica o exclusivam ente de la comida. En las aves, la glándula de sal se encuentra en u n a depresión en la base del pico y sus secreciones dren an a través de u n canal que se extiende a lo largo del pico y se ab re en las fosas nasales. La secreción
de la glándula de sal n asal puede ser h asta tres veces m ás concentrada que el plasm a. Así, si un ave bebe 30 m i de agua de mar, puede excretar toda la sal en 10 m i de secreción de la glándula de sal y obtener 20 m i de agua pura. Las glándulas de sal lo logran consum iendo energía m etabólica p a ra bom bear iones, ayudadas por un sistem a de contracorriente m uy sim ilar al del riñón que se exam inará m ás ad e lante en este capítulo. La glándula de sal está com puesta por un a serie de túbulos secretores que extraen sal de la sangre. Cada túbulo secretor es un saco ciego que se extiende de form a paralela a u n a red capilar y donde la sangre fluye desde la base del túbulo hasta el extrem o cerrado. Las secreciones fluyen desde el extrem o cerrado hasta el extrem o abierto, y se establece un intercam biador contracorriente que ayuda al túbulo a concentrar las soluciones de m an era m ás eficaz (Figura 11.14). Muchos túbulos se agrupan p a ra for m ar lóbulos que dren an dentro del conducto central que lleva la secreción a las fosas nasales. Las células epiteliales que revisten el túbulo secre tor extraen la sal del líquido intersticial que se encuen tra entre las células del túbulo y la sangre. La m em brana basolateral y la m em brana apical trabajan en conjunto p a ra producir una secreción hiperosm ó tica. La m em brana basolateral de las células epitelia les transporta iones al interior de la célula utilizando
Vaso sanguíneo Espacio \ inters.Kticial
Luz del túbulo secretor
‘Células epiteliales
(a) Fig u ra 11.14.
(b) G lá n d u la s s a lin a s de a v e s y r e p tile s .
Algunas aves y reptiles que habitan en agua salada o en el desierto pueden excretar Na+ y Cl- a partir de unas glándulas salinas especializadas, (a) Las glándulas están localizadas cerca del ojo, pero drenan en conductos que desem bocan cerca de la narina. La sal puede depositarse y acum ularse en la cabeza, com o se observa en esta iguana m arina, (b) Las excreciones hipersalinas se form an en los túb u lo s secretores que están config ura dos en los ló bulos que drenan en los túb u lo s colectores. Los vasos sanguí neos contig uos a los tú b u lo s secretores fluyen en sentido contrario a la corriente de líquido a través del túbulo. (Foto por cortesía del Dr. Robert H. Rothm an, Rochester Institute o f Technology).
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 491
el conjunto de portadores involucrados en el incre m ento del volum en regulador. En cambio, la m em b ran a apical posee los transportadores que están involucrados en la dism inución de volum en regulador. Aunque existe todavía incertidum bre sobre los m eca nism os exactos, la Na+/K+ ATPasa, el NKCC, los cana les de K+ y los canales de Cl , han estado implicados en la formación de la secreción hiperosmótica. El resultado de estas actividades es la entrada de N a+ y Cl- desde el plasm a y su secreción al interior de la luz del túbulo. Al igual que otros tejidos epiteliales involu crados en el transporte iónico, las células del túbulo secretor poseen u n alto contenido de m itocondrias, que producen el ATP necesario p ara bom bear iones y p ara establecer los gradientes utilizados por el tran s porte activo secundario. El m ecanism o secretor de iones de las glándulas de sal es similar, en muchos aspectos, a los portadores que utilizan otros epitelios que secretan sal, analizados previam ente en este capí tulo, como las branquias de los peces.
Las g lán dulas rectales de los e la sm o b ra n q u io s excretan N a+ y C l- , m ie ntras retienen urea Al igual que las aves m arinas, los elasm obranquios poseen un órgano excretor secundario que ayuda a la excreción de sal. La glán d ula recta l está com puesta p o r m uchos túbulos circundados por capilares (Figura 11.15). Las células de cada túbulo tran sp o r ta n activam ente Na+ y Cl- desde la sangre, y a conti nuación secretan estos iones en el interior de la luz tubular. Las invaginaciones basolaterales de estas células, casi como las m icrovellosidades, aum entan el área de superficie p a ra el intercam bio de iones con la sangre. Las células tubulares tienen una función muy sim ilar a la de las células de cloruro de las branquias del teleósteo y la glándula de sal de las aves, tra n s portando iones a través del NKCC, la Na+/KATPasa y los canales de K+de la m em brana basolateral, junto a los canales apicales de CL. La secreción de sal es estim ulada p o r u n increm ento inducido por horm o n as en la actividad del canal Cl- . La norepinefrina, por ejemplo, activa u n receptor vinculado a la pro teína G p a ra estim ular la síntesis de AMPc y activar la protein quinasa A. La fosforilación abre el canal Cl~ p ara perm itir la en trad a de Ca2+. Al mism o tiem po, la m em b ran a basolateral aum enta su perm eabilidad al K+ y crea u n alto gradiente de N a+. Los desplaza m ientos iónicos producen un cam bio en el volum en celular. De m an era conjunta, los cam bios en los gra-
F ig u ra 11.15.
T ra n s p o rte de c lo ru ro en la g lá n d u la r e c ta l
d e l e la s m o b ra n q u io .
La excreción d e s a le n la g lá n d u la rectal del tib u ró n es condu cida por la secreción de CL. El clo ruro penetra en la célula desde el plasma a través del cotra nsportad or Na+/-K1-2CI~ y sale a través de los canales de Cl~. Todo el proceso entero es sensible a las horm onas que in crem entan los niveles de AMPc, que activan la proteinclnasa A (PKA). (Fuente: M o d ifi cado de Silva e f al., 1997).
dientes iónicos y en el volum en celular im pulsan el movim iento a través de los canales de NKCC y p rodu cen el transporte neto de N a+ y CL al interior de la luz. Estos desplazam ientos de K+ son intensificados por la actividad de la Na+/K+ ATPasa basolateral.
Excreción de nitrógeno El am oniaco producido durante la descom posición de los am inoácidos es un soluto tóxico que debe ser excretado, como am oniaco, u rea o acido úrico (Figura 11.16). Un anim al que excreta la m ayor parte del nitrógeno en form a de am oniaco se denom ina am oniotélico. Los u reo télico s excretan u rea y los u rico télico s excretan ácido úrico. Aunque los ani m ales excretan la m ayor p arte del nitrógeno de una sola form a, casi todas las especies tienen la capaci dad de producir estas m oléculas. Por ejemplo, los seres hum anos son ureotélicos, pero tam bién p rodu cen y excretan algo de am oniaco y ácido úrico.
492 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
O
ms
Hf C" f — T
H j- c - ii,
xc = o
o
^ H
Amonio F ig u ra 11.16.
H
Á cido úrico
Urea
Cada estrateg ia p a ra la excreción de nitrógeno tiene gastos y ganancias, con im p o rtan tes im plica ciones p a ra el equilibrio hídrico. Cada grupo de a n i m ales d epende de u n a estrateg ia en particular (Tabla 11.3). E ntre los v erteb rados hay organism os ureotélicos (m am íferos), uricotélicos (aves y re p ti les) y am oniotélicos (anfibios y peces). Sin em bargo hay m uchas excepciones a estas generalizaciones. Hay especies fu era de lo com ún; po r ejem plo, algu n as especies de osteíctios son ureotélicos. Hay ta m bién cam bios a lo largo del desarrollo; p o r ejem plo, algunos anfibios secretan am oniaco en estado la r vario y u rea en estado adulto. Otros cam bios en la estrateg ia de excreción de nitrógeno se desen cad e n a n p o r las condiciones am bientales; la d esh id ra ta ción hace que algunas especies de anguilas am oniotélicas se conviertan en ureotélicas. Las enzim as n ecesarias p a ra la síntesis de am oniaco, u re a y acido úrico existen en la m ayoría de los a n i m ales. Podem os asu m ir que las especies atípicas o
E s tra te g ia s de e x c re c ió n de n itró g e n o .
Estrategia de excreción de nitrógeno Grupo animal Organismos amoniotélicos
El am o niaco se produce en el m e ta b o lism o de los a m in o á cid o s
E s tru c tu ra s de los p ro d u c to s fin a le s
n itro g e n a d o s .
Tabla 1 1 .3 .
los cam bios a lo largo del desarrollo surgen m ediante la variación en el control de la expresión de los genes, m ás que po r la evolución convergente de nuevas capacidades.
Invertebrados simples (cnidarios, nemátodos) Moluscos acuáticos Agnatos, condrictios, osteíctios, anfibios larvales
Organismos uricotélicos
Moluscos terrestres (caracoles, liparis), artrópodos terrestres
Organismos ureotélicos
Algunos osteíctios larvales, peces pulmonados estivadores
Reptiles, aves
Todos los mamíferos
Una inevitable consecuencia de u n a dieta proteica es la producción de am oniaco como producto final de la oxidación de los am inoácidos. Las enzim as m etabólicas prod u cen u n a com binación de NH 3 y NH4+, pero la concentración relativa de las d iferen tes form as de am oniaco en los fluidos depende de m uchos factores. Puesto que el NH 3 es un gas, su concentración en los fluidos biológicos depende de la can tid ad disuelta en el agua, que a su vez depende de la p resió n parcial del gas (PNH), su solu b ilidad en el agua y la te m p e ra tu ra ." U na vez disuelto el NH 3 se vuelve pro to n ad o p a ra form ar NH4+. El equilibrio en tre dos form as m oleculares depende del pH. Ya que el valor del pATa p a ra el NH4+ es ap roxim adam ente 9, en u n pH fisiológico la m ayor p arte del am oniaco se p re se n ta en la form a ionizada (NH4+). El amoniaco puede cruzar las m em branas biológi cas como NH 3 y NH4+ aunque em pleando mecanism os diferentes. El NH 3puede extenderse de form a pasiva a través de las m em branas en u n a proporción m ode rada. Recientemente se ha dem ostrado que, al igual que el desplazam iento del agua, el desplazam iento de NH 3 a través de las m em branas depende de los cana les específicos de gas. Gran parte del transporte del am oniaco depende de un transportador activo secun dario, sobre todo, el intercam biador NH 4+/H+. El am oniaco se produce a p artir de un conjunto de am inoácidos m ediante im a cantidad indefinida de reacciones. Algunos am inoácidos son desam inados, lo que da como resultado u n a liberación de am o niaco. Otros am inoácidos son transam inados, pro ceso por el cual los grupos am ino son transferidos de u n a-am inoácido p ara producir otro a-am inoácido. Las reacciones de la am inotransferasa involucran glutam ato y 2-oxoglutarato en la reacción generali zada. a-am inoácido + 2-oxoglutarato ácido 2-oxo
glutam ato +
Las células poseen un gran núm ero de am inotransfera sa s diferentes, cada u n a específica p a ra un grupo diferente de sustratos, tales como la alanina amino-
CAPÍTULO 11
tran sferasa (Ala AT) y el asp artato am inotransferasa (Asp AT): A la AT: alanina + 2-oxoglutarato glutam ato + piruvato A spA T: asp artato + 2-oxoglutarato glutam ato + oxalacetato En las reacciones de la am inotransferasa se tra n s fiere el nitrógeno desde diferentes am inoácidos h asta el glutam ato, que puede ser desam inado m ediante la enzim a glutam ato deshidrogenasa (GDH): GDH:
NADH + glutam ato + NAD+ 2-oxoglutarato + NH 4
El m etabolism o de la glutam ina se encuentra entrela zado a estas reacciones. Puesto que ésta es po rtadora de grupos am ino que contienen nitrógeno, la gluta m ina es u n im portante vehículo de enlace de nitró geno entre los tejidos. La glutam ina es producida por la enzim a glutam ina sintetasa y oxidada po r la glutam inasa. Glutamina sintetasa: glutam ato + NH4 + ATP -» glutam ina + ADP + P¡
F ig u ra 11.17.
G lutaminasa:
Equilibrio iónico e hídrico 493
glutam ina -*■ glutam ato + NH4+
Los anim ales usan esta compleja re d enzim ática p ara producir am oniaco (Figura 11.17). Los anim ales am oniotélicos llevan al exterior el am oniaco producido en estas reacciones a través del tejido epitelial. La form a NH 3 sin carga cruza las m em b ran as, m ien tras que la form a NH4+ con carga requiere tran sp o rtad o re s específicos tales como el in tercam b iad o r NH 4+/H+. Los anim ales terre stre s lib eran u n poco de NH 3 en el aire expirado, a través tanto de la piel como de la superficie pulm onar. Los anim ales am oniotélicos de agua dulce excretan la m ayor p arte del am oniaco po r las b ran q u ias, m ien tra s que los anim ales m arinos excretan NH3, in cre m entado por el bom beo de NH4+, po r la piel y las branquias. La amonlotelia tiene una ventaja importante; se requiere poca cantidad de energía adicional p ara metabolizar los desechos de nitrógeno en una forma lista para la excreción. Sin embargo, para los animales terrestres la excreción de amoniaco no es práctica, pues requiere grandes cantidades de agua y una micción constante para asegurar que los niveles de amoniaco perm anezcan dentro de un m argen tolerable.
M e ta b o lis m o de los a m in o á c id o s y p ro d u c c ió n de a m o n ia c o .
Una com pleja de cadena de reacciones perm ite a una célula separar los grupos am ino de los am inoácidos. A lguna s enzimas des arriman los am inoácidos, para liberar am onio. Las am inotransferasas transfieren los grupos am ino al 2-oxoglutarato para fo rm a r gluta m ato (GLU). El m eta bolism o de la arginina puede cond ucir a la producción de urea.
494 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
Las aves, los reptiles y los insectos excretan ácido úrico
PRPP 2 Glutamina (2N) ^ -G lic in a (N)
Los anim ales, al ocupar la tierra, necesitaban una estrategia excretora que perm itiera la excreción de nitrógeno sin que se req u iriera m ucho agua: la pri m era solución evolutiva a este problem a fue la uricotelia. A diferencia del am oniaco, el ácido úrico puede acum ularse en los fluidos corporales con m uy pocos efectos tóxicos, aunque en el ser hum ano la acum ula ción de ácido úrico produce im a enferm edad cono cida como gota. La uricotelia prescinde del agua, porque el ácido úrico se excreta como anhídrido, en cristales blancos. Sin em bargo, la síntesis de ácido úrico requiere energía m etabólica. La síntesis del acido úrico em pieza con la produc ción de GMP (Figura 11.18). Las redes de am inotransferasas transfieren nitrógeno de varios aminoácidos a los tres am inoácidos que actúan como sustratos p ara la síntesis de GMP: dos glutam ina, glicina y aspartato. La reacción de 11 pasos que produce un a molécula de GMP consum e 6 moléculas de ATP, y se requiere otra molécula de ATP adicional p ara producir otro sus trato, el form iltetrahidrofolato. Una vez que el GMP se sintetiza, éste en tra en la vía regular p a ra la descom posición del nucleótido purina. El GMP se descom pone en guanosina, guanina y después en xantina. El AMP se convierte en adenosina, inosina, hipoxantina y después en xantina. La xantina que se produce en estas reacciones se oxida p ara form ar ácido úrico. Sin em bargo, algunos artrópodos terrestres (por ejemplo, arañ as y escorpiones) excretan la guanina interm e dia. Incluso los anim ales que em plean otras vías p ara deshacerse de los desechos de nitrógeno, producen tam bién ácido úrico como producto final norm al del m etabolism o de los nucleótidos. Por supuesto, en los anim ales uricotélicos (pájaros, reptiles e insectos) el ácido úrico del m etabolism o de los nucleótidos se m ezcla con el que se produce en la excreción del nitrógeno. Algunos prim ates tam bién excretan un poco de ácido úrico. En otros anim ales el ácido úrico continúa m etabolizándose, p a ra ser excretado como alantoína (en m am íferos no prim ates), alantoato (en osteíctios), u rea (en anfibios y peces cartilaginosos) o am oniaco (en invertebrados m arinos). M uchas líneas no relacionadas de anim ales ver teb rad o s e invertebrados com parten características de uricotelia. Este ejemplo im presionante de evolu ción convergente es ta n sólo posible porque la vía de la síntesis del ácido úrico está disponible en todos los anim ales como p arte del m etabolism o interm ediario.
Aspartato (N) s - 5 ATP
Ácido úrico
1 antoí
I
Acido \cidc alantoico antoi'
1 Urea Fig u ra 11.18.
M e ta b o lis m o d e l á c id o ú ric o .
Se lleva a cabo una com pleja cadena de reacciones para con v e rtir el nitrógen o-am ino en ácido úrico para ser excretado. Los cuatro nitrógenos (N) de la últim a m olécula de acido úri co provienen de la g luta m ina (2), de la glicin a y del aspartato. El proceso com ple to de la síntesis del ácido úrico consum e seis fosfatos; seis ATP m ediante la vía que involucra al GMP, y cinco ATP más un GTP m ediante la vía que in volucra al AMP. La urea, una vez form ada , puede ser excretada o in clu so ser m etabolizada sig uien do un procedim iento que depen de de la especie. PRPP: 5 -fo sforib osil-1-pirofosfato ; IMP: inosina m onofosfato.
La flexibilidad inherente de estas vías es evidente en los anim ales que pueden p asar de la uricotelia a la am oniotelia, dependiendo de las condiciones. Un anfibio, el caracol m anzana, puede p asar de im a m odalidad a otra según el entorno: en el agua vive como amoniotélico y cuando se encuentra en tierra es uricotélico.
La urea se pro du ce en el ciclo de la o rn itin a -u re a Mucho después de que los prim eros invertebrados y vertebrados uricotélicos aparecieran en escena, otra
CAPÍTULO 11
form a de excreción de nitrógeno, la ureotelia, surgió en las cepas terrestres. La u rea es el principal pro ducto excretor de los m am íferos, tam bién de espe cies seleccionadas de otros taxones. La u rea es producida en algunas especies po r la descom posi ción del ácido úrico o la arginina, pero los anim ales ureotélicos producen u rea por otra vía, el ciclo de la orn itin a-u rea. El preludio a la producción de u rea es la transfe ren cia de grupos am ino de diferentes am inoácidos a u n a estru ctu ra que p ueda ser utilizada por la carbam oil fo sfa to sin te ta sa (CPS). Un isomorfo de la CPS (CPS II) está relacionada con la síntesis del nucleótido pirim idina y usa la glutam ina como sustrato. Sin em bargo, los anim ales ureotélicos poseen otros iso m orfos CPS (CPS I y CPS III) especializadas p a ra la síntesis de urea. El origen evolutivo del ciclo de la u rea está íntim am ente ligado a la evolución de los genes de la CPS (véase la Caja 11.2). Las dos form as de CPS involucradas en la síntesis de la u rea difieren en el donante de N; la CPS I u sa NH4+ m ientras que la CPS III u sa glutam ina. Una vez producido el carbamoil fosfato en tra al ciclo de la ornitina-urea (Figu ra 11.19). A dem ás de las cinco enzim as del ciclo de la ornitina-urea, la síntesis de u rea requiere de dos p o rta dores que desplacen los sustratos a través de la
Equilibrio iónico e hídrico 495
m em brana m itocondrial: el portador ornitina/citrulina y el p ortador aspartato/glutam ato. La división de la vía entre el citoplasm a y la m itocondria perm ite un control m ayor sobre el destino de los m etabolitos. También está dem ostrado que los m etabolitos son dirigidos de u n a enzim a a otra p a ra evitar la pérdida de éstos en otras vías. La argenina, por ejemplo, se usa en m uchas otras vías y es forzada a e n trar al ciclo de la ornitina-urea p ara u n a eficaz producción de urea. La u rea es producida en el hígado y liberada a la sangre, donde el destino de ésta depende de las espe cies. En los m am íferos, es recogida por el riñón p ara su excreción en la orina. En otros anim ales, la urea puede ser excretada por otras vías, como las b ra n quias en los peces. La u rea es tran sp o rtad a a través de la m em brana por difusión facilitada por medio de portadores específicos de urea. Estos portadores controlan la velocidad con la que la urea atraviesa las m em branas en diferentes tipos de células y regiones del riñón. Puede h ab er tam bién portadores de urea en los tejidos de las agallas de los tiburones, aunque se conoce poco sobre estos portadores. La ta sa de producción de la u rea es igual a la ta sa del m etabolism o de las proteínas, que es alta en anim ales que (1 ) consum en alim entos ricos en p ro te ínas o (2) d egradan las proteínas corporales d urante
Citoplasma
Glutaminasa
\
Aspartato
Glutamato Glutamato deshidrogenada
Argininosuccinato sintetasa
2-Oxoglutarato
Argininosuccinato
Carbamoil fosfato
Argininosuccinato t liasa
Arginina
Fig u ra 11.19.
C ic lo o r n itin a -u r e a .
El nitrógen o-am ino bajo la form a de glutam ina o NH41 se em plea para producir carbam oil fosfato, que se in troduce en el ciclo o r nitina-urea.
496 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
Caja 11.2 Genética y genómica Evolución del ciclo de la urea
Todos los animales poseen genes que codi
dades cinéticas a partir de diferencias genéticas sutiles. El
fican todas las enzimas necesarias para la pro
análisis de m utaciones ha dem ostrado que una sola m uta
ducción de urea, pero solam ente unos grupos exclusivos
ción genética cerca del sitio catalítico de la CPS I depen
producen un ciclo ornitina-urea funcional. El proceso evolu
diente de NH 4+ puede dotar a la enzima m utante con la
tivo que perm ite que estos animales produzcan altos niveles
habilidad para usar glutam ina (una propiedad de la CPS I y la
de urea debe haber afectado a m uchos genes. Algunos cam
CPS III). En los próxim os años, cuando haya disponibles
bios fueron m utaciones que alteraron la estructura de las
más análisis genóm icos de peces prim itivos, la historia
enzimas y les adjudicaron nuevas propiedades catalíticas.
evolutiva exacta de los genes de la CPS llegará a aclararse.
Otras m utaciones alteraron la secuencia esperada de proteí
Un segundo desafío en la evolución del ciclo de la orni
nas y se originó un patrón distinto de localización subcelular
tina-urea era garantizar las m utaciones necesarias para que
de la enzima. Observando las propiedades de los animales
cada enzima sea conducida al apropiado com partim ento
existentes, podemos com prender algunas etapas evolutivas
subcelular. El ciclo de la urea de los animales terrestres
necesarias para la form ación del ciclo de la ornitina-urea.
com prende dos com partim entos, que perm iten que las
Una de las enzimas principales en el ciclo de la ornitina-
funciones especializadas se m antengan aisladas de las
urea es la carbam oil fosfato sintetasa (CPS). Com o ya se
dem ás vías. Las enzimas de la vía tam bién deben ser
indicó con anterioridad, todos los animales tienen una CPS
expresadas en el com partim e nto intracelular apropiado.
II, pero esta enzima no es útil en la síntesis de la urea por
Por ejem plo, la CPS II se encuentra en el citoplasm a con
dos razones. En prim er lugar, tiene m uy poca afinidad con
otras enzimas del m etabolism o de los nucleótidos. Por el
el NH41 y cuenta con la glutam ina com o donante de nitró
contrario, tanto la CFS I com o la CFS III son enzimas m ito
geno. En segundo lugar, su actividad catalítica, aunque ade
condriales y perm iten a la célula separar el m etabolism o de
cuada para suplir las dem andas de la degradación de
nucleótidos de la síntesis de urea. Con las m utaciones que
nucleótidos, es insuficiente para cubrir las necesidades de
crearon el sitio alostérico en la CPS, la célula debe tener
destoxificación de NH 4+ que resultan de la oxidación de
una form a de asegurarse de que el regulador (N-acetil glu
am inoácidos. Para el prim er problema, han surgido en los
tam ato) pudo tener acceso a la CPS. En organism os no
animales dos soluciones diferentes, m ediante dos isom or
ureogénicos, el N-acetil glutam ato es un in term ediario en la
fos de CPS con m ayor utilidad cinética y sensibilidad al
biosíntesis de la argenina, una vía que es en gran parte cito-
regulador alostérico N-acetil glutam ato. Un isoform o, la
plasmática. Por consiguiente, el gen que codifica la N-acetil
CPS I se encuentra en m am íferos y en algunos peces pul
glutam ato sintetasa tam bién requería m utaciones que
m onados y tiene m ayor afinidad con el N H 4+ que la CPS II.
cambiaran su in form ación de objetivo. En los animales
El otro isom orfo, la CPS III, se encuentra en condrictios y
ureogénicos, la N-acetil glutam ato sintetasa se encuentra
en osteíctios ureogénicos. Ésta em plea la glutam ina com o
en las m itocondrias, donde produce el regulador alostérico
sustrato (al igual que la CPS II) pero tiene una actividad m ucho más sensible al regulador alostérico N-acetil gluta m ato. Curiosam ente, algunas especies com o el celcanto y algunos peces pulm onados poseen am bas enzimas, la CPS III y la CPS I. A unque la CPS II es probablem ente la form a más ancestral de la enzima, todavía no está claro cuál de las dos form as, la CPS I o la CPS III, surgió prim ero. Tales aná lisis filogenéticos han dependido de las propiedades cinéti cas para ayudar a defin ir las relaciones evolutivas. Sin embargo, pueden surgir diferencias m ayores en las propie
los periodos de inanición. La ta sa de síntesis de u rea es reg u lad a p o r la cantidad de enzim as y po r medio de la regulación alostérica. En p rim e r lugar, los ani m ales utilizan las h o rm o n as p a ra regular la tasa de expresión de los genes que codifican las enzim as del ciclo de la o rnitina-urea. El glucagón y los glucocor
más im portante de la CPS mitocondrial. Referencias • Mommsen, T. P., and P. J. Walsh. 1989. Evolution of urea synthesis in vertebrates: The piscine connection. Science 243: 72-75. • Saeed-Kothe, A. and S. G. Powers-Lee. 2003. Gain of glutaminase function in mutants of the ammonia-specific frog carbamoyl phos phate synthase. Journal of Biological Chemistry 278: 26722-26726. • Walsh, P. J. 1997. Evolution and regulation of urea synthesis and ureotely in (batrachoidid) fishes. Annual Reviews in Physiology 59: 299-323.
ticoesteroides estim ulan la expresión de las enzim as del ciclo de la ornitina-urea, m ientras que la insulina inhibe la expresión de estos genes. En segundo lugar, los anim ales regulan la actividad de la CPS m ediante el regulador alostérico N-acetil glutam ato. Cuando los niveles de am inoácidos son altos, un
CAPÍTULO 11
increm ento en los niveles de glutam ato increm enta la actividad de la enzim a N-acetil glutam ato sintetasa.
Cada estrategia de desecho de n itró g e n o tien e un gasto inhe rente Las estrategias excretoras han sido elem entos im por tan tes en m uchos estudios de ecofisiología. Los gas tos y ganancias son claros y pueden com prenderse fácilm ente en térm inos de las im posiciones ecológi cas y am bientales sobre el animal: disponibilidad de agua, estrategias alim enticias y gasto metabólico. Cada estrategia excretora tiene im plicaciones en el equilibrio hídrico, pero no todos los anim ales d en tro de un grupo taxonóm ico tienen las m ism as nece sidades de conservación de agua. Por ejemplo, las aves com parten con los reptiles la característica uricotélica, que ofrece las m ejores ventajas en térm inos de conservación de agua. No obstante, no todas las aves viven en entornos en los que hay escasez de agua. Los colibríes, p o r ejemplo, tienen u n a dieta m uy pobre en proteínas y alta en contenido hídrico. P roducen m uy pocos desechos de nitrógeno durante la digestión. Los colibríes y otros nectarívoros pue den gastar el agua necesaria p ara hacer un m ayor uso de la excreción de am oniaco. Sin em bargo, incluso estas aves no son verdaderam ente anim ales amoniotélicos: g ran p arte de sus desechos de nitró geno se excretan todavía en form a de acido úrico. El otro gasto de la estrategia excretora es el gasto m etabólico de la producción del propio producto excretor. El desecho de nitrógeno m ás económico es el am oniaco, que no necesita ser m etabolizado m ás adelante tras el m etabolism o de las proteínas. Tanto la u rea como el acido úrico tienen gastos m etabólicos asociados con su síntesis, y podem os calcular estos costos com parando las Figuras 11.18 y 11.19. Los gastos de la síntesis de la u rea dependen de la fuente de nitrógeno utilizada p a ra producir carbamoil fosfato. Si la glutam ina es el donante de nitró geno, entonces 1 mol de u rea tiene un costo equivalente a 4 m oles de ATP (1 mol de ATP p a ra fabricar glutam ina, 2 m oles de ATP p a ra sintetizar carbam oil fosfato y 1 mol de ATP p ara sintetizar argininosuccinato). El pirofosfato producido en la sínte sis del argininosuccinato suele estar hidrolizado y se desecha u n fosfato adicional de alta energía. E nton ces, los gastos de la síntesis de la u rea se estim an en 5 m oles de ATP p o r cada mol de urea. En com para ción con la u rea, el ácido úrico tiene un gasto de pro ducción m ayor (7 ATP) pero tam bién contiene m ás
Equilibrio iónico e hídrico 497
nitrógeno (4N). De esta form a, el ácido úrico (7 ATP; 1,75 ATP/N) es un poco m ás económico que la urea (5 ATP; 2,5 ATP/N). Sin em bargo los gránulos de ácido úrico incluyen num erosas proteínas; y estas p roteínas se pierden d urante la excreción, lo que rep re sen ta un gasto indirecto de la uricotelia.
La m o d a lid a d de excreción de n itró g e n o puede c a m b ia r con el d e sa rro llo o las co n d icio n e s am b ie ntale s Las razones por las que se p resen ta uricotelia en especies diferentes a los m am íferos no siem pre están claras, aunque suelen coincidir con un ciclo de vida o u n a situación am biental atípicos. Veamos algunos ejemplos. La producción de u rea en la m ayoría de los peces teleósteos suele ser baja y su contribución a la excre ción de nitrógeno es insignificante. Algunos peces viven la m ayor p arte de su vida como ureotélicos. Por ejemplo, la tilapia del lago Magadi vive en un agua con un pH tan alto que no puede excretar NH3po r las branquias. En m uchos peces, la difusión de NH 3 a través de las agallas se acelera cuando los protones externos ionizan NH3 p a ra form ar NH4+. A un pH externo alto, por encim a del valor de pKa p a ra el NH3, esta reacción es muy lenta y se reduce la tasa de difu sión del NH3. Estos peces presen tan un ciclo activo de ornitina-urea en el hígado, pero sorprendentem ente el músculo tam bién desem peña un papel im portante en la síntesis de la u rea en estos peces. La u rea es excretada por las b ranquias como form a prim aria de desecho de nitrógeno. Otros peces pueden adoptar la estrategia ureotélica, dependiendo de las condiciones externas. El pez pulm onado suele ser amoniotélico y excreta am o niaco en el agua circundante. Sin em bargo, cuando los niveles del agua dism inuyen, el pez pulm onado africano (P rotopterus) excava dentro del lodo y form a u n capullo m ucoso. Puesto que el anim al no puede excretar am oniaco, se deben utilizar otras vías p ara la excreción de nitrógeno. Una vez expuesto al aire, el pez pulm onado estim ula rápidam ente la expresión de las enzim as del ciclo de la u rea y de la glutam ina sintetasa, y se convierte en ureotélico. El sapo de boca blanca, Opsanus beta, tam bién puede conver tirse en ureotélico, especialm ente cuando se traslada a condiciones de hacinam iento. La u rea se alm acena en la sangre y se libera u n a o dos veces al día en b re ves descargas a través de las b ranquias tra s la in ser ción de los transportadores de la u rea en el epitelio de las agallas. No está claro po r qué la ureotelia es
498 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
ventajosa en estas especies. Puede servir p a ra red u cir el riesgo de la contam inación local del agua en un lugar en el que los anim ales están muy juntos. Ade m ás, ya que p a ra m uchos anim ales el am oniaco sirve de indicio p a ra d etectar la presa, la producción de u rea po d ría confundir a los depredadores. La pro ducción de u rea es m ás com ún en los prim eros esta dios del desarrollo en m uchas especies de anim ales am oniotélicos, incluida la tru cha arco iris. Es posible que todos los peces sean capaces de sintetizar urea, p ero las especies que producen u rea en estadio adulto, probablem ente lo hacen p a ra conservar su capacidad em brionaria.
Los peces ca rtila g in o so s producen urea en calida d de o s m o lito La m ayoría de las especies que producen u n a gran cantidad de u rea lo hacen principalm ente p a ra elimi n a r los desechos de nitrógeno. Sin em bargo, algunas especies producen u rea pero la retienen en calidad de osmolito. Por ejemplo, la concentración de u rea en el plasm a de la ra n a cancrívora se increm enta 20 veces m ás cuando la ra n a se expone a u n a salinidad alta. Puesto que las tasas de excreción de u rea no cam bian, es probable que la u rea tenga un papel im portante como osmolito. La u rea es u n osmolito im portante p a ra los peces cartilaginosos, en los que es responsable de la osm o laridad de casi la m itad de los tejidos. A niveles altos de concentración como en la sangre de los tiburones, la u re a p odría desorganizar las estructuras m acrom oleculares. Sin em bargo, estos efectos son contra rrestad o s p o r m etilam inas como el OTMA, la betaína y la sarcosina, que tam bién se acum ulan en altas concentraciones. P ara contar con solutos co n trarres tantes, los tiburones pueden m antener la concentra ción iónica inorgánicos (solutos desestabilizadores) a u n nivel bajo. Aunque la m ayoría de los peces cartila ginosos son estenohalinos, varias especies pueden to lerar h asta cierto punto el agua de m a r diluida. Cuando u n tiburón eurihalino se traslad a del agua de m a r al agua de m a r diluida, excreta u rea y algunos iones. Más de 40 especies de elasm obranquios pue den sobrevivir en agua dulce. Especies como los tibu rones toro pueden viajar desde el océano hasta lagos de agua dulce, como el lago N icaragua, y sobrevivir allí d u ran te años antes de reg re sar al m a r p ara reproducirse. En agua dulce estos tiburones pierden u n a p arte de sus osmolitos, cerca del 50% de u rea y u n 20% de N a+y Cl- y conservan todavía u n a osm ola rid ad p o r encim a de la de otros peces de agua dulce.
La pastinaca de agua dulce m antiene u n a osm olari dad casi igual a la de los condrictios excretando u rea a m edida que se produce.
I El riñón La m ayoría de los anim ales m antienen el equilibrio iónico e hídrico em pleando algún tipo de órgano interno derivado durante el desarrollo em brionario del sistem a digestivo. Múltiples tipos de células se com binan p a ra producir u n a estructura de tipo tu b u lar o túbulo a través del cual las soluciones excreta das p asan del anim al al medio externo. Los anim ales se diferencian en la form a en que se produce el líquido tu b u lar y en la form a en que se modifica antes de la excreción. En algunos anim ales, ta n sólo unos pocos túbulos sim ples son suficientes p ara generar los productos que serán excretados. Animales m ás complejos como los vertebrados, com binan los tú b u los p ara form ar el riñón, que desem peña seis papeles im portantes en la hom eostasis. 1. Equilibrio iónico. Los niveles de sodio son un deter m inante im portante de la osmolaridad del líquido extracelular. En los anim ales se observan desequili brios en los fluidos si la concentración de Na+ en la sangre es demasiado alta (hipematriemia) o dem a siado baja (hiponatriemia). El equilibrio potásico es im portante porque los cambios en la concentración de K+ pueden alterar el potencial de la m em brana en reposo, que afecta a la función de tejidos excita bles como los músculos y las neuronas. Si la concen tración de K+en la sangre es alta (hiperpotasiemia), los tejidos excitables pueden sufrir una despolariza ción espontánea que produce arritm ias cardiacas y contracciones m usculares. Si la concentración de K+ es baja (hipopotasiemia), se puede producir de bilidad muscular. El riñón tam bién puede controlar la pérdida de iones que desem peñan papeles im por tantes como micronutrientes, incluido el Ca2+, el hierro y los oligoelementos metálicos. 2. Equilibrio osmótico. Los riñones determ inan el volumen de orina producido (diuresis) y por con siguiente controlan el equilibrio hídrico. La deshi dratación se produce por un déficit en el consumo de agua o el consumo de sustancias químicas cono cidas como diuréticos, que ocasionan una pérdida excesiva de agua en la orina. Por el contrario, si no se excreta la cantidad adecuada de agua, se puede producir un a acumulación excesiva de ésta en el te jido, conocida como edema.
CAPÍTULO 11
3. Presión sanguínea. M ediante el control del volu m en sanguíneo, el riñón regula la presión sa n guínea, actuando en coordinación con los activadores cardiovasculares, como las propieda des cardiacas contráctiles y la resistencia periféri ca. El volum en de líquido extraceluiar está controlado p o r el riñón, a través de horm onas y nervios que integran las condiciones cardiovascu lares p a ra u n buen rendim iento y control cardio vascular central. La presión sanguínea alta (hipertensión) puede com prom eter la integridad de la m icrovascularización en tejidos vitales, po niendo al anim al en riesgo de infarto del m iocar dio, de apoplejía o de embolia; como el edem a puede causar hipertensión, m uchos agentes antihipertensivos son diuréticos e increm entan la pro ducción de orina. La presión sanguínea baja (hipotensión) com prom ete el rep arto de com Pirámide renal bustible hacia los tejidos con gran dem anda de energía, como el ce reb ro y los m úsculos locomotores. 4.
Equilibrio del pH. El riñón cola b o ra con el sistem a respiratorio en el control del pH de los fluidos corporales. El riñón regula el pH del líquido extraceluiar m ediante la retención o excreción de H+ o HC03~. M uchas de las vías m eta bólicas y de tran sp o rte que for m an p arte del m etabolism o del am oniaco tam bién com prom eten la producción de ácidos y bases. La producción de u rea induce el consum o de bicarbonato, que afecta tam bién la regulación del pH en todo el cuerpo.
5. Excreción. El riñ ó n d esem peña u n p ap el im p o rtan te en la ex creción de desechos de n itró g e no al igual que de o tras toxinas solubles en agua. El exceso de vitam in as solubles en agua, po r ejem plo, se ex creta p o r la orina. 6 . Producción hormonal. El riñón desem peña un papel im portante en la producción y liberación de horm onas, como la renina, que controla la presión sanguínea y la eritropoietina que regula la sínte sis de los glóbulos rojos.
Equilibrio iónico e hídrico 499
Se com enzará a estudiar el riñón, explorando la estructura y función del riñón de los m am íferos, haciendo hincapié en su papel en la regulación del equilibrio iónico e hídrico. La com prensión de la fun ción del riñón anim al es fruto de los diferentes estu dios que exam inan el papel del riñón en las enferm edades hum anas, como la hipertensión. Más adelante en este apartado se estudiarán las propie dades específicas de los riñones de otras especies.
F unción y e s tru c tu ra del riñ ó n El riñón típico de los m am íferos (Figura 11.20) tiene form a de m edia luna y p resen ta dos capas; u n a cor teza externa y u n a m édula interna. La m édula está
Cáliz mayor
Vejiga urinaria
Fig u ra 11.20.
R iñón de los m a m ífe ro s .
El riñón está com puesto por dos capas, la corteza y la m édula. A m edida que se produce la orina, ésta es recolectada por los cálices m enores, que se unen para fo r m ar el cáliz mayor. La orina pasa a través del uréter en la vejiga urinaria para el al m acenam iento y posterior evacuación por el anim al a través de la uretra.
500 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
com puesta p o r varios segm entos paralelos en form a de cono llam ados pirám ides relíales. La región interna estrecha de cada pirám ide se llam a papila. Una vez que se form a la orina, ésta p asa a u n a cavidad llam ada el cáliz menor. Múltiples cálices m eno res desem bocan en el cáliz mayor, que desem boca en los uréteres que d ren an el riñón. Los uréteres desem bocan en la vejiga urinaria donde se alm acena la orina. Con el tiem po la orina es elim inada de la vejiga a tr a vés de u n a u re tra única, proceso conocido elegantem ente como mic ción. A nivel microscópico, el riñón de los vertebrados está compuesto por múltiples repeticiones paralelas de un túblúo multicelular, llam ado nefrona (Figura 11.21). La m ayoría de las nefronas se extienden a lo largo de las dos capas del riñón. Al túbulo que está predom inantem ente en la corteza se lo llam a nefrona cortical, m ientras que al situado dentro de la m edula se lo llam a nefrona yuxtam edular. La nefrona es la unidad funcional del Fig u ra 11.21. E s tru c tu ra de la n e fro n a . riñón; filtra la sangre a m edida que La unidad funcional del riñón es la nefrona. La cápsula de Bowm an recibe el líquido ésta p asa a través de los vasos que de la sangre y lo lleva a cada una de las reglones contiguas especializadas de la ne d ren an el riñón. Cada nefrona recibe frona. Dos tipos de nefronasse distinguen por su posición dentro del riñón, (a) Las nefronas corticales están ubicadas predom inantem ente en la corteza exterior, (b) Las la sangre desde u n a arteriola única nefronasyuxtam edularesse encuentran principalm ente en la m édula interna. que form a con los capilares u n a red de vasos en form a de bola llam ada que la sangre filtrada abandona los glomérulos pasa glom érulo. Los líquidos de la sangre pasan a través p or la arteriola eferente. Esta disposición es distinta a de la p ared de los vasos glom erulares y el filtrado des un lecho capilar convencional donde el sistem a em boca en la boca del túbulo que constituye una venoso está inm ediatam ente po r debajo de los capila expansión en form a de copa que rodea el glomérulo res. La arteriola eferente produce un a contracción del (cápsula de Bowman). Los líquidos bajan por la luz m úsculo liso suficiente p a ra m an ten er un grado de del túbulo a través de regiones sucesivas especializa vasoconstricción determ inado y produce un nivel de das: túbulo proxim al, asa de Henle, túbulo distal y resistencia m ayor que el que podría presentar una túbulo colector. Más adelante en este capítulo se verá vénula. La sangre que fluye a través de la arteriola como este túbulo esencial de los m am íferos difiere del eferente, p asa po r uno de dos tipos de lechos capila de los dem ás vertebrados. Las células dentro de cada res. El lecho capilar peritubular envuelve los túbulos u n a de estas regiones tiene propiedades de tra n s colectores. Los vasa recta form an una red de capila porte características que les perm iten reabsorber res que rodea el asa de Henle. El líquido intersticial solutos específicos (reabsorción) y secretar otros (secreción) p ara producir la orina final. b añ a las nefronas y los capilares y actúa como una La organización vascular es central p a ra el fun interfase entre las nefronas y la sangre. En m uchos aspectos la nefrona funciona como intercam biador cionam iento de la nefrona (Figura 11.22). La sangre contracorriente y produce cam bios en la naturaleza en tra al riñón por la arteria renal, que se ram ifica en del líqiúdo intersticial. vasos pequeños form ando los glomérulos. Después de
C A P ÍTU LO 11
Arteriola eferente
Fig u ra 11.22.
Glomérulo
Arteriola aferente
V asos s a n g u ín e o s de la n e fro n a .
La sangre enviada al riñón por la arteria renal atraviesa las ar terias de m e n o rta m a ñ o y llega a la arteriola aferente que dre na una nefrona. La arteriola se bifurca en el glom é rulo, una red de vasos capilares en el in te rio r de la cápsula de Bow man. Tras abandonar el glom é rulo, la sangre entra en una ar teriola eferente. Las arteriolas eferentes que drenan las neuronas corticales desem bocan en los capilares peritubulares. Las arteriolas eferentes que drenan las neuronas yuxtaglom e rulares fluyen en los vasa recta.
Los cuatro procesos de la producción de orina: filtración, reabsorción, secreción y excreción, son regulados p o r h o rm onas y neurotransm isores que influyen en las propiedades cardiovasculares y la función de la nefrona. Estos controles aseguran que la com posición y liberación de la orina se ajusten perfectam ente a las necesidades fisiológicas del ani mal. Los riñones deben p rocesar volúm enes inm en sos de sangre. Aunque los riñones com prenden m enos del 1 % de la m asa corporal total, la cantidad de sangre que fluye por los riñones es m ucho m ayor que la que fluye po r los m úsculos d urante un ejercicio pesado. M ientras que el riñón puede procesar cada m inuto cuatro (4) litros de sangre por kg, un músculo en ejercicio recibe 0,5 1/kg po r minuto.
La filtra c ió n ocu rre en el g lo m é ru lo La pared de los vasos del glom érulo es un complejo filtro biológico que retiene las células sanguíneas y
E quilibrio ió nico e hídrico 501
las grandes m oléculas pero perm ite que com ponen tes líquidos de la sangre salgan a la luz de la cápsula de Bowman (Figura 11.23). Los capilares del glom é rulo como otros capilares, están revestidos en la superficie in tern a po r células endoteliales. A diferen cia de otros capilares, las paredes de los vasos son p erm eables por los poros que perm iten la salida de m oléculas de bajo peso molecular. Un Upo de células epiteliales llam adas p od ocitos cubre la superficie externa del capilar. Los podocitos tienen extensiones citoplasm áticas, llam adas p ed icelos, que ayudan a form ar la estructura p a ra la filtración. Los podocitos están pegados a la m em brana basal, que es una m atriz extracelular filam entosa producida po r las células capilares. El espacio entre el pedicelo de aproxim adam ente de 14 nm de ancho es u n a h endi d u ra de filtración. La m em brana basal fibrosa expande las hendiduras de filtración p a ra actuar como el filtro biológico de los glom érulos y excluye las células sanguíneas y las proteínas de m ayor tam año, y deja p a s a r agua, iones y m oléculas de bajo peso molecular. Las célu la s m esa n g ia les. sim ilares a las células del m úsculo liso, envuelven los capilares del glom é rulo. La contracción de las células m esangiales re s tringe el flujo de sangre hacia vasos específicos del interior de la red capilar, regulando la presión sa n guínea dentro de los glom érulos p a ra controlar la fil tración.
Cada reg ió n del tú b u lo tien e propiedades específicas de tra n s p o rte y p e rm e a b ilid a d Una vez que el filtrado se form a en el túbulo, éste recibe el nom bre de orina prim aria p a ra distinguirla de la orina final, que es la excretada. La orina prim a ria que resulta de la filtración es esencialm ente isos m ótica con respecto a la sangre, pero a m edida que p asa a través de la nefrona se m odifica pa ra producir la orina final. La transform ación del filtrado en orina final involucra u n a serie de regiones especializadas de túbulos. El filtrado en tra a la cápsula de Bowman, la en trad a a la luz de la nefrona, y a continuación fluye hacia el túbulo proxim al donde com ienza el proceso de reabsorción. Según las especies, el túbulo proxi m al puede se r un sim ple tubo recto o to m ar im cam ino intrincado; por esta razón se lo llam a a veces túbulo contorneado proxim al. Las células del túbulo proxim al tienen unas m icrovellosidades que se extienden dentro de la luz p ara increm entar el área disponible p a ra la absorción. Al igual que en otras
502 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Túbulo
Célula endotelial
Pedicelos de |os p0docitos
Arteriola aferente
Corriente sanguínea (a) Glomérulo
Capilares
mesangial (b) Capilares glomerulares (corte transversal) Fig u ra 11.23.
(c) Capilares glomerulares
(d) Filtro glomerular
G lo m é ru lo .
(a) El glom é rulo es una red de capilares que evacúan gran parte del líquido de la sangre en la cápsula de Bowm an de la nefrona. (b) Las células m esangiales entre los vasos capilares ayudan a c o n tro la r la corriente sanguínea a través del g lom é rulo. Los capila
res in dividuales están com puestos por células endoteliales conectadas de form a laxa y están cubiertos en la superficie externa por los podocitos. (c) Los podocitos presentan varios pedicelos que form an unas hendiduras de filtración , (d) Los podocitos in ter actúan con la m em brana basal para crear un filtro que retiene las células sanguíneas y proteínas volum inosas en el plasm a a la vez que perm iten el paso de líquidos a través de las hendiduras de filtración .
células p o rtad o ras, hay u n a g ran cantidad de m ito condrias. Cada célula del túbulo está intercom uni cada con la célula adyacente y se form a u n a conexión que reduce la posibilidad de que los fluidos y solutos se filtren en tre las células y salgan del túbulo. Por debajo del túbulo proxim al hay u n a estruc tu ra larga, el asa de Henle, donde se lleva a cabo la m ayor p arte de la absorción. Cada región p resen ta u n as características p ro p ias en cuanto a su p erm ea bilidad. El asa m ism a está dividida en la ram a des cendente, el asa y la ra m a ascendente. En algunas especies la ram a ascendente se diferencia en dos regiones, u n a gru esa y u n a delgada (Figura 11.24). La ram a descendente delgada es perm eable al agua (pero no al N a+ o al C1 ), m ientras que la ram a ascendente delgada es perm eable al N a+ y al Cl~ (pero no al agua). D espués de ab an d o n ar el asa de Henle, la orina p rim a ria desem boca en el túbulo dis
tal, algunas veces conocido como túbulo contornea do distal. A diferencia del túbulo proxim al, las célu las del túbulo distal tienen m em branas lum inales de estru ctu ra sim ple, con pocas m icrovellosidades. Una vez que la orina p rim a ria aban d o n a el túbulo distal, el proceso de reabsorción se h a com pletado p a ra la m ayoría de los solutos, aunque el agua y la u rea pu e den ser reabsorbidos en m uchas de las regiones del túbulo distal. La orina en tra al túbulo colector que d ren a m últiples neuronas. Los túbulos colectores fluyen paralelam ente al asa de Henle y desem bocan en el cáliz m enor. De allí la orina fluye por el cáliz m ayor y después por los uréteres. Hay diferencias considerables en los vertebrados en lo relativo a las características m orfológicas generales de la nefrona y sus estructuras asociadas. Por ejemplo, el asa de Henle, esencial p a ra producir u n a orina concen trad a, se en cuentra únicam ente en aves y m am ífe ros. Posteriorm ente en el capítulo, se analizará la
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 503
túbulo (fluido peritubular). Desde allí los solutos cruzan las paredes capila res y regresan a la sangre (Figu ra 11.25). Las m em branas apical y basolateral son obstáculos que deben Na+ Ca¿ ir * ' Na+ ser salvados si el soluto va a ser re a b Na+ K+ cr ñ K+ c icisorbido. Las m oléculas perm eables a Ca2+ H20 Ca2+ las dos capas pueden reg re sar a la HCO3h c o 3sangre por difusión pasiva. Sin H20 H+ ■Na+ Glucosa Urea em bargo, m uchas m oléculas reg re ciAminoácidos H20 K+ san a la sangre m ediante un a com bi Vitaminas Mg2~ nación de tran sp o rte activo y difusión Urea Ca24 t h k+ facilitada. Colina H+ Cada zona de la nefrona posee nh4 Rama — un grupo de p o rtad o res que em plea descendente en conjunto p a ra tra n sp o rta r los Asa de Henle solutos vitales desde la luz, a través de la capa celular del túbulo, h asta la Fig u ra 11.24. T ra n s p o rte de a g u a y s o lu to s en c a d a re g ió n de la n e fro n a . sangre. Al h a c e r un análisis del Cada región de la nefrona tiene portadores específicos que pueden reabsorber o tra n sp o rte de N a+ y glucosa, se secretar moléculas. observa que las concentraciones de N a+ y glucosa en la orina p rim a ria no difieren de las de la sangre, po r lo que el reto im portancia de la variación estructural con relación consiste en re c u p e ra r estos solutos en ausencia de a la función renal. gradientes de concentración favorables. La fuerza im pulsora m ás im p o rtan te p a ra el tra n sp o rte es la La o rina p rim a ria se m o d ifica m ediante Na+/K+ ATPasa que se en cu en tra en la m em b ran a la reabsorción y la secreción basolateral. Cuando el N a+ es bom beado fuera de la célula hacia el in terio r del líquido extracelular, las La orina p rim aria se produce cuando los fluidos de la células de la n efrona crean un gradiente electroquí sangre son em pujados a través del glomérulo. Se m ico interno de N a+ favorable en el lado apical que necesita aproxim adam ente u n a h o ra p a ra que el puede se r utilizado p a ra conducir la absorción de volum en del fluido equivalente al volum en total del N a+ y de glucosa unida a N a+. El Na+ puede p a s a r a plasm a pase por este filtro biológico, lo que significa través de las células tu b u lares por m edio de un que cada h o ra u n ser hum ano medio produce 7,5 canal de N a+, un in tercam b iad o r N a+-H+ o por otros litros de orina prim aria, pero puede producir sola grupos p o rtad o res que acoplan la e n tra d a de m o m ente 75 m i de orina final. La m ayor p arte del agua léculas orgánicas y N a+. Uno de estos p o rtad o res es que en tra en la cápsula de Bowm an se recupera m ás el co tran sp o rtad o r N a+-glucosa, que p erm ite la tard e en el túbulo como resultado del proceso de reabsorción. Este m ism o proceso de reabsorción e n tra d a de glucosa en la célula desde la luz. La con centración de glucosa en el in terio r de las células sirve p a ra recu p erar la m ayoría de las sales que a p a crea un gradiente químico externo favorable p a ra la recen en la orina p rim aria. glucosa; la glucosa p erm easa perm ite que la glucosa G ran p arte de las m oléculas vitales que se p re p ase al in terio r del líquido p e ritu b u la r intersticial sen tan en la orina p rim aria son reabsorbidas por la m ediante difusión facilitada. Cada proceso de nefrona antes de la excreción. Por ejemplo, virtual tra n sp o rte requiere energía, ya sea en form a de m ente todo el Na+ y la glucosa que en tran a la ATP usado por los p o rtad o res activos prim ario s (por nefrona se reab so rb en y regresan a la sangre. La vía ejem plo, la N a+/K + ATPasa) o de gradientes elec de la luz a la sangre p asa a través de num erosas troquím icos em pleados po r p o rtad o res activos se m em b ran as y com partim entos. Un soluto debe p asar cundarios (por ejem plo, el co tran sp o rtad o r N a+ p o r la m em b ran a apical de las células que bordean la glucosa). luz de la nefrona. Los solutos entonces pasan a través Como en m uchos portadores activos, la cinética de la célula y la ab an d o n an cruzando la m em brana de la m aquinaria de tran sp o rte puede llegar a satubasolateral y en tran al líquido intersticial que b añ a el Túbulo proximal
Fluido tubular
- I - Túbulo colector
504 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
la orina prim aria p resen ta tam bién un a concentración elevada de glu cosa. A p esar de los portadores acti vos de glucosa, el riñón no puede reabsorberla toda y p arte de ella se elim ina en la orina (glucosuria). Los solutos capaces de cruzar librem ente la m em brana plasm ática pueden recuperarse m ediante difu sión pasiva. Puesto que su concentra ción en la orina prim aria es sim ilar a la de la sangre, la difusión pasiva puede ten er lugar solam ente cuando los gradientes favorables se originan (a) Reabsorción de sodio en el túbulo proximal a través de otros procesos de tra n s porte. Cuando el N a+ y otros solutos Célula epitelial del túbulo distal se reab so rb en en el túbulo, se pro duce una reducción de la osm olaridad y se crea un gradiente osmótico entre el fluido del túbulo y el líquido extracelular. Esto origina una fuerza im pulsora p a ra el movimiento de agua hacia fuera de la luz y su retom o al líquido extracelular. Al presentarse im a reducción de volum en en el túbulo, se increm enta el gradiente de concentración p ara otros solutos que perm anecen en la luz; aquellos que presen tan u n a perm eabilidad signifi (b) Reabsorción de sodio en el túbulo distal cativa pueden reg re sar a la sangre m ediante difusión pasiva. Fig u ra 11.25. R e a b s o rc ió n de io n e s en e l tú b u lo . Aunque el aparato de filtración es Un conjunto de portadores específicos elim inan los solutos de la luz durante el capaz de excluir proteínas de alto proceso de reabsorción. El tú b u lo proxim al y el tú b u lo distal están especializados peso molecular, algunas proteínas de para recuperar diferentes solutos, (a) El tú b u lo proxim al recupera m oléculas orgá nicas com o la glucosa utilizando contransportadores unidos a Na+, indicado m enor tam año pueden p a s a r a la com o un cotransporte unidireccional Na+-X (donde la X es un soluto orgánico, orina prim aria. E stas proteínas com o la glucosa). Esta región tam b ién reabsorbe Na+ m ediante el em pleo de un pequeñas pueden recuperarse a p a r intercam bia dor Na+-H. Una vez en el citoplasm a, los solutos son llevados al exte tir de la orina por transcitosis. Se rio r a través de la m em brana basolateral por portadores específicos, (b) El tú b u lo distal transporta m enos solutos em pleando diferentes transportadores. El Na+ y produce u n a form ación de vesículas el Cl- son reabsorbidos utilizando el cotra nsportad or de Na+- Cl- . El N a+ es ta m endocíticas en la m em brana apical de bién llevado a la célula m ediante un canal de Na+. Tanto en el tú b u lo proxim al las células tubulares y u n a acum ula com o en el distal, los iones Cl- siguen los de m ovim ie n to s de Na+ y fluyen entre ción de proteínas localizadas cerca de las células por m edio del tran sporte paracelular. la superficie celular. Las vesículas pueden p asar a lisosom as por degra dación o reorganizarse en vesículas secretoras que ra rse con niveles altos de sustratos (Figura 11.26). A se exocitan a través de la m em brana basolateral al esta capacidad p a ra recu p erar los solutos se la líquido peritubular. conoce como um bral renal. Si la cantidad de su stan A dem ás de estas vías de reabsorción, la n a tu ra cia que debe recu p erarse excede a la capacidad de la leza quím ica de la orina puede m odificarse posterior m aq u in aria de tran sp o rte, algunas de estas sustan m ente m ediante la secreción. La secreción se cias se elim inarán por la orina. En la diabetes tipo I, asem eja a la reabsorción en el sentido de que em plea los niveles de glucosa en sangre pueden ser m uy ele portadores que se encuentran en las células circunvados. Cuando la sangre es filtrada por el glomérulo, Membrana
Célula epitelial
Membrana
Célula endotelial
C A P ÍTU LO 11
Fig u ra 11.26.
U m b ra l re n a l.
La reabsorción depende de la actividad de portadores con una capacidad m áxim a lim itada. Los solutos se desplazan desde el plasm a hasta el líquido del tú b u lo cuando la sangre pasa a través del g lom é rulo. Si un soluto está presente a ba jas concentraciones en el plasma (y por consiguiente en el flu id o del túbulo), to d o el soluto se puede recuperar durante la absorción. Como la concentración de soluto se increm enta en el plasma, se hace más difícil recuperar to d o el soluto del líquido del túbulo. Cuando la concentración en el plasma es tan alta que el tú b u lo no puede reabsorber to d o el soluto, aparece un poco en la orina. En concentraciones aún más ele vadas, la concentración del soluto en la orina increm enta drásticam ente.
d antes a la luz. Sin em bargo el proceso trab aja en la dirección opuesta, con u n a transferencia de solutos desde la sangre, p o r el líquido peritubular y a través de las células h asta el interior de la luz del túbulo. Los productos secretados m ás im portantes son el K+, el NH4+ y el H+. Muchos productos de desecho solu bles en agua son tam bién secretados en el interior del túbulo, incluidos los fárm acos y las vitam inas solubles en agua. Como otros procesos de transporte, la secreción depende de p roteínas de tran sp o rte y del sum inistro de energía.
El asa de Henle y el tú b u lo c o le cto r actúan co m o m u ltip lic a d o re s de co n tra co rrie n te La función de cad a región del túbulo depende de la localización de ésta respecto a otras p a rte s de la nefrona, así como de la organización de los vasos sanguíneos que se ocupan del riñón. La yuxtaposi ción de las regiones específicas del túbulo y la dis posición a co n traco rrien te de los túbulos p erm iten al riñ ó n c rear grad ien tes osm óticos, que facilitan los procesos de tran sp o rte. La disposición del asa de
E quilibrio ió nico e hídrico 505
Henle y el túbulo colector ayuda a c rear un g ra diente osmótico que se origina m ediante un m ulti plicador de co n tracorriente (véase la Caja 11.3). El líquido del túbulo proxim al p asa p o r la ra m a d es cendente del asa de Henle, donde el agua sale de la luz, p asa po r las células de la nefrona y en tra en el líquido intersticial. Las células de la ra m a descen dente poseen acu ap u rin as que perm iten a las m olé culas de agua cru zar la m em b ran a plasm ática. El agua sale de la luz del túbulo porque el líquido intersticial de la m édula, que b a ñ a la ra m a descen dente, p re se n ta un a osm olaridad elevada. A m edida que el agua sale del túbulo, la o rina p rim a ria se vuelve m ás co ncentrada y así e n tra a la ra m a ascen dente del asa de Henle. U na vez que el líquido alcanza la ra m a ascendente éste se m odifica m ás aún. Las células tubulares de la ra m a ascendente carecen de acuapurinas; esta región es im p erm ea ble al agua pero tra n sp o rta iones de form a activa. El desplazam iento de N a+, K+ y Cl~ desde el líquido de la luz reduce la osm olaridad de la orina p rim a ria e in crem en ta la osm olaridad del líquido intersticial de la m édula. Estos procesos de tra n sp o rte d ependen de la presen c ia de p o rtad o res específicos y de la d iferen cia osm ótica entre la m édula y el túbulo. Los g ra dientes osm óticos son de hecho m ás com plejos de como se h an expuesto. A unque el líquido intersticial p resen te en to d a la m édula tiene u n a osm olaridad m ás alta que la sangre, existe un gradiente osm ó tico dentro de la m ism a m édula: m ás bajo cerca de la corteza y m ás alto en el in terio r de la m édula. A continuación, se an alizará la disposición del asa de Henle dentro de este gradiente. Cuando la ram a descendente p asa de la corteza a la m édula, el líquido intersticial que en cu en tra a su paso p r e se n ta u n increm ento progresivo de la osm olaridad (Figura 11.27). A m edida que la orina p rim a ria baja p o r la ra m a descendente, ésta se hace m ás concen tra d a , pero debido a que el líquido intersticial de la m édula tam b ién está m ás concentrado, el gradiente p a ra el desplazam iento del agua p erm anece. Del m ism o m odo, a m edida que el asa ascendente ab an d o n a la m édula y re g re sa a la corteza, deja un á re a de osm olaridad elevada y e n tra pro g resiv a m ente a u n a de baja osm olaridad. Puesto que los m ovim ientos iónicos en la ra m a ascendente ta m bién dism inuyen la osm olaridad de la o rina p rim a ria, este gradiente osm ótico del in terio r de la m édula g aran tiza que se m an ten g a un gradiente favorable p a ra la e n trad a de iones a lo largo de la ra m a ascendente.
506 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 11.3 F u n d a m e n t o s m a t e m á t ic o s S is t e m a s d e c o n tra c o r rie n te M uchos procesos fisiológicos dependen
Los m ultiplicadores contracorriente son com o los inter
de sistem as contracorriente, una unión de
cam biadores en m uchos aspectos, salvo en que se
características estructurales y funcionales que mejoran la
requiere de un transporte específico de proteínas para
eficacia de los procesos de intercam bio. Im aginem os una
transportar las sustancias entre las regiones distal y pro
situación en la que un tubo drena un tanque de agua
xim al. El asa de Henle form a parte de un m ultiplicador
caliente. A medida que el agua fluye a través del tubo, el
contracorriente. Los gradientes in ternos de la médula
calor se disipa en el am biente, que en este ejem plo es el
dependen del transporte activo de iones y de la transferen
aire. En algún punto a lo largo del tubo (si es lo suficiente
cia de agua resultante. Como el m ultiplicador contraco
m ente largo) el agua alcanzará la tem peratura am biente.
rriente requiere de transportadores, éste necesita energía
Sin em bargo, el tubo se puede organizar de otro m odo para
m etabólica para crear y m antener el gradiente. Si el fluido
reducir la cantidad de perdida de calor. Imagínese lo que
cesa o el bom beo de iones se reduce, el gradiente puede
podría pasar con el calor si doblam os el tubo de manera que
caer. La eficacia del m ultiplicador contracorriente tam bién
queden alineadas la parte superior (distal) y la parte inferior
depende de la rama proxim al y distal del sistem a que
(proximal) para form ar una estructura en form a de horquilla.
genera el gradiente.
El agua de un segm ento correría en dirección opuesta a la del otro segm ento. Con esta disposición, se recuperaría el calor perdido en el segm ento proxim al. En vez de form arse un gradiente diferente para cada segm ento se form aría un gradiente térm ico para todo el circuito de horquilla, más frío donde la estructura se dobla y más caliente en la parte superior. Ésta es la base de un sistem a de contracorriente. Cuanto más largo es el circuito en form a de horquilla, más gradientes se pueden form ar. Algunos investigadores plan tean dos tipos diferentes de sistem as de contracorriente: los intercam biadores y los m ultiplicadores. Los in tercam biadores contracorriente tran sfiere n ele m entos entre las corrientes de entrada y salida m ediante procesos pasivos únicam ente. El in tercam biador de calor contracorriente citado a n teriorm ente es un ejem p lo de este tipo; no necesita de un portador específico ni de una vía que intervenga en la transferencia del ele m e n to (calor) y el gradiente se debe a una configuración física del bom beo. La eficacia de este sistem a depende del volum en que fluya por los tubos y del conjunto de gradientes a lo largo del circuito en form a de horquilla. En el Capítulo 14 se analizarán varios tip o s de sistem as intercam biadores de calor en contracorriente de im portancia en la biología térm ica.
El gradiente osmótico del líquido intersticial de la m édula, fundam ental p ara el funcionam iento del asa de Henle, se m antiene gracias a u n a re d de capilares llam ados vasa recta (Figura 11.22). La sangre de estos capilares fluye en dirección opuesta al despla zam iento de los líquidos en el asa y en tra en los vasa recta cerca de la ram a ascendente del asa de Henle.
Sin intercambio en contracorriente
Con intercambio en contracorriente
Los iones son bom beados al exterior de la ram a ascendente y se desplazan hacia la sangre a favor de un gradiente de concentración. Cuando la sangre alcanza el fondo de los vasa recta tiene u n a alta con centración iónica. A m edida que la sangre con nive les altos de osm olaridad fluye a través de los vasa y deja atrá s la ram a descendente, el agua p asa de la
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 507
La m icción es regulada p o r m ed io de reflejos y vías sup eriores La excreción es el producto final del procesam iento renal de la orina prim aria. En el caso de cualquier sustancia específica, la cantidad - Corteza excretada es igual a la cantidad de fil trado prim ario, m ás la cantidad secretada, m enos la cantidad re a b sorbida. Una vez que la orina sale del riñón, ésta entra en la vejiga p ara su alm acenam iento. La vejiga es un saco hueco, con una capacidad de 500 m i aproxim adam ente en los hum anos. La orina sale de la vejiga - Médula por la uretra. Unos esfínteres de m úsculo liso controlan la salida de la orina desde la vejiga h asta la uretra. La a p ertu ra y cierre del esfínter están controlados por un arco reflejo de la m édula espinal y pueden verse influi dos por controles voluntarios e invo luntarios. La pared de la vejiga tiene Asa de Henle receptores de distensión que se acti van cuando la pared se distiende, lo Fig u ra 11.27. G ra d ie n te s o s m ó tic o s en e l líq u id o in te r s t ic ia l de la m é d u la . que activa im a señal por medio de El asa de Henle pasa a través de varios gradientes osm óticos al in te rio r de la m édu la. La osm olaridad es más baja cerca del borde de la corteza e increm enta a m edida neuronas sensoriales hasta la médula que entra en el riñón. espinal, lo que a su vez estim ula las neuronas parasim páticas que desen cadenan la contracción del músculo liso de las p a re nefrona al to rren te sanguíneo. Los vasa recta son de des de la vejiga. Esto increm enta la presión sobre el vital im portancia p a ra m antener u n a osm olaridad contenido de la vejiga. Al mismo tiempo, hay una elevada en la m édula ren al porque elim inan el agua inhibición de las neuronas m otoras som áticas que de la m édula y m antienen la fuerza im pulsora del inducen el cierre de los esfínteres. Cuando el equili movim iento hídrico. Como resultado del sistem a de brio de los controles de tipo estim ulador e inhibidor contracorriente y el tran sp o rte activo de Na+ y Cl- al exceden el um bral, el esfínter se abre y la orina sale. exterior de la ram a ascendente gruesa, el líquido que sale del asa de Henle siem pre presenta una osm olari dad m ás baja que la sangre. La com posición final de la orina depende de las propiedades portadoras de las regiones contiguas al asa de Henle. La perm eabi lidad al agua en el túbulo distal y en el túbulo colector puede ser regulada. Si estas regiones son im perm ea bles al agua, la orina final se m an ten d rá diluida. Sin em bargo, si los túbulos son perm eables al agua, el agua puede desplazarse al interior de la m édula m ediante osm osis y la orina final se volverá m ás con centrada. La perm eabilidad al agua depende en gran p arte de las horm onas que regiúan la síntesis y la dis tribución de acu ap u rin as en las células del túbulo distal y el túbulo colector.
Control de la función renal Las horm onas endocrinas desem peñan un papel im portante en la regulación osm ótica y el equilibrio iónico en el riñón de los mam íferos. Los diuréticos estim ulan la eliminación de agua y los antidiuréticos reducen esta eliminación. Varias horm onas y otros reguladores de la fimción renal actúan sobre el sis tem a cardiovascular y a la vez sobre el túbulo del riñón p a ra alterar la naturaleza de la orina. Los este roides que afectan el equilibrio iónico e hídrico (mineralocorticosteroides) actúan durante un tiempo
508 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
prolongado p a ra alterar los niveles de portadores. Las horm onas peptídicas liberadas desde el eje hipotálam o-hipofisario actúan con m ayor rapidez.
Arteriola
Cápsula de Bowman
La presión de la filtra c ió n g lo m e ru la r se ve afectada p o r la presión hidro stá tica y oncótica La regulación de la función ren al com ienza con el proceso de filtración en el glomérulo, se ve afectado tanto p o r el áre a de superficie disponible p a ra la fil tración como por la p resión de los gradientes a través del filtro. La ta sa de filtración glom eru lar (GFR) es la cantidad de filtrado producido po r m inuto (;véase la Caja 11.4). La TGF esta principalm ente bajo el control de factores que influyen en la presión neta de filtración glom erular, es decir, el equilibrio de las fuerzas que actúan sobre los líquidos a am bos lados del filtro. Tres fuerzas principales determ inan la presión n eta de filtración glom erular: la presión hidrostática capilar glomerular, la presión hidrostática de la cáp sula de Bowm an y la p resión oncótica n eta (Figu r a 11.28). Comencemos el análisis de estas fuerzas haciendo u n a analogía sobre la naturaleza de la p re sión hidrostática en los capilares de los glomérulos. Im agínese u n a m anguera de jard ín conectada a una llave estándar. En la m itad de la m anguera, un a sec ción se h a perforado y m iles de pequeños orificios actúan como u n filtro que perm ite que el agua salga de la m anguera. En esta analogía, la llave es el cora zón, la prim era sección de la m anguera es la arteria ren al que alim enta el riñón, la p arte perforada es el glom érulo y la últim a p arte de la m anguera es la arte ria eferente. A hora analicem os qué sucede con el flujo medio a través de la p arte perforada de m an g uera (GFR) cuando el sistem a se altera. Cuando se cierra parcialm ente la llave (el gasto cardiaco es m ás bajo), h a b rá u n a dism inución del volum en de agua de fuga. Del m ism o modo, si se presiona la parte an terio r a la región p erfo rad a (la presión sanguínea sistém ica es m ás baja), h a b rá u n a dism inución en la p resión h idrostática de la p arte anterior y se saldrá m enos agua a través del filtro. Si se hace lo contrario, es decir, si se contrae la m an g uera en la p arte poste rio r región perforada (vasoconstricción), el incre m ento en la presión hidrostática en la p arte anterior p roducirá un m ayor desplazam iento de agua a través del filtro. Por consiguiente, el proceso de filtración depende del gasto cardiaco, de la presión sanguínea sistém ica y de la vasoconstricción de las arterias efe rentes. Cerca de u n 20% de los líquidos en el interior
Glomérulo Fig u ra 11.28.
Intersticio
Cápsula de Bowman
P re s io n e s de filtr a c ió n g lo m e ru la r.
La presión total en el m o v im ie n to de líquidos es la diferencia entre las presiones interna y externa. La diferencia entre la presión arterial media y la presión hidrostática de la luz favo rece el desplazam iento dentro de ésta. El gradiente de pre sión oncótica, debido a las proteínas que perm anecen en el plasma, se opone al m o v im ie n to dentro de la luz.
de las arterias eferentes se ve obligado a desplazarse a través del filtro al nivel del glomérulo, porque la arteria eferente presenta por lo general bastante va soconstricción. En la analogía anterior, el agua salía al entorno en la parte perforada de la m anguera y no había una p re sión que se opusiera al libre desplazamiento del agua a través de las perforaciones de ésta. En el túbulo, el fil trado glom erular no sale al exterior, sino al líquido intersticial que b aña el túbulo. Este líquido tiene su propia presión hidrostática. En un riñón típico de mamífero, la presión hidrostática del líquido intersti cial es de aproxim adam ente 15 m m Hg. Como la pre sión hidrostática capilar glom erular es de 60 m m Hg, se presenta un gradiente de presión hidrostática de 45 m m Hg que im pulsa el líquido a través del filtro. Las proteínas retenidas a un lado de la b a rre ra sem iperm eable tienen efectos osmóticos. La presión osm ótica que se origina como consecuencia del gra-
C A P ÍTU LO 11
E quilibrio ió nico e hídrico 509
Caja 11.4 M étodos y sistem as de modelos M edición de la tasa de filtración glom erular
La porosidad del filtro biológico glom erular asegura que virtualm ente todas las m olécu las de bajo peso m olecular transportadas por la sangre (<5000 dalton) que entran en el glom érulo pasarán com o filtrado al interior de la luz del túbulo. M uchas de estas m oléculas son reabsorbidas desde la luz y otras tantas son secretadas en la luz por las células tubulares. El cálculo del volum en de líquido filtrado en el glom érulo por unidad de tiem po, la tasa de filtración glom erular o GFR, es central para la com prensión de la función del riñón. Com encem os nuestro análisis sobre cóm o calcular la GFR considerando el destino de una molécula que no es ni absorbida ni secretada. Una de estas moléculas es la inulina un carbohidrato de bajo peso m olecular que no se encuentra norm alm ente en la sangre. Si un fisiólogo inyecta inulina en la sangre, ésta se distribuirá rápidamente y de manera equi tativa en toda la sangre. Cuando la sangre pasa por el glo mérulo del riñón, la inulina pasará a través del filtro con otros constituyentes del plasma y entrará en la luz de la cápsula de Bowm an. En los fluidos de la luz, la concentración de inulina será inicialm ente igual a la de la sangre. Pero com o no se absorbe y tam poco se secreta, la cantidad de inulina en la orina después de un periodo de tiem po será igual a la filtrada en ese m ism o periodo de tiem po. Por supuesto, la concen tración de inulina en la orina cambiará según la cantidad de agua que entra o sale del túbulo, pero esto no es im portante; lo que interesa es el núm ero total de moléculas de inulina en la orina final en un periodo de tiem po determ inado que se requieren para calcular la GFR. Sin reabsorción ni secreción, la cantidad de inulina en la orina es igual a la cantidad de inulina que sale del plasma. A partir de esta igualdad, pode m os calcular la GFR en función de determ inados valores m edidos. En prim er lugar, la cantidad de inulina en la orina (expresada por unidad de tiem po) es el producto del volu m en de la orina por m inuto (V, en m l/m in) y la concentración de inulina en la orina (U, en mol/ml). Cantidad de inulina en la orina por m inuto = V x U De m ism o modo, la cantidad de inulina eliminada del plasma es el producto de la concentración de inulina en el plasma (P, m ol/ml) y la tasa de filtración glomerular (GFR ml/min). Cantidad de inulina removida de la sangre = GFR x P La cantidad de inulina en la orina (VU) es igual a la cantidad de inulina eliminada de la sangre (GFR x P): VU = GFR x P Al despejar GFR, se obtiene GFR = VU/P La GFR se puede obtener a partir del producto del volum en de orina, la concentración de inulina en la orina y la concen tración en plasma.
En el laboratorio, es conveniente usar inulina, pero esto m ism o puede ser aplicado clínicam ente para valorar la fun ción renal. La GFR es un parám etro em pírico válido que se cum ple para todas las m oléculas de bajo peso molecular; ésta es una propiedad del riñón en condiciones específicas de volum en sanguíneo y presión sanguínea. La GFR medida de esta form a puede utilizarse para explorar la form a en que el riñón maneja otro tipo de moléculas. La depuración renal es un parám etro que refleja la canti dad de soluto que pasa del plasma a la orina en un periodo determ inado. Es sensible a la GFR y a las tasas de reabsor ción y secreción. Para una molécula com o la inulina la depu ración renal es igual a la GFR, pero cuando la absorción y secreción tienen lugar, la depuración renal puede ser m ayor o m enor que la GFR. Las diferencias entre la depuración renal (C) y la GFR reflejan el estado funcional de los riñones. O bservem os los siguientes ejemplos, basándonos en un riñón para el que un experim ento con inulina dio indicios de una GFR equivalente a 120 mi de plasma filtrado por minuto. Si un soluto está presente en el plasma (P) a una con centración de 0,1 prnol/m l, y en la orina (U) a una concen tración de 12 |im o l/m l, y se produce un volum en de filtrado (V) de 1 m i por m inuto, entonces C = V U /P = 120 m l/m in En este caso la depuración renal es igual a la GFR, lo que sugiere que el soluto se com porta com o la inulina, se pro duce una filtración altam ente eficaz y hay poca reabsorción y secreción. Este tipo de resultado puede esperarse con la creatinina, que aparece en la sangre com o un producto de la descom posición de la creatina muscular. De hecho, para calcular la GFR en los pacientes, los m édicos em plean el cálculo de la depuración de la creatinina al igual que los investigadores em plean la inulina experim entalm ente. Los m édicos le piden al paciente que recoja la orina durante 24 horas, y entonces se m iden los niveles m edios de creati nina en la orina y en el plasma durante este periodo. Si el experim ento se repitiera con otro soluto y el cálculo de la depuración diera com o resultado unos valores aproxima dos de 12 ml/min, implicaría que la depuración constituía sólo el 10% de la GFR. Esto sugeriría una de las hipótesis siguien tes. En prim er lugar, es posible que los glomérulos hayan fil trado m uy poco soluto; quizás era de un tamaño demasiado grande (una proteína, por ejemplo), o tal vez se unió a una pro teína (un esteroide, por ejemplo). En segundo lugar, es po sible que el soluto haya sido reabsorbido del túbulo y se produjera una reducción en la concentración en la orina. Si se hiciera otro experim ento centrando la atención en otro soluto y el cálculo de la depuración renal fuese de 240 ml/min, se podría observar que aparecería en la orina más soluto de lo que podría atribuirse sim plem ente a la filtración no selectiva. Por tanto, la excreción de este soluto pudo haberse incrementado por la secreción de las células del túbulo.
O SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
diente de concentración de proteínas es conocida como p resión oncótica. Como el filtrado al nivel del glom érulo perm ite el desplazam iento de líquidos y pequeños solutos pero evita el desplazam iento de proteínas, se form a un gradiente de presión osmótica residual debido a las proteínas que perm anecen en la sangre. Dado que la concentración de proteínas es m ás alta en los capilares que en la cápsula de Bow m an, los fluidos tienden a reg re sar a los capilares. La p resión oncótica es de aproxim adam ente 30 m m Hg, co n traria a la filtración. En u n típico riñón de m am í fero, la presión de filtración glom erular neta es de 15 m m Hg (60 m m Hg - 15 m m Hg - 30 m m Hg).
R eguladores intrínsecos y extrínsecos co n tro la n la GFR El riñón m antiene su función dentro de un m argen de niveles de p resión sanguínea, usando múltiples vías de control que incorporan señales estructurales y quím icas. Las tres vías intrínsecas involucradas en el m antenim iento de la función ren al a p esar del cam bio de la p resión sanguínea son: la regulación m iogénica, la retroalim entación tubuloglom erular y el control mesangial. Las células vasculares del músculo liso interpre tan y responden a los cam bios en la presión sanguínea p a ra m antener la GFR, u n tipo de regulación autocrina. Un increm ento en la presión arterial sistémica tendería a producir un increm ento de la GFR si no fuera por un bucle de retroalim entación negativa que reduce la presión sanguínea en el glomérulo p ara evi ta r un increm ento inadaptado de la GFR. Al increm en tarse la presión sanguínea se increm enta el volumen sanguíneo en los pequeños vasos sanguíneos aferen tes y se produce im a distensión de las células del m ús culo liso de la pared vascular. La deformación del citoesqueleto y de la m em brana plasm ática activan los canales iónicos sensibles a la distensión, lo que da como resultado la despolarización de la m em brana plasm ática de las células del músculo liso. Esta despo larización estim ula el aparato contráctil, con el consi guiente increm ento de la tensión y la presencia de vasoconstricción. La disminución resultante de la co m en te sanguínea en los vasos aferentes produce u n a dism inución de la presión hidrostática y un retorno de la GFR a sus niveles básicos. El mismo sis tem a responde a la inversa cuando la presión sanguí n ea arterial disminuye. El músculo liso se relaja, se produce u n a vasodilatación y el increm ento de la co m en te sanguínea aum enta la presión hidrostática, por lo que la GFR regresa a su valor inicial.
La retroalim entación tubuloglom erular regula la TFG m ediante la alteración de la resistencia arterio lar. Los cam bios en el flujo de los líquidos a través del túbulo ejercen u n a retroalim entación negativa sobre la arteriola. En la retroalim entación tubuloglom eru lar, las células de la región distal del túbulo, llam ada mácula densa, se ponen en contacto con las células yuxtaglom erulares especializadas de las p aredes de las arteriolas aferentes (Figura 11.29). Cuando se increm enta el flujo a través del túbulo distal, las célu las del túbulo envían una señal a la arteriola aferente y se produce vasoconstricción, un a dism inución de la presión hidrostática y de la GFR. No se sabe con cer teza todavía qué horm onas facilitan esta com unica ción p aracrina. El control intrínseco de la GFR está sintetizado en la Figura 11.30. El control m esangial cam bia por sí m ism o el ap a rato de filtración. Cuando los vasos sanguíneos se dilatan en resp u esta al increm ento de la presión arte rial, las células m esangiales de los vasos sanguíneos tam bién se distienden. Puesto que las células contro lan la dim ensión del filtro m ismo, su distensión increm enta la perm eabilidad del filtro y por consi guiente se increm enta la GFR m ediante un m eca nism o independiente de los efectos de los vasos. Las tres vías intrínsecas, la regulación miogénica, la retroalimentación tubuloglom erular y el control mesangial, actúan como bucles de retroalimentación negativa dentro de un m argen relativam ente estrecho de niveles de presión sanguínea. Cuando la presión sanguínea se increm enta o disminuye de form a m ás significativa, como en estados de hem orragia o deshidratación, se necesitan otros m ecanismos reguladores. Los principales efectores son los barorreceptores, los reflejos que son parte del sistem a nervioso simpático. Una disminución im portante de la presión arterial m edia induce a que estas neuronas simpáticas se acti ven y produzcan una vasoconstricción de los vasos afe rentes y eferentes. Con la consecuente reducción de la GFR, el cuerpo conserva m ás agua e increm enta el volumen sanguíneo. La disminución de la circulación renal tam bién contribuye a increm entar la resistencia periférica, con el consiguiente increm ento de la presión arterial media (MAP)4. Además del control neuronal simpático, varias horm onas endocrinas contribuyen al
MAP es un acrónimo común con diferentes significados. MAP hace referencia a la presión arterial media por sus siglas en in glés {Mean A rteria l Pressure). También se refiere a las proteí nas asociadas al microtúbulo o proteincinasas activadas por mitógenos (MAP cinasas).
4
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Cápsula de Bowman Arteriola eferente
Aparato yuxtaglomerular
Capilar glomerular Luz de la — cápsula de Bowman
Túbulo proximal
Túbulo distal Arteriola aferente"
E quilibrio ió nico e hídrico 511
Arteriola eferente
Túbulo distal Máculadensa Dirección de la corriente sanguínea \ s
Asa de Henle Arteriola aferente Células yuxtaglomerulares Fig u re 11.29.
La m á c u la d e n sa y e l a p a ra to y u x ta g lo m e ru la r.
control de la com ente sanguínea y de la GFR. Por ejem plo la angiotensina II es un potente vasoconstrictor que disminuye la GFR y las prostaglandinas son potentes vasodilatadores que increm entan la GFR.
La vaso pre sina altera la p e rm e a b ilid a d del tú b u lo co le cto r La vaso p resin a , conocida tam bién como la horm ona antidiurética o ADH, es la principal horm ona resp o n sable de la recuperación de agua del túbulo. Una vez que esta horm ona peptídica se produce en los cuer pos celulares de las n eu ro n as del hipotálam o, baja p o r las n eu ro n as h asta la hipófisis donde se libera en la circulación. Los niveles altos de vasopresina increm entan la reabsorción de agua p o r p arte del túbulo colector. Aunque se reabsorbe tam bién en el túbulo proxim al y en el asa de Henle, el túbulo colector es el sitio princi pal de regulación horm onal de en trad a de agua. La vasopresina altera la en trad a de agua m ediante la influencia sobre el núm ero de acuapurinas en la m em b ran a apical de las células principales del túbulo colector (Figura 11.31a). Cuando la horm ona se une a su receptor unido a la proteína G en la m em brana plasm ática, activa la vía señalizadora por medio del AMPc y la proteincinasa p ara desplazar a la m em b ra n a apical las vesículas que contienen acuapurinas preform adas. El proceso es sim ilar a la form a en que
se envían las vesículas sinápticas a la m em brana sináptica de las neuronas, en respuesta a la estim ula ción neuronal. Una vez que los niveles de vasopresina bajan, la vía se invierte y las acuapurinas se elim inan de la m em brana m ediante endocitosis. La vasopresina es secretada por un a vía compleja que involucra reguladores positivos y negativos. Cuando la osm olaridad del plasm a se increm enta, los osm orreceptores del hipotálam o responden m ediante la estim ulación de la neurohipófisis p a ra secretar m ás vasopresina. Los receptores de distensión en las aurículas del corazón y los barorreceptores de los cuerpos carotídeo y aórtico tam bién estim ulan a la hipófisis. Cuando la presión sanguínea se incre m enta, estos receptores se activan y envían impulsos a través de las neuronas que term inan en el centro de control cardiovascular en el bulbo raquídeo. Este cen tro envía una señal a las neuronas hipotalám icas para que inhiban la secreción de vasopresina.
La a ldo ste rona regula el e q u ilib rio de sod io y potasio Los esteroides desem peñan un papel im portante en la función renal. En los tetrápodos, la aldosterona es el principal m ineralocorticosteroide, m ientras que los peces carecen de aldosterona. En lugar de ésta, en los peces probablem ente el cortisol actúa como principal m ineralocorticosteroide, adem ás de ser el
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Integrando sistem as fisiológicos
(a) Regulación biogénica
(b) Retroalimentación glomerular Fig u ra 11.30.
C on tro l in trín s e c o de la GFR.
Un increm ento de la presión arterial m edia (MAP) desencade na un cam bio en la presión de filtra c ió n glom erular, (a) La re gulación m iogénica controla la vasoconstricción produciendo la contracción del m úsculo liso vascular de las arteriolas aferentes, (b) El bucle de retroalim entación g lom e rular incluye agentes señalizadores liberados de la mácula densa que alteran la contractibilida d del m úsculo liso. Una tercera form a de control intrínseco se describe en el texto.
principal glucocorticosteroide. Los orígenes de la familia del gen receptor de esteroides se están estu diando am pliam ente. Estudios recientes sugieren que los peces, al igual que los tetrápodos, quizá posean receptores separados p ara los glucocorticosteroides y los m ineralocorticosteroides, aunque se utilicen diferentes horm onas. Los m ineralocorticosteroides estim ulan la re a b sorción de N a+ (y, de m an era secundaria, la recupe ración del agua de la orina) e increm entan la excreción de K+. Los m ineralocorticosteroides son producidos po r la corteza su p rarre n al en los tetráp o dos y en los peces po r los corpúsculos de Stannius. Estos tejidos que están cerca del riñón, liberan aldosterona en la sangre. La aldosterona elige como obje tivo las células principales del túbulo distal y del túbulo colector, se une a un receptor horm onal cito plasm ático y p en etra en núcleo p ara estim ular la trascripción de los genes involucrados en el tra n s porte iónico (Figura 11.31b). Los efectos de la aldos terona se m anifiestan d urante varias horas porque el proceso involucra u n a transcripción genética, su tr a ducción en el retículo endoplasm ático, el procesa m iento en el aparato de Golgi, la reorganización en vesículas y la fusión de las vesículas con la m em b ra n a plasm ática. La com prensión del papel de la aldosterona se obtiene a p artir de estudios de laboratorio con ratas a las que se h a extirpado quirúrgicam ente la glán dula su p rarre n al (adrenalectom ía). En pocas horas, las ra ta s producen grandes cantidades de orina, con niveles altos de Na+ y bajos de K+. Como la pérdida de aldosterona continúa sin disminuir, el anim al se deshidrata lentam ente a m edida que extrae líquido de los espacios extracelulares p ara m an ten er el volu m en sanguíneo y la presión sanguínea. La aldosterona ejerce sus efectos sobre el N a+, el K+ y el agua estim ulando la expresión de los genes que codifican el tran sp o rte de proteínas. La Na+/K+ ATPasa se produce en las células principales y se envía a la m em brana basolateral; se generan los canales de K+ y N a+ y eligen como objetivo la m em b ra n a apical. La interacción entre el tran sp o rte de Na+ y K+ produce el intercam bio neto de K+ del plasm a a cambio de N a+ de la orina. Las acciones de la Na+/K+ ATPasa increm entan la concentración intracelular de K+ y difunden el K+ dentro de la luz del túbulo a través de los canales de K+. Como la Na+/K+ ATPasa extrae K+ del plasm a, ésta tam bién expulsa Na+ del citoplasm a. Este N a+ en tra a las célu las del túbulo a través de los canales de Na+ en la m em brana lum inal (apical) desde la orina prim aria.
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( i) T
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La vasopresina se une al receptor unido a la proteína G.
2) El receptor activa la adenilato ciclasa, incrementa el AMPc y activa la proteincinasa A.
3) Se lleva a cabo el proceso la fosforilación de las proteínas de la vesícula y del citoesqueleto.
4) Esto estimula la translocación de la vesícula a la membrana celular, con inserción de acuaporinas. (a) Vasopresina
La aldosterona entra en la célula por difusión.
Ésta se une a su receptor, un factor de transcripción. El factor de transcripción activado estimula la transcripción de genes para los portadores. Se forman nuevas proteínas portadoras en el retículo endoplasmático (ER) y son llevadas a las vesículas. Las vesículas que contienen proteínas son enviadas a la membrana plasmática. (b) Aldosterona Fig u ra 11.31.
C ontrol de la fu n c ió n de la n e fro n a por m e d io de la v a s o p re s in a y la a ld o s te ro n a .
(a) La vasopresina controla el m o vim ien to del agua en el tú b u lo m ediante la alteración de los niveles de acuaporinas. (b) La al
dosterona cam bia los niveles de los transportadores de Iones m ediante la alteración del patrón de expresión genética.
La aldosterona no ejerce efectos sobre el transporte de agua (a diferencia de la vasopresina); la estim ula ción de la recuperación de agua a p artir de la orina es u n a consecuencia de la reabsorción de N a+.
La vía ren in a -a n g io te sin a -a ld o ste ro n a regula la presión sanguínea La concentración de K+ circulante es el principal determ inante de la síntesis de aldosterona, otro ejemplo de bucle de retroalim entación negativo. Sin em bargo, la producción de aldosterona está regulada tam bién por la h o rm o n a angiotesina II en la vía
renina-angiotensina. Las células yuxtaglom erulares de las arteriolas aferentes y eferentes de la nefrona secretan la enzim a renina, que convierte la proteína angiotensinogena en angiotensina I. Otra enzim a lla m ada enzim a de conversión de la angiotensina o ECA que se encuentra en el epitelio de los vasos sa n guíneos convierte la angiotensina I en angiotensina II. La angiotensina II produce la síntesis y liberación de aldosterona a p artir de la corteza suprarrenal. Hay tres form as de controlar la secreción de renina. En prim er lugar, los barorreceptores en las células yuxtaglom erulares responden a la baja presión sa n guínea con un increm ento de la secreción de renina.
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Integrando sistem as fisiológicos
En segundo lugar, la dism inución de la presión san guínea activa las n eu ro n as sim páticas en el centro de control cardiovascular del bulbo raquídeo y se pro duce u n increm ento de la secreción de renina. En te r cer lugar, las células de la m ácula densa en la pared del túbulo distal resp o n d en a la dism inución de líquido m ediante la em isión de una señal paracrin a que induce a las células yuxtaglom erulares a incre m en tar la secreción de renina. La angiotensina II actúa en la hipófisis p ara in crem en tar la secreción de vasopresina, que pro duce retención de líquidos en el riñón p a ra así ayu d a r a m an ten er el volum en sanguíneo. Ésta actúa sobre el cerebro p a ra estim ular la sed con el consi guiente increm ento en el consumo de agua p ara au m en tar el volum en sanguíneo. La angiotensina II produce tam bién vasoconstricción periférica. Ade m ás, la angiotensina II activa los receptores del cen tro de control cardiovascular p a ra increm entar la eferencia sim pática hacia el corazón p a ra así incre m en tar el gasto cardiaco y producir vasoconstricción en los vasos sanguíneos.
El p é p tid o n a triu ré tlco a u ric u la rta m b ié n desem peña un papel im p o r t a n te s ^ en el e q u ilib rio D e I íI eV W ■ Las acciones del p ép tid o n a triu rético auricu lar
(ANP) in crem en tan la liberación de N a+ en la orina. Células especializadas dentro de la aurícula del corazón producen ANP y lo excretan en resp u esta a u n a distensión excesiva, que se ve acom pañada de un increm ento en el volum en sanguíneo. Cuando el ANP se libera viaja p o r el riñ ón donde produce un increm ento de la GFR m ediante la relajación de las células contráctiles que controlan el tam año de las h en d id u ras de filtración del glom érulo. El ANP tam bién regula la producción de otras horm onas que influyen en la función renal. Ésta dism inuye la libe ració n de aldosterona por p arte de la corteza su p ra rren al, e im pide que la aldosterona aum ente la r e absorción de N a+ en el túbulo distal. Disminuye la liberación de ren in a y p o r consiguiente dism inuye la angiotensina II. De diferentes form as, el ANP actúa como an tag o n ista de las vías de la renina-angiotensina II y la aldosterona. Éste tam bién es un antago n ista de la producción y liberación de la vasopresina y p o r consiguiente se reduce la reabsorción de agua en el túbulo colector. Pequeñas cantidades de PNA son tam b ién secretad as p o r las neu ro n as del cere bro, donde actúa sobre el centro de control cardio vascular.
Los factore s h ip o ta lá m ico s regulan la sed Por supuesto, el equilibrio hídrico se ve afectado por el consum o de agua. La sensación de sed se presenta como respuesta a la deshidratación o a un exceso de N a+. Las horm onas que reflejan el estado sistémico del anim al, como la condición osm ótica y el estado cardiovascular, ejercen efectos sobre el sistem a n e r vioso central p ara influir en el m ecanism o de la sed. El hipotálam o es el encargado de percibir las condiciones externas y controlar la sed. Esta región del cerebro tiene u n a b a rre ra hem atoencefálica incom pleta, po r lo que el hipotálam o es capaz de detectar las horm onas circulantes. Debido a la com plejidad del hipotálam o es muy difícil determ inar qué regiones actúan como sensores o cuáles m otivan el deseo de beber. Las regiones del hipotálam o que están m ás probablem ente relacionadas con la detec ción de las condiciones osm óticas son los órganos circunventriculares, incluido el órgano subfornical (SFO), el órgano vasculoso de la lám ina term inal (OVLT) y el núcleo preóptico m ediano (MnPO) aso ciado (Figura 11.32). Las condiciones osm óticas son detectadas po r un a com binación de osm orreceptores y receptores horm onales. Los osm orreceptores con trolan la osm olaridad del líquido cerebroespinal que b añ a el hipotálam o. La angiotensina II que estim ula la reserva de agua en el riñón, tam bién se une a los receptores en esta región del cerebro. E stas regiones del hipotálam o detectan el estado osmótico y envían señales al centro de la sed, que probablem ente está en el núcleo hipotalám ico dorsom edial. La estim ula ción de este centro increm enta el deseo de beber.
Osmolaridad alta
Hormonas
w OVLT
SFO
MnPO
Percepción
Hipotálamo — Hipotálamo dorsomedial
Centro de la sed
Bebida Fig u ra 11.32.
R e g u la c ió n de la s ed .
El hipotálam o percibe la osm olaridad del flu id o cerebroespi nal por m edio de los osm orreceptores y tam b ién se une a la angiotensina II. Las regiones hipotalám icas más probable m ente involucradas en la percepción son el órgano vasculoso de la lám ina term in a l (OVLT), el órgano subfornical (SFO) y el núcleo preóptico m edial (MnPO).
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Variación evolutiva en la estructura y función de los sistemas excretores La com posición celular y las propiedades funcionales de los riñones v arían am pliam ente en los anim ales. H asta el m om ento se h a utilizado la estructura y fun ción del riñ ó n típico de los m am íferos p ara describir el papel de las diferentes regiones del túbulo renal y la m an era en que las propiedades estructurales y funcionales intervienen p a ra producir una orina con las características apropiadas. N aturalm ente, en el caso de anim ales ta n variados como los vertebrados, no existe n ad a que pueda considerarse como típico. El m odelo descrito se acerca m ás al de un riñón de u n m am ífero grande que subsiste de un a dieta m ixta y cuenta con u n amplio acceso al agua dulce. En otros anim ales, incluso en otros m am íferos, existen variaciones considerables en la estructura y función renales. Al ten er u n conocim iento claro de los pape les de cada u n a de las regiones principales de la nefrona, es posible explorar las variaciones en la estructura de la nefrona y el riñón en otros anim ales, com enzando por los invertebrados.
Los in ve rte b ra d o s presentan riñones p rim itiv o s llam ad os ne frid io s Las esponjas, los anim ales m ás simples, se com por tan de u n a form a m uy sim ilar a los protistas con res pecto a la excreción de agua. U san vacuolas simples contráctiles p a ra expulsar los desechos celulares, incluida el agua, directam ente en el entorno. Los ver daderos m etazoos poseen células y tejidos especiali zados en la excreción. Muchos anim ales simples, incluidos la m ayoría de los diversos taxones de gusa nos, poseen p rotonefridios, unos órganos primitivos funcionales análogos al túbulo renal de los vertebra dos (Figura 11.33a). Un protonefridio de los platel m intos consiste en u n túbulo ram ificado con un poro (nefridioporo) en uno de los extrem os y u n a célula ter m inal al otro extrem o. Los líqiúdos son em pujados a través de los protonefridios por flagelos o cilios que son prolongaciones de células especializadas. Algu n as especies tienen célu la s flam ígeras, que poseen u n penacho de cilios. Otras especies tienen solenocitos, que poseen uno o dos flagelos que se extienden dentro de la luz. El papel de los protonefridios varía entre las diferentes especies y según el entorno. En los platelm intos, los protonefridios están probable m ente relacionados con la osm orregulación y están m ejor desarrollados en especies de agua dulce que deban llevar agua al exterior. Probablem ente no de
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sem peñan ningún papel en la excreción de amoniaco en los platelm intos. En otros tipos de gusanos, como los nem átodos, los protonefridios están sum ergidos en el sistem a circulatorio y, como tienen acceso a la sangre, tal vez desem peñan un papel en la excreción de nitrógeno. El núm ero de protonefridios difiere am pliam ente entre las especies, desde dos, con un p a r de nefridioporos, h asta miles de unidades. Los nefridios m ás complejos, llam ados m etan efridios, están presentes en los m oluscos y los anéli dos. Muchos moluscos poseen un solo m etanefridio, con un saco profundo con p aredes m uy invaginadas p a ra increm entar el área de superficie (Figu ra 11.33b). Los desechos son recogidos y expulsados po r un tubo corto llam ado uréter. Los anélidos poseen un m etanefridio en cada segm ento del cuerpo. El túbulo com ienza en el nefrostom a, que recoge líquidos desde el celoma. Los desechos pasan a través del largo túbulo que atraviesa el segm ento del cuerpo siguiendo u n a trayectoria intrincada. El nefridio p asa a través del tabique entre los segm en tos del cuerpo, se une a la p ared en el nefridioporo y libera los desechos del anim al. En algunos casos, el nefridio se expande en una vejiga en form a de saco que es capaz de alm acenar los líquidos. En diferentes sitios a lo largo del nefridio, las sales, los productos finales del nitrógeno, y el agua son recuperados de la luz o secretados de las células circim dantes. Nefrostoma
(a) Protonefridio Fig u ra 11.33.
Luz
(b) Metanefridio
R iñ o n e s p rim itiv o s de los in v e rte b ra d o s .
(a) Los invertebrados p rim itiv o s , com o los platelm intos, po seen p rotonefridios, que em plean células con cilios o flagelos para extraer el líquido in tersticial de la luz de los túm ulos. (b) Los invertebrados más avanzados, com o los anélidos, po seen m etanefridios, que recogen los flu id o s directam ente del sistem a circulato rio o del celoma.
6 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Las estru ctu ras celulares de estos riñones p ri m itivos v arían am pliam ente entre los invertebrados pero la diferencia p rincipal entre el protonefridio y el m etanefridio rad ica en la relación con los fluidos celulares. El protonefridio em plea sus cilios o fla gelos móviles p a ra ex traer el líquido intersticial de la luz del túbulo. Por el contrario, el conducto del m etanefridio tiene u n a ab e rtu ra in te rn a que recoge los líquidos del cuerpo ya sea sangre o fluido del celoma.
Ciego Tubo de Malpigio
Célula estrellada
El riñón de los insectos es el tubo de Malpigio El tubo de M alpigio en el insecto es el equivalente al riñón de los vertebrados. Es u n a estructura tubular con u n saco ciego al final de un tubo largo que des em boca en el intestino posterior (Figura 11.34). Algunos insectos, como los insectos hem ípteros, poseen dos túbulos m uy largos y enrollados, m ien tra s que otras especies poseen m uchos túbulos m ás cortos, que llegan h asta 250 en el caso de la langosta Schistocerca. Aunque el tubo de Malpigio de los insectos está form ado típicam ente po r u n a sola capa de células, existen variaciones considerables en la com plejidad estructural entre las diferentes especies, que pueden estar relacionadas con el tipo de alim en tación. Las especies que consum en grandes cantida des de agua, como los melífagos, hem atófagos y carroñeros, pueden ten er estructuras m ás com plejas p a ra m ejorar la filtración. Las especies de insectos que p asan de un medio acuático a u n m edio terrestre d urante su desarrollo, deben tam bién cam biar sus sistem as fisiológicos, que controlan el equilibrio hídrico, iónico y nítrico. Los insectos que tienen estadios larvales en un medio acuático, como los m osquitos, cuentan con branquias p a ra la osm orregulación y la respiración. En agua dulce, los tubos de Malpigio sirven p a ra excretar agua. En el m om ento de la m etam orfosis, las b ra n quias desaparecen, y los anim ales deben rem odelar sus tubos de Malpigio p a ra ay udar a la retención de agua. Aunque la morfología del tejido es compleja, el tubo de Malpigio está com puesto por dos tipos im portantes de células: las grandes células principa les y las células p equeñas de form a estrellada. Las células principales, con frecuencia denom inadas células secretoras, poseen largas m icrovellosidades apicales. Las m icrovellosidades contienen m itocon drias largas y delgadas que se desplazan hacia den tro y fuera de las m icrovellosidades cuando se
Canal ATPasa
Célula estrellada
Célula principal
(b) F ig u ra 11.34.
E s tru c tu ra y fu n c ió n de los tu b o s de
M a lp ig io de los in s e c to s .
ía) Los tu b o s de M alpigio , el riñón del Insecto, drenan en el tracto digestivo. A unque m uchos insectos presentan cuatro tubos de M alpigio , el núm ero puede va ria r entre dos a más de 250. (b) El tú b u lo en sí está com puesto por células p rin c i pales y células estrelladas, (Fuente: M odifica do de O 'D onnell e ta!., 1996).
requiere. Las m itocondrias sum inistran el ATP nece sario p a ra el bom beo iónico. El papel m ás im por tante de las células principales es el tran sp o rte de cationes y la m em brana apical es rica en intercam biadores iónicos que en últim a instancia están bajo el control de la ATPasa bom beadora de protones (H+ ATPasa). Las células estrelladas poseen m enos m ito condrias y carecen de las com plejas m icrovellosida des apicales. Su principal papel es controlar el tran sp o rte de Cl_. El tubo de Malpigio produce orina prim aria sin necesidad de filtración. En su lugar, la orina prim aria se form a m ediante las secreciones de las células
C A P ÍTU LO 11
tubulares. Los solutos y el agua en tran al extrem o cerrado del túbulo p o r m edio del tran sp o rte paracelular o del tran sp o rte transcelular. La m em brana basolateral de las células principales trae K+ desde la hem olinfa m ediante los canales de K+; el N a+ y K+ son tran sp o rtad o s al interior por el cotransportador N a+-K+-2C1~ (NKCC). En la m em b ran a apical, la H+ATPasa tran sp o rta H+ al exterior y crea u n a fuerza im pulsora que puede estar asociada a intercam bia dores (Na+/H + o K+/H+) que expulsan otros cationes. A diferencia de la m ayoría de los epitelios de tra n s porte, p arece h a b e r m uy poca función p ara la Na/K ATPasa en la m ayoría de las especies. El increm ento de la osm olaridad produce u n a absorción de agua hacia la luz del túbulo. El contenido de la luz se m odi fica m ediante una reabsorción selectiva de los solu tos y agua, a m edida que la orina p rim a ria baja a través del túbulo desde el extrem o cerrado h asta la ab ertu ra en el intestino posterior. Una vez form ado el líquido de la luz al final de los túbulos, éste baja p o r el túbulo donde halla m ecanis m os de reabsorción selectiva. Los tubos de Malpigio no están inervados y el control de la secreción y la reabsorción está bajo el dominio de reguladores intrínsecos y h orm onas circulantes. Se h an identifi cado tres clases principales de horm onas diuréticas en los insectos. 1. Las horm onas diuréticas relacionadas con elFLC p resen tan estructuras sim ilares a las horm onas de la fam ilia del factor liberador de corticotropina (FLC) de los vertebrados, como la urotensina y la urocortina. Se h an identificado en los insectos quince tipos diferentes de horm onas diuréticas relacionadas con el FLC, cuyo tam año oscila entre los 30 y los 47 am inoácidos. Parece que la función de estas horm onas es la de estim ular la síntesis de AMPc en las células del tubo de Malpigio, que acti va el tran sp o rte de cationes en las regiones b aso lateral y apical de las células principales. 2. Las (mió)quininas de los insectos son pequeñas horm onas peptídicas, po r lo general de ocho am inoácidos, que poseen u n a peculiar secuencia de extrem o C en los cinco am inoácidos. Estas horm onas actúan sobre las células estrelladas de los tubos de Malpigio y activan la fosfolipasa C p a ra in crem en tar la producción de IP3, que a su vez produce la liberación de Ca2+ de los depósitos intracelulares. Este increm ento de Ca2+ produce u n aum ento en el tran sp o rte de CL dentro de la luz, aunque los m ecanism os no están claros todavía. El desplazam iento de CL produce un
E quilibrio ió nico e hídrico 517
desplazam iento paralelo de N a+y K+, que lleva a un desplazam iento neto de NaCl y KCI desde la hem olinfa hasta la luz. 3. Péptidos cardioaceleradores fueron identificados en prim er lugar po r su capacidad p a ra aum entar la frecuencia cardiaca. Sin em bargo, estas horm onas tam bién estim ulan la secreción de líquidos en el interior de los tubos de Malpigio. Esta variada familia de horm onas parece estim ular la fosfoli p asa C en las células principales. El increm ento de IP3y de Ca2+ activa la cascada que involucra óxido nítrico sintetasa dependiente de calmodulina y Ca2+ y guanilato ciclasa. Estos segundos m en sajeros y enzim as reguladoras conllevan un aum ento de la actividad de la H+ATPasa. Aunque estas horm onas diuréticas se h an defi nido bien, poco se conoce sobre las horm onas an ti diuréticas de los insectos. Algunas, llam adas factores antidiuréticos, actúan m ediante el desplazam iento de agua en el interior del tubo de Malpigio. Otras, como las neuroparsinas y el péptido de tran sp o rte de iones, actúan increm entando la reabsorción de agua en el intestino, después de que el contenido de la luz es vaciado dentro del intestino posterior.
Los riñones de los condrictios producen orina hiposmótica y retienen urea Recordem os que los tiburones poseen una estrategia osm ótica inusual dentro de los vertebrados, m antie n en sus fluidos corporales ligeram ente hipertónicos p a ra el agua de m a r y acum ulan u rea en altas con centraciones (300-400 mM). Los tiburones tienen dos largos riñones que se encuentran situados a lo largo de la p ared dorsal de la cavidad corporal. Los túbulos del riñón son estructuras largas y com plejas (Figu r a 11.35). Los túbulos se extienden a lo largo del riñón p ara form ar dos capas: u n a zona sinusal donde los túbulos están sueltos y separados po r fluidos y u n a zona m ás com pacta donde los túbulos están juntos y envueltos en u n a cubierta m em branosa. Esta com pleja disposi ción perm ite posibilidad de configurar un intercam b iador po r contracorriente, que perm ite al túbulo ren al del tiburón recu p erar h asta el 90% de la u rea de la orina prim aria. El m ecanism o exacto por el cual se recupera la u rea todavía no está claro; puede que ocurra por reabsorción activa por medio del cotrans p ortador de N a+-urea. La orina producida por el tiburón es ligeram ente hiposm ótica (en relación con los tejidos del tiburón) y cercana a la del agua de mar.
518 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Pez marino _____ I_____
---------------------1
Glomerular
Aglomerular
Pez de agua dulce
Reptil G
Mamífero G-
“ X
PT----
IS
Túbulo colector
Fig u ra 11.35.
“
A
Asa de Henle
í
T J
c t— y
V a r ia c ió n en los r iñ o n e s de los v e rte b ra d o s .
Cada uno de los riñones de los vertebrados posee regiones especializadas para la absorción y secreción. Sin em bargo, las dim e n siones de cada región varían entre los taxones.
Los tiburones que se d esplazan en agua salada diluida reducen su osm olaridad produciendo canti dades copiosas de orina diluida.
El papel de los riñones difiere en los peces de agua dulce y de agua salada r* v n /n Los osteíctios p re se n ta n u n p a r de riñones que se extienden a lo largo de la superficie dorsal de la cavidad in te rn a del cuerpo. La función del riñón d epende de la osm olaridad del agua. El glom érulo, que p roduce la o rin a p rim a ria, es m ás gran d e en los peces de agua dulce que en las especies m arin as. El túbulo distal, cuya función es la de re c u p e ra r sal y ex cretar agua, p uede se r tam bién m ucho mayor. Los riñ o n es de los peces de agua dulce producen g ran d es volúm enes de orina hiposm ótica. Al co n tra rio en los peces m arin o s, el riñón desem peña un p ap el m uy reducido en la excreción de iones, agua y n itrógeno, la resp o n sab ilid ad recae en g ran p arte en las b ran q u ias y en la piel. Los riñones de los peces m arin o s p ro d u cen m uy poca orina, que es isosm ótica con respecto a los fluidos corporales. En sus nefronas, los glom érulos están reducidos o ausentes, los túbulos proxim ales están reducidos y los túbulos distales están reducidos o ausentes. En algunos peces, el glom érulo está ausente po r com pleto. Los peces con riñ o n es a g lo m eru la res se p re se n ta n en tres taxones no relacionados, en los que la m ayoría de las especies poseen riñones glo m eru lares. Por tanto, la p érd id a del glom érulo ha tenido lu g ar al m enos tres veces p o r separado en la evolución de los peces.
El riñón de los anfibios cambia durante la metamorfosis Al igual que los peces de agua dulce, la m ayoría de los anfibios que h a b ita n en el agua deben d esh a cerse po r sí m ism os del exceso de agua absorbida del m edio externo a través de su piel altam ente p e r m eable. D urante su vida acuática tien en m ucha necesidad de m ecanism os p a ra re te n e r agua. Sin em bargo, cuando los anfibios están en tierra, deben conservar el agua. Al igual que los peces de agua dulce, los anfibios poseen riñ o n es carentes de un asa de Henle, que p erm ite a los m am íferos producir orina hiperosm ótica. Los anfibios deben hacer frente a las dem andas contradictorias de u n a vida te rre s tre y acuática (1 ) regulando la ta s a de filtra ción glom erular p a ra controlar la del porcentaje de pérd id a de agua y (2) recuperando el agua de la orina alm acenada en la vejiga u rin aria. M ientras que la m ayoría de los anim ales te rre stre s u san la vejiga p a ra alm acen ar la o rina d u ran te un breve periodo antes de la m icción, los anfibios la u san p a ra alm acen ar agua. El proceso de reabsorción está bajo el control de la hom ologa de la v aso p re sina en los anfibios. La naturaleza del riñón de los anfibios cam bia d urante su desarrollo. Los anfibios larvales, al igual que los peces larvales, poseen u n a nefrona simple llam ada p ron efros. Recordem os que el túbulo del riñón de los m am íferos, conocido tam bién como m etanefros, evacúa los fluidos de la circulación directam ente al interior de la nefrona en la cápsula de Bowman. En el riñón pronéfrico, el filtrado entra
C A P ÍTU LO 11
prim ero al celoma, luego p asa rápidam ente a los túbulos pronéfricos a través de los nefrostom as. Al igual que en las n euronas, el agua, los iones y las m oléculas orgánicas son reabsorbidos en el túbulo y devueltos a la sangre. A continuación, la orina es enviada a lo largo del conducto pronéfrico y expul sad a a través de la cloaca. M ientras que el riñón de los m am íferos puede p resen tar millones de nefronas, im a ran a larval cuenta solam ente con un p a r de pronefros. Como la larva experim enta un a m etam orfosis hacia el estadio adulto, los pronefros se reem plazan p o r un riñón m ucho m ás parecido a la versión de los m am íferos.
Los animales terrestres cuentan con riñones que ayudan a conservar el agua Las variaciones m orfológicas del riñón entre reptiles, aves y m am íferos son u n reflejo de las diferentes res puestas al desafío que im plica evitar la deshidrata ción. El desafío que supone la reducción de la p érd id a de agua es m ayor en los anim ales del de sierto (véase la Caja 11.5), pero todos los anim ales terrestre s poseen m uchas form as de ajustar la fun ción ren al a las restricciones am bientales de disponi bilidad de agua. Los reptiles actuales reducen la necesidad de agua produciendo acido úrico como producto final nitrogenado. Como el acido úrico es insoluble, el agua no se desperdicia como solvente, aunque se uti liza p a ra a rra stra r dicho ácido úrico a través de la luz del túbulo. El agua puede se r reabsorbida en la cloaca. El riñón de los reptiles p resen ta unos glomérulos m uy reducidos y en algunas especies está ausente. Al igual que en los anfibios, la nefrona de los reptiles no posee u n asa de Henle y, por lo tanto, no puede producir una orina hiperosm ótica. U na de las innovaciones m ás im portantes de la evolución de los v ertebrados terrestre s fue el asa de Henle. Este extenso segm ento en m edio de los túbu los distal y proxim al solo se p resen ta en las aves y en los m am íferos, aunque algunas nefronas de las aves carecen de u n asa de Henle. G racias al asa de Henle la m ayoría de los m am íferos pueden producir una orina con u n a osm olaridad cinco veces m ayor que la osm olaridad del plasm a. Si sim plem ente la longitud del asa de Henle d eterm in ara la capacidad p a ra producir orina con centrada, el elefante sería el cam peón; posee u n a larg a asa de Henle ta n sólo porque su riñón es de g ran tam año. P ara h acer el m ejor pronóstico de la capacidad de la n efrona p a ra producir orina concen
E quilibrio ió nico e hídrico 519
tra d a se tiene que te n e r en cuenta el tam año del riñón. Como el asa de Henle se extiende lo largo de m édula, el potencial p a ra producir orina concen tra d a se expresa m ejor m ediante el espesor m edular relativo: el ancho de la m édula con respecto a la an ch u ra total del riñón (Figura 11.36). Los m am ífe ros que viven en entornos ricos en agua, como el castor, p resen tan un escaso espesor m edular rela tivo y u n as nefronas con un asa de Henle corta que produce orina diluida. Por el contrario, los m am ífe ros que viven en entornos secos, como la ra ta can guro alm izclada, presen tan un gran espesor m edular relativo y unas nefronas con un asa de Henle larga que produce orina altam ente concen trad a, cuatro o cinco veces m ás concentrada que la de la m ayoría de los m am íferos.
F ig u ra 11.36.
E sp e s o r m e d u la r r e la tiv o en r iñ o n e s de
m a m ífe ro s .
Los anim ales que produce n una orina m ás concentrada, c om o la rata cang uro , tiene n nefronas con un asa de Henle m ás larga y una m édula más gruesa que la de los anim ales que producen o rin a d ilu id a , com o el castor. La m ayoría de las especies, in c lu id o s los conejos, se ubican entre estos extre m os. {Fuente: A d a p ta d o de S ch m ldt-N ielse n y D ell, 1961).
520 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 11.5 Evolución y diversidad A nim ales del desierto Los desafíos a nivel del equilibrio iónico e hídrico son quizás más drásticos para los animales que viven en los desiertos áridos y secos. Estos animales com binan m ecanism os fisiológicos y com portam entales de una form a peculiar para retener y obtener el m áxim o de agua posible. Incrementar al m áxim o el consum o y el almacenamiento de agua es crucial para sobrevivir en el desierto. Un gran núm ero de animales se establecen cerca de las fuentes de agua, com o los oasis. Los grandes oasis son depósitos de reaprovisionamiento para muchas especies migratorias y los animales errantes se aprovechan de estas ocasionales reser vas de agua. Los alim entos también proporcionan agua. Por ejemplo el addax, antílope del Sahara, sobrevive com iendo plantas y bebiendo el rocío que se form a sobre ellas al atar decer. Los insectos del desierto se alim entan de los tejidos ricos en agua de los suculentos cactus. Pocos animales del desierto tienen acceso constante al agua para beber, por lo que obtienen la m ayor parte a partir del agua alim enticia o del m etabolism o del agua. Además del agua alimenticia, se obtiene un poco de agua durante el m etabolismo. M uchos animales del desierto, sobre todo los insectos, pueden sobrevivir a cambios radicales en el contenido de agua de los tejidos entre periodos de deshidratación e hidratación. Los escarabajos del desierto se hinchan con agua durante la tem porada de lluvias, e incrementa el contenido de agua en un 70% de su masa corporal. Durante la temporada de sequía, quizás pierda el 60% de esta agua. La m ayor parte del agua se pierde de la hemolinfa; algunos escarabajos pueden tole rar casi la pérdida total de la hem olinfa sin consecuencias obvias (recordemos que la hemolinfa de los insectos no de sem peña ningún papel en el sum inistro de oxígeno). La mayoría de los vertebrados del desierto no pueden tolerar la deshidratación extrema, pero el cam ello es una excepción. Cuando el agua está disponible, un cam ello de 700 kg puede consum ir 100 kg de agua en sólo 10 m inutos. De manera similar, un cam ello puede hartarse de comida cuando tiene alim entos a su disposición y almacena el exceso de energía en form a de grasa en su joroba. Cuando está privado de agua y alim ento, el cam ello extrae el agua almacenada y degrada la grasa de la joroba. Con el tiem po, la joroba reduce su tam año y se cae hacia un lado a medida que la grasa se oxida para producir energía y agua m etabó lica. A pesar de la producción m etabólica de agua, los cam e llos pueden experim entar una deshidratación grave. A diferencia de los cam ellos, la mayoría de los vertebrados del desierto conservan el contenido de agua en los tejidos den tro de un margen reducido m ediante el em pleo de mecanis m os fisiológicos para m axim izar la conservación de agua. Un elem ento im portante de supervivencia en el desierto es evitar el calor del sol, ya sea encontrando o alterando un microclima. Durante el día, m uchos reptiles e insectos, los animales más abundantes del desierto, encuentran refugio en microclimas establecidos, bajo rocas o en madrigueras. El sapo del desierto pasa las calurosas horas diurnas bajo la arena fresca. Los animales excavadores pueden tam bién
m odificar su microclima. Aun con especializaciones fisiológi cas y anatómicas, todos los animales pierden algo de hum e dad en la respiración. Así, estas madrigueras subterráneas pueden volverse húmedas y sum inistran un refugio para protegerse del calor y la sequedad de la superficie. Dadas las características del terreno desértico, los grandes anima les com o el cam ello tienen poca esperanza de encontrar sombra. En lugar de eso, las estrategias fisiológicas los ayu dan a hacer fren te a la luz directa del sol. Así com o la im permeabilización de la piel fue una adaptación im portante en los prim eros animales terrestres, los habitantes del desierto han desarrollado m ecanism os superiores para evitar el flujo de agua a través de la piel. Los anfibios y reptiles que viven en el desierto presentan una piel con un estrato córneo más grueso que los que viven en entornos más húm edos. Las aves y los mamíferos, am bos hom eotérm icos, presentan un riesgo m ayor de deshidratación m ediante la pérdida de agua por vía cutánea. N orm alm ente los grandes m am íferos se valen del sudor com o m edio para refrescarse del calor. Aun que las aves no poseen glándulas sudoríparas, la pérdida de agua por vía cutánea contribuye al enfriam iento. Sin em bargo para m uchos animales del desierto la conservación de agua es más im portante que el descenso de la tem pera tura corporal. Bloquean el enfriam iento por evaporación y perm iten que aum ente la temperatura corporal. Por ejem plo, las tem peraturas corporales del órix, un gran antílope, y del cam ello pueden ser superiores a 40 °C durante el calor del día. Estos animales no pierden el calor almacenado en su cuerpo hasta el frío anochecer, para cuando la temperatura puede descender por debajo de los 35 °C. Es interesante m encionar que el cuello sin plumas del avestruz es más per m eable al agua que la piel de otras aves. Esto sugiere que el enfriam iento por evaporación es más im portante para el avestruz que la conservación de agua. O tros procesos fisiológicos, com o la ventilación, la digestión y la excreción, conllevan la pérdida de agua. Los animales del desierto presentan a m enudo adaptaciones inusuales que reducen esta pérdida accidental de agua. Algunos m am íferos del desierto, com o la rata canguro, minimizan la pérdida de agua por vía respiratoria pasando el aire expirado a una región de la nariz equipada con un inter cam biador de calor contracorriente. El dik-dik, un antílope africano que vive en zonas sem iáridas de matorrales, posee una nariz alargada que actúa a m odo de una cámara de enfriam iento. La hum edad del aire expirado se con densa antes de que salga por las fosas nasales. La rata can guro tam bién es capaz de extraer casi toda la cantidad de agua de la orina y las heces antes de la excreción. Las aves y los m am íferos del desierto poseen túbulos renales con un asa de Henle larga, lo que les perm ite producir una orina altam ente concentrada. A diferencia de la mayoría de los m am íferos, el dik-dik es capaz de producir una orina 12 veces más concentrada que su plasma (U/P = 12). El cam e llo tam bién reduce el grado de deshidratación bloqueando la m icción y retiene urea en los tejidos hasta que haya dis ponibilidad de agua.
C A P ÍTU LO 11
Sistem as integradores Interacción de los sistem as cardiovascular y excretor en la regulación de la presión sanguínea
E quilibrio ió nico e hídrico 521
presión arterial d is m in u y e m ie n tra s que la osm ola ridad sanguínea se in crem enta. Varias vías están involucradas en la com pe n s a c ió n h o m e o s tá tic a a la desh id ra ta ció n grave (Figura 11.37). Estas vías in volucran el s is te m a cardiovascular, sis te m a renin a-a ngio tensina, los m e c a n is m o s renales c o m o la filtra c ió n g lo m e ru la r y los m e c a n is m o s c o o rdinados por
En n u e stro análisis so b re la fu n c ió n renal, nos he m o s
el hipotálam o.
c e n tra d o en d e scrib ir c ó m o el riñón p roduce orina para
Una de las re spuestas m ás rápidas a la d is m in u c ió n
c o n tro la r el balance hídrico. Sin em bargo, el siste m a
de la presión sanguínea es el m e c a n is m o de desvío de
e x c re to ry el sis te m a cardiovascular tie n e n responsa bili
flu id o s . Una baja presión sanguínea re duce la filtra c ió n a
dades co m p a rtid a s para regular la p resió n sanguínea. El
tra v é s de los capilares y hace que los flu id o s se desvíen
s iste m a cardiovascular respond e p rin c ip a lm e n te a los
del espa cio in te rs tic ia l hacia a la sangre. Esto ayuda a
cam b io s en la presión sanguínea, m ie n tra s que el sis
que el v o lu m e n sanguíneo y la presión sanguínea v u e l
te m a e x c re to r respond e ta n to a los ca m b io s en la pre
van a la norm alidad.
sión sanguínea c o m o a los ca m b io s en la o sm ola ridad
El desce nso en la presión sanguínea c o m o resultado
sanguínea. Los anim a les regulan la p resió n sanguínea
de la deshidratación tam b ié n se reduce el porcentaje de
c o n tro la n d o el v o lu m e n de la sangre y su osm olaridad,
disten sión en los barorreceptores de los cuerpos caroti-
que d e p enden del flu jo de agua y sal, pero pue den variar
deo y aórtico, lo que hace que éstos reduzcan la fre cu e n
in d e p e n d ie n te m e n te el uno de la otra.
cia de los potenciales de acción de las neuronas aferente s
C o nside rem os la fo rm a en que los d ife re n te s ali
que se dirigen al centro de control cardiovascular en el
m e n to s pueden in flu ir en el e qu ilibrio hídrico y salino y la
bulbo raquídeo del cerebro. Esta dism inució n en la fre
fo rm a en que el siste m a e x c re to r deb e res p o n d e r para
cuencia del potencial de acción hace que el centro de con
m a n te n e r la hom eostasis. Si se con s u m e n grande s can
tro l cardiovascular reduzca la eferencia parasim pática e
tid a d e s de agua sin in gerir nada de sal, el v o lu m e n total
in crem ente la eferencia sim pática. Estos cam bios a su
del líquido corporal in crem enta rápid am e nte y la osm ola
vez aum entan la frecuencia cardiaca y la fuerza de la con
ridad d ism inuye. El in cre m e n to en el v o lu m e n de la orina
tracción cardiaca y, por consiguiente, se in crem enta el
corrige esta situación. Si, por el contrario, se ingiere sal
gasto cardiaco. Al m is m o tie m p o , las neuronas s im páti
sin be b e r nada, la osm ola ridad se in crem enta, pero el
cas hacen que m uchas arteriolas sistém icas estim u le n al
v o lu m e n de líquido corporal p e rm anece in tacto. Los
m úsculo liso arteriolar para que se contraiga. La vaso
riñon es deben in cre m e n ta r la excreció n de agua pero
c onstricción resultante in crem enta la resistencia perifé
retienen tanta agua c o m o sea posible. Tanto el v olum e n
rica to ta l (TPR). C om o la presión arterial m edia es igual al
c o m o la osm ola ridad se in cre m e n ta n si se ingieren ali
gasto cardiaco por la resistencia periférica total, estos dos
m e n to s salados y se con su m e n grandes cantidades de
m ecanism os llevan a un in crem ento de la presión sanguí
líquido al m is m o tie m p o . El riñón deb e in c re m e n ta r ta n to
nea, ayudando a com pensa r dism inució n de la presión
el v o lu m e n de orina c o m o la cantidad de sal en la orina.
sanguínea causada por la deshidratación.
Sin em bargo las respuestas a los c am bio s de v o lu m e n y
La reducción en la presió n sanguínea c o m o re s u l
osm olaridad no son sie m p re tan s im ples. Una o sm ola ri
ta d o de la d esh idratación ta m b ié n e s tim u la a las células
dad alta pue de se r el resultado del e x ceso de sal (en ese
yu x ta g lo m e ru la re s (JG) del riñón y hace que é stas in c re
caso la excreció n de sal es apropiada c o m o respuesta) o
m e n te n la sec re c ió n de renina. El in c re m e n to de la
de deshidratación (una respuesta de co n s u m o de agua
renina aum e n ta la c o n v e rs ió n de a n g io te n s in ó g e n o en
es apropiada).
a n g iotensin a I. La enzim a con ve rtid o ra de ang iotensin a
De hecho, la desh idratación es la causa m ás co m ú n
(ACE) cataliza la tra n s fo rm a c ió n de a n g iotensin a I en
de d e se q u ilib rio s en el v o lu m e n de líquido y osm o la ri
a n g iotensin a II. A l m is m o tie m p o , el in c re m e n to de la
dad. Si uste d hiciera ejercic io en un día caluroso, perde
descarga s im p á tic a ta m b ié n e s tim u la las células y u x ta
ría agua en el s u d o r y en el aire expirado. Sin beber,
g lo m e ru la re s para m ás a de lante p ro d u c ir un in c re m e n to
usted se desh idrata; el v o lu m e n sanguíneo d is m in u irá y
de los niveles de a n g iotensin a II. C o m o se e s tu d ió en
la osm ola ridad se in cre m e n ta rá , con e fe c to s n eg ativos
e s te capítu lo y en el C apítulo 9, la a n g iotensin a II tie n e
para el s iste m a cardiovascular. La d is m in u c ió n del v olu
una gran variedad de e fe c to s s obre los s is te m a s circula
m en sanguíneo conlleva una d is m in u c ió n del re to rn o
to rio y excretor. La a n g iotensin a II s uele e s tim u la r la c o r
v e n o so hacia el corazón, del ga s to cardiaco y de la pre
teza
sión arterial m edia. Así, d u ra n te la d e s h idratación, la
e s tim u la n d o la reabsorción de Na+, que p ro m u e v e la
suprarre nal
para
que
produzca
aldostero na,
522 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Deshidratación
j Volumen sanguíneo
A
j Presión sanguínea
Presión hidrostática capilar
Filtración capilar
Distensión en los barorreceptores de los cuerpos aórtico y carotídeo
Estimulación de las células JG del riñón
Frecuencia de los ' potenciales acción
, Secreción de renina
Centro de control cardiovascular del bulbo raquídeo
, Producción de angiotensina I
Osmolaridad del plasma
Estimulación de los receptores del volumen auricular y de los barorrecep tores carotídeo y aórtico
E Hipotálamo
Desvío del líquido del espacio intersticial a la sangre
i Eferencia parasimpática
f Frecuencia cardiaca i Fuerza de la I contracción cardiaca
t Gasto cardiaco
, Eferencia simpática
Contracción del músculo liso arteriolar
I
Vasoconstricción
f Angiotensina II
Liberación de la vasopresina de la hipófisis
S
I Aldosterona
| Reabsorción de Na+ * por parte del riñón
A
Reabsorción de H20
1por parte del riñón
Entrada 1 de H20
A
ü
Fig u ra 11.37.
R e g u la c ió n de la p re s ió n s a n g u ín e a y de la fu n c ió n re n a l en re s p u e s ta a la d e s h id r a ta c ió n .
rete n ció n de agua. En la desh idratación, sin em bargo,
mayor. La e s tim u la c ió n s im p á tic a p roduce v a s o c o n s tric
e ste pro ce so es b loquead o p o r e fe c to s d ire c to s del
ción de la arte riola a fe re n te del g lo m é ru lo , reduce la pre
in c re m e n to de la o sm ola ridad plasm á tica s obre la cor
sión de filtra c ió n g lo m e ru la r y, p o r co n s ig u ie n te , la GFR
teza suprarre nal. La d ism in u ció n de p resió n sanguínea
y la p ro ducción de orina. La reducción de la GFR reduce
ta m b ié n a fecta la tasa de filtra c ió n g lo m e ru la r (GFR).
el flu jo de líquidos a tra v é s de los tú b u lo s del riñón. Las
Una presió n sanguínea m ás baja tie n e un ligero e fe c to
células de la m ácula densa d e te c ta n esta d is m in u c ió n
d ire c to sobre la GFR, por lo que se re duce la presión de
en el líquido y e s tim u la n a las células y u x ta g lo m e ru la re s
filtra c ió n en el g lo m é ru lo y se ralentiza la tasa de pro
para que se c re te n renina y, ento n ce s, se in cre m e n ta n
ducción de orina. Sin em bargo, hay que recordar que en
aún m ás los niveles de a n g iotensin a II.
realidad la GFR está regulada de m anera m u y ajustada
La m e n o r e s tim u la c ió n de los re c e p to re s del v olu
in cluso fre n te a ca m b io s en la presión m edia, p o r lo que
m en auricu lar y de los b a ro rre c e p to re s de los cue rp o s
e sto s e fe c to s d ire c to s se reducen . En cam bio , el in cre
c arotídeo y a órtico, c o m o resu lta d o de una presió n san
m e n to de la e stim u la ció n s im p á tic a (c o m o resu lta d o de
guínea baja, ta m b ié n tie n e un e fe c to d ire c to s obre el
una reducción en la presió n sanguínea) tie n e un e fe c to
hipotálam o, lo que in c re m e n ta la sec re c ió n de vasopre-
C A P ÍTU LO 11
sina y la sed. Todas estas respuestas en conjunto aumentan la reabsorción hídrica renal y la entrada de agua, lo que produce un incremento en el volumen de líquido y una menor osmolaridad. La mayoría de los mecanismos que se han explicado involucran hasta el momento los estímulos producidos por una caída de la presión sanguínea, pero el aumento de la osmolaridad también tiene efectos importantes. Los osmorreceptores del hipotálamo son directamente sensi bles al incremento de la osmolaridad, y estimulan el hipotálamo para que libere la vasopresina, al igual que estimulan la sed. La osmolaridad tiene también efectos directos sobre la corteza suprarrenal y reduce la secreción de aldosterona. La caída en los niveles de aldosterona reduce la manifestación de la Na+/K+ ATPasa en las mem branas de la nefrona distal, reduciendo la reabsorción de Na+ y ayudando a que la osmolaridad recupere los niveles normales. Es preciso observar que la reducción en la absorción de Na+ también produce una reducción en la reabsorción de agua, que podría impedir el retorno del volumen sanguíneo y la presión sanguínea a la normali dad. Los reflejos cardiovasculares pueden ayudar a res taurar la presión sanguínea en un breve lapso de tiempo, pero estos reflejos no pueden producir variaciones en la osmolaridad. Al contrario, el sistema excretor suele tratar de restaurar la osmolaridad, mientras se ocupa de la pre sión sanguínea durante periodos prolongados. A causa de la estrecha relación existente entre los dos sistemas, se observa que muchas alteraciones pato lógicas presentan elementos tanto de enfermedad renal como de disfunción cardiovascular. La enfermedad renal puede ser la causa o la consecuencia de la enfermedad cardiovascular. La disfunción renal puede surgir a partir de defectos de la arteria renal o de una regulación mal adaptada del sistema de renina-angiotensina o de otros agentes vasoactivos. Las variaciones en el volumen san guíneo crean una hipertensión que altera la función car diaca normal. Muchas personas que presentan una insuficiencia cardiaca congestiva empeoran cuando los cambios de la presión sanguínea afectan a la función renal. Cuando la función cardiaca se deteriora, el riñón responde con una vasoconstricción renal, que conlleva una retención de agua y sodio. El incremento del volu men a su vez exacerba los problemas cardiacos. ! !
Resumen Los anim ales em plean m uchos tejidos y sistem as p a ra controlar el equilibrio iónico, el equilibrio hídrico y la excreción de nitrógeno. El m edio externo
E quilibrio ió nico e hídrico 523
im pone cargas iónicas y osm orreguladoras a los an i m ales. Un factor im portante en la hom eostasis iónica e hídrica es la naturaleza de los solutos encontrados en los fluidos del anim al. Estos osmolitos, que se encuentran en el interior de las células y en el líquido extracelular, son com binaciones de iones inorgánicos y m oléculas orgánicas con efectos complejos sobre la estructura m acrom olecular. Los anim ales desplazan iones hacia dentro y hacia fuera de la célula p ara conservar o v ariar el volum en celular. Los increm en tos en el volum en regulador (RVI) y las dism inuciones en el volum en regulador (RVD) form an p arte de estrategias com pensatorias p a ra recu p erar el volu m en norm al de la célula, pero tam bién contribuyen con las vías de señalización que actúan variando el volum en celular. Los tejidos epiteliales form an u n a b a rre ra entre el anim al y el entorno y son los sitios principales de intercam bio de iónico e hídrico. Los tejidos epitelia les de los anim ales terrestre s poseen capas resisten tes al agua que actúan como b a rre ra s osm óticas p ara im pedir la pérdida de agua. Otros tejidos epiteliales especializados intervienen en la regulación osmótica e iónica, entre ellos las branquias, el tracto digestivo y los tejidos excretores especializados, como la glán dula rectal del elasm obranquio y las glándulas de sal de reptiles y aves. Como el am oniaco es tóxico, los anim ales deben ser capaces de elim inar este producto final nitroge nado del m etabolism o de los aminoácidos. Las tres estrategias principales, definidas por la form a princi pal que tom a el producto final nitrogenado, son la am oniotelia (NH4+), uricotelia (ácido úrico) y la ureotelia (urea). La m ayor p arte de los anim ales acuáticos son amoniotélicos, m ientras que los anim ales terres tres son uricotélicos (reptiles y aves) o ureotélicos (mamíferos). En cada taxón hay especies atípicas que en ciertas condiciones excretan u n a form a de pro ducto final nitrogenado diferente al de las especies relacionadas. La u rea es producida en el ciclo de la ornitina-urea, que está regulado a dos niveles: niveles enzim áticos y regulación alostérica. Las especies no m am íferas tam bién producen concentraciones altas de u rea y los peces cartilaginosos producen urea como soluto antes que como producto excretorio. La m ayor parte de la responsabilidad relativa a la regulación hídrica y iónica en vertebrados recae sobre el riñón. La orina se form a m ediante cuatro procesos: la filtración, la reabsorción, la secreción y la excre ción. La filtración se lleva a cabo en el glomérulo, una red de vasos capilares en form a de bola rodeado por la cápsula de Bowman de la nefrona. Desde la cápsula de
524 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Bowman, la orina prim aria entra en el túbulo proxi m al y luego sigue a través del asa de Henle, con sus ram as descendentes y ascendentes. El líquido a con tinuación fluye por el túbulo distal y a través de los túbulos colectores pasa a los uréteres, luego a la vejiga urin aria y, tras de un periodo de alm acenam iento, sale de la uretra. Algo prim ordial p ara la nefrona es el sis tem a de contracorriente establecido entre el asa de Henle y el túbulo colector, juntam ente con los vasos capilares que abastecen a la nefrona. La función ren al está regulada a m últiples nive les. La presión de filtración glom erular se ve afectada p o r la p resión hidrostática y gradientes de presión oncótica entre el glomérulo y la cápsula de Bowman. La ta sa de filtración glom erular está regulada por factores que influyen en la presión de filtración así como tam bién el área de superficie disponible p ara la filtración. E stas propiedades están bajo el control de h o rm onas y n eurotransm isores. La vasopresina alte r a la perm eabilidad del túbulo colector. La aldoste ro n a regula equilibrio del sodio y del potasio. La vía renina-angiotensina-aldosterona regula la presión sanguínea. El péptido natriurético auricular tam bién desem peña u n papel en el equilibrio del sodio. N um erosas h o rm onas detectan el equilibrio hídrico y envían señales a la región del sistem a nervioso cen tra l que controla la sed. Hay im a variación considerable en la estructura y la función de los sistem as excretores entre los ani m ales. Los invertebrados tien en riñones primitivos, como los protonefridios y los m etanefridios. El riñón del insecto son los tubos de Malpigio. Los riñones de los v ertebrados difieren entre taxones y varían según las condiciones del entorno. Los riñones del tiburón retien en u rea m ien tras producen u n a orina hiposm ótica. Los riñones de los peces de agua dulce pro ducen cantidades copiosas de orina diluida, m ientras que los peces m arinos poseen unos riñones m uy reducidos y producen poca orina. Los riñones de re p tiles y aves pueden producir orina hiperosm ótica. Los v ertebrados del desierto tam bién producen volú m enes pequeños de orina hiperosm ótica como m eca nism o de conservación hídrica.
P reguntas de revisión 1. Com pare la estructura y el funcionam iento de la glándula de la sal de las aves con la glándula rec tal de los elasm obranquios. 2. Plantee cómo los sistem as de contracorriente ayudan a la función renal.
3. Compare los tipos de nefronas en los in vertebra dos y los vertebrados. 4. ¿Cuáles son los seis papeles principales del riñón? 5. ¿Cómo se controla la tasa de filtración glom eru lar?
6 . Existe u n a relación entre el volum en de orina producida y el tipo de desechos de nitrógeno excretado por un organism o. ¿Cuál es esta rela ción y por qué se presenta? 7. Compare los gastos energéticos en las diferentes estrategias excretoras.
8 . ¿Cómo es la energía em pleada en el bom beo de iones? 9. Si se asum e una disociación completa, ¿cuál de las siguientes soluciones ten d rá un a m ayor osm olari dad: glucosa 150 mM, NaCl 80 mM, N a,S0 4 90 mM o urea 210 mM? 10. Exponga el increm ento y la dism inución del volu m en regulador en relación con el potencial de la m em brana. 11. En un riñón norm al, ¿cuál de las siguientes situa ciones causaría im increm ento en la GFR? a) La constricción de la arteriola aferente. b) La dism inución de la presión hidrostática en el glomérulo. c) El aum ento de la presión hidrostática en la cápsula de Bowman.
P reguntas de síntesis 1. ¿Se deriva m ás agua de la oxidación del glucógeno, de las proteínas o de los lípidos? 2. Exponga la integración de los sistemas respirato rios y excretores en el control del equilibrio del pH. 3. D escriba el papel de los nervios y los m úsculos en el control del equilibrio iónico e hídrico. 4. Se h a explicado la variación de las propiedades cinéticas y la localización de las enzim as en la síntesis de urea. ¿Qué procesos genéticos p odrían ser responsables de estos cam bios d urante el transcurso de la evolución? 5. Si u n a acuaporina puede tra n sp o rta r 10 9 m oléculas de agua po r segundo, ¿cuántos canales serían necesarios p ara reducir el volu m en de un a célula de 1 (il a la m itad? Pista: ¿C uántas las m oléculas de agua hay en un 1 |il de agua? 6. Los supresores de la enzim a de conversión de la angiotensina (inhibidores de la ACE) se usan p a ra tra ta r la presión alta. M ediante un dia
C A P ÍTU LO 11
g ram a de flujo, explique por qué estos fárm acos son útiles p a ra tra ta r la hipertensión. 7. El riñón de chochín de los cactus concentra la orina
de m anera m enos eficaz que los riñones de una rata canguro, pero el chochín de los cactus produce m enos orina. En una o dos frases, explique esta contradicción aparente.
8 . Una perso n a con cirrosis hepática tiene unos nive les de proteínas plasm áticas inferiores a lo norm al (porque la producción de albúm ina, u n a de las proteínas principales del plasm a, disminuye) y son m ás altos que la GFR norm al. Explique por qué la dism inución en la concentración de proteí n as plasm áticas increm entaría la GFR.
E quilibrio ió nico e hídrico 525
9. E xplique p o r qué u n individuo con u n a con cen tració n de glucosa p lasm ática de 375 m g en 100 m i de sa n g re p re s e n ta rá glucosa en la o rina. (Nota: La glucosa p lasm ática n o rm al es de - 1 0 0 m g/100 m i de sangre, la GFR n o r m al es de - 1 8 0 1/d ía , y la ta s a m áxim a de tra n sp o rte de la glucosa en el riñ ó n es de -3 7 5 m g/m in.). 10. La m ayoría de los peces de agua dulce son inca paces de sobrevivir en aguas con concentra ciones altas de bicarbonato. Dibuje un diagram a de u n a branquia de un pez de agua dulce y m edi ante dicho diagram a plantee u n a posible razón fisiológica p a ra este argum ento.
C a p í tu lo 1 2 Digestión
L
a fis io lo g ía de la d ig e s tió n fu e un m is te rio h a s ta fin a le s d e l s ig lo xvm. H a cia 1780, Lazza ro S p a lla n z a n i c o m e n z ó a e x a m in a r lo s p ro c e s o s q u ím ic o s q u e se p r o d u c ía n en el in te s tin o . A l ig u a l q u e lo s in v e s tig a d o r e s a n te rio re s , s a bía q u e h a b ía a lg o en el e s tó m a g o q u e m o d ific a b a la t e x tu r a y la c o n s is te n c ia de lo s a lim e n to s . E s tu d ió el Correcam inos con un lagarto.
p r o c e s a m ie n to g á s tric o al r e u n ir lo s c o n te n id o s e s to
m a c a le s de a n im a le s v iv o s . H izo q u e a n im a le s tra g a ran e s p o n ja s secas en c a u tiv id a d y tu b o s d e m e ta l, los
ju g o s g á s tric o s d e s c o m p o n ía n lo s a lim e n to s . En 1836
cu a le s , al e x tra e rs e , se c o n v irtie ro n en d e p ó s ito s de ju
T h e o d o r S c h w a n n p r o p u s o q u e lo s ju g o s g á s tric o s
g o s g á s tric o s . C u a n d o S p a lla n z a n i m e z c ló e s to s ju g o s
c o n te n ía n u n a s u s ta n c ia q u ím ic a q u e d e n o m in ó p e p s i
c o n a lim e n to s , d e s c u b rió q u e lo s tro z o s d e c a rn e se
na, q u e c o n ta b a c o n la c a p a c id a d de d ig e r ir lo s a lim e n
a b la n d a b a n y la le ch e se cu a ja b a .
to s . Se a c e p tó e n to n c e s q u e lo s ju g o s d ig e s tiv o s de la
A p r in c ip io s de 1800 v a r io s in v e s tig a d o r e s e u r o
c a p a c e s de d e s c o m p o n e r lo s a lim e n to s . M u c h o s c ie n
de e x a m in a r la c a p a c id a d q u ím ic a d e lo s ju g o s g á s tr i
tífic o s d e ese m o m e n to , e n tre e llo s C la u d e B e rn a rd ,
c o s . A l m is m o t ie m p o , un c ir u ja n o e s ta d o u n id e n s e lla
cre ía n q u e c a d a t e jid o p ro d u c ía el m is m o a g e n te d i
m a d o W illia m B e a u m o n t in ic ió s u s p r o p io s e s tu d io s
g e s tiv o , p e ro q u e el c o m p o r ta m ie n to d ife ría c o m o re
s o b re lo s p ro c e s o s e s to m a c a le s . S i b ie n el p r o c e d i
s u lta d o de u n a v a r ia c ió n en la a c id e z . Se d e m o s tró p o r
m ie n to q u ir ú r g ic o q u e re a liz ó en u n a v íc tim a de h e rid a
p rim e ra v e z a m e d ia d o s de 1800 q u e lo s ju g o s d e l p á n
de b a la s a lv ó la v id a d e l p a c ie n te , q u e d ó un o r ific io
c re a s , la s a liv a y el e s tó m a g o c o n ta b a n c o n c a p a c id a
p e rm a n e n te o fís tu la , q u e ib a de la p a re d a b d o m in a l al
de s d ig e s tiv a s d ife re n te s p o r lo s d is tin to s a g e n te s
e s tó m a g o , lo q u e p e r m itió q u e B e a u m o n t, c o n el d e b i
q u ím ic o s p re s e n te s en c a d a u n o . La a -a m ila s a s a liv a l
d o c o n s e n tim ie n to d e l p a c ie n te , e x tra je ra m u e s tra s de
era ca p a z de d e s c o m p o n e r el a lm id ó n de la p a ta ta en
lo s ju g o s g á s tric o s en d iv e rs o s m o m e n to s p o s te rio re s
c u e s tió n de s e g u n d o s , m ie n tr a s q u e la p e p s in a n o c o n
a la in g e s ta de a lim e n to s . La fís tu la s ig u e s ie n d o una
ta b a c o n esa c a p a c id a d . E stas o b s e rv a c io n e s se p re
h e rra m ie n ta ú til p a ra lo s in v e s tig a d o re s , d a d o q u e
s e n ta ro n m u c h o a n te s q u e se fo r m u la r a el c o n c e p to de
c o n s titu y e un m é to d o p a ra t o m a r m u e s tra s d e f lu id o s
c a tá lis is e n z im á tic a . H acia fin a le s de 1800 se a c e p tó el
q u e o c a s io n a p o c a te n s ió n en el a n im a l. H a cia 1820 se
c o n c e p to g e n e ra l s o b re las e n z im a s , a u n q u e la n a tu r a
s u p o q u e , s i b ie n lo s ju g o s g á s tric o s d e lo s a n im a le s
leza de é s ta s c o m o p ro te ín a s c o n tin u ó en d is p u ta ha s
en a y u n a s e ra n n e u tro s , se v o lv ía n á c id o s c u a n d o é s
ta la d é c a d a de 1920.
to s se a lim e n ta b a n . B e a u m o n t d e te r m in ó q u e la acid e z p o r s í m is m a no era s u fic ie n te p a ra e x p lic a r c ó m o lo s 526
s a liv a , el e s tó m a g o y el p á n c re a s c o n te n ía n a g e n te s
p e o s a m p lia r o n lo s e s tu d io s de S p a lla n z a n i c o n el fin
El a s p e c to m e ta b ó lic o d e la fis io lo g ía d ig e s tiv a se c o n v ir tió en la p a s ió n de lo s p r im e r o s e n z im ó lo g o s . En
hasta el d e scu b rim ie n to de las v ita m in a s a p rin c ip io s de 1900. A ho ra se sabe que el b erib e ri c o nstitu ye un síntom a del d é fic it de tia m in a y que el escorbuto se debe a una fa lta de vita m in a C. Con una m a y o r co m pre n sión de la catálisis y el pa pel de las v ita m in a s, los p rim e ro s e nzim ó lo g o s co menzaron a e x am in a r las co m ple ja s vías m etabólicas. Los e studios sobre la fe rm e nta ció n de la levadura con duje ro n a im p o rta n te s d e s c u b rim ie n to s sobre cóm o las enzim as se co m bin a n para llevar a cabo el m e ta b o lism o in te rm e d ia rio . A d iferencia de los fis ió lo g o s , los b io q u ím ic o s m e ta b ólicos eran m ás e q u ita tiv o s a la hora de seleccionar los m o de lo s de e x pe rim e ntació n. Los b io q u ím ic o s de este perio d o, K ornberg inclu id o , e stu d ia ro n las bacterias, los hongos, las plantas y los Cam aleón cazando la presa.
te jid o s de m uchas especies a nim ales a fin de revelar los secretos de la fu n c ió n enzim ática y las vías m eta
su a u to bio gra fía For the Love o f Enzimes ("P asión por
bólicas. Estos estu d io s e x plica ro n las relaciones m ecanicistas entre la n u tric ió n , la d ig e stió n, el m e ta b olism o
las e nzim a s"), A rth u r K ornberg describe los p rim e ro s
e ne rg é tico y la biosíntesis. •
años de la b io q u ím ica m etabólica y la n u trició n . En los años v e in te y tre in ta p re d o m in a ro n los "cazadores de v ita m in a s ". Hacía tie m p o que se había aceptado el concepto de que d ete rm in a da s dietas podían ocasio nar graves disfun cio ne s y enferm edades. Los m a rin o s b ritán ico s padecían escorb u to , una enfe rm e d a d que se m anifie sta co m o el d e te rio ro del te jid o co n ju n tivo . Era posib le p reve n ir esta e nferm edad al in c lu ir lim as u otras fru ta s cítricas en la a lim e nta ció n de los m arinos. Hasta la década de 1880 la arm ada japonesa se a lim e n taba p rin cip a lm e n te de arroz y perdía a uno de cada tre s m a rin o s p o r una e nferm edad den o m ina d a beribe
ri, que venía acom pañada de pérdida de las fun cio n e s nerviosas y m usculares. En m enos de tre s años de ha ber a doptado el régim en a lim e n ta rio de los m arinos britán ico s, las m uertes p o r berib e ri habían casi des aparecido en la arm ada japonesa. La naturaleza de los agentes de p rotección en esta dieta no se co nocieron
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Integrando sistem as fisiológicos
I Presentación La fisiología digestiva se vincula con todos los tejidos que contribuyen a la descomposición física y química de los alimentos: el sistem a sensorial empleado p ara encontrar el alimento, las estructuras físicas que se encargan de corrom perlo m ecánicam ente y los proce sos químicos que lo descom ponen en form as que pue den tran sp o rtarse y m etabolizarse en otras moléculas
Tracto Gl -
F igura 12.1.
(Figura 12.1). La asimilación, es decir, el proceso secuencial de adquisición y absorción de nutrientes, com ienza cuando los aparatos neurosensoriales, como las antenas de un insecto o los sensores eléctri cos de un pez navaja, se utilizan p a ra buscar alimento. Cuando se localiza el alimento en el entorno, debe capturarse por medio de partes anatóm icas específi cas como las pinzas de la langosta, las garras del águila o las probóscides del mosquito. Una vez obte nido, se deshace el alimento con la ayuda de otras estructuras especiali zadas, como los dientes de los m am í feros o la lengua del caracol. A continuación, los anim ales em plean procesos químicos a fin de convertir los grandes trozos de alimentos en m acromoléculas y moléculas m ás pequeñas. Puede m acerarse o ablan darse el alim ento al sumergirlo en flui dos como la saliva. La descomposición química es principalm ente enzim ática y en la m ayoría de los casos se lleva a cabo en el exterior del animal. Cabe destacar que la superficie interna del tracto gastroin testin al se encuentra contigua al entorno externo. El tracto gastrointestinal, o el tracto GI, como se lo conoce habitual m ente, sorprende por su complejidad. Se compone de muchos tipos de célu las: las células de absorción que absor ben los nutrientes, las glándulas que secretan grupos de sustancias quími cas (mucosa, ácido, iones y enzimas), los músculos que controlan la form a y motilidad del tracto GI y los nervios que regulan la función de este tracto. Una vez que se descom ponen los nutrientes en el lum en del tracto GI, se transportan a las células. El alimento que no se digiere se expulsa del cuerpo m ediante el proceso de la egestión.
D ig e stió n .
Los anim ales utilizan diferentes com binaciones de procesos sensoriales y m ecáni cos a para obtener e in g e rir el alim ento. La vista y el olfato son fundam entales en las estrategias de alim entación de la m ayoría de los vertebrados. A l obtenerse, el a lim ento se som ete al proceso de la digestión. Por lo general la ingesta comienza cuando éste se deshace m ecánicam ente en el tracto Gl anterior, seguido por el procesam iento quím ico del m aterial a lim entario que se necesita para la a sim ila ción. El m aterial sin d ig e rir se expulsa del anim al.
La naturaleza y adquisición de I los nutrientes Todas las m oléculas orgánicas del p lan eta poseen energía quím ica, aunque los anim ales sólo pueden
CAPITULO 12
c a p tu ra r la energía a p a rtir de u n pequeño subgrupo de dichas m oléculas. El alim ento constituye u n a m u estra del entorno exterior, un a m ezcla h e te ro g én ea de m ateriales digeribles y no digeribles. Los n u trie n te s son las m oléculas externas que p e r m iten que los anim ales fabriquen y m an ten g an las células. Com enzarem os el análisis de la fisiología digestiva con el estudio de la natu raleza de los n u trientes.
Los nutrientes La ingesta es la vía principal por la cual los anim ales acceden a las sustancias quím icas del entorno. Si bien m uchos anim ales acuáticos obtienen algunos iones esenciales al im portarlos po r las superficies epiteliales externas, tales como las b ranquias y la piel, la m ayoría de los anim ales absorben los n u trientes m ediante el epitelio del tracto gastrointes tinal. Algunos de los n u trientes asim ilados se degra dan p ara lib erar energía quím ica, m ientras que el resto se em plea como bloques de construcción. M uchas de las m acrom oléculas que los anim ales necesitan p ara la biosíntesis no pueden sintetizarse de cero, p o r lo que es fundam ental contar con una fuente de alim entos. Los nutrientes esenciales, las sustancias quím icas que deben obtenerse de la ali m entación, incluyen la m ayoría de las vitam inas y m inerales, así como varios am inoácidos y ácidos gra sos. Los nutrien tes no esenciales, po r otro lado, son las sustancias quím icas que el anim al puede producir a p artir de otras moléculas.
Digestión 529
Las necesidades energéticas de un anim al depen den de diversos factores. El consum o de energía m etabólica a largo plazo refleja las necesidades de energía alim entaria a largo plazo. A corto plazo, el consum o y la utilización de energía r a ra vez se encuentran en equilibrio, por lo que el nivel energé tico debe am ortiguarse recurriendo a la energía alm acenada. El tam año corporal, los niveles de acti vidad, la tasa de crecimiento, el estado reproductor y la tensión am biental son los factores m ás im portan tes que influyen en el índice m etabólico de un anim al y, por lo tanto, en la dem anda de energía alim entaria. Estos factores tam bién explican las diferencias en la dem anda energética entre las distintas especies. Cada m acrom olécula cuenta con un contenido energético específico, que se m ide como equivalente calórico. Un gram o de proteína o carbohidrato posee 4 kcal de energía, m ientras que la grasa tiene 9 kcal por gram o. Así, a fin de obtener la m ism a cantidad de energía, un anim al debería ingerir el doble de p ro teínas que grasa. La energía en bruto se m ide de form a experim ental m ediante la calorim etría. El m aterial alim entario se reduce a cenizas y la produc ción calórica resultante refleja el contenido energé tico global. No obstante, no todos los alim entos ingeridos po r un anim al son digeribles (Figura 12.2).
La alimentación aporta energía para la actividad, el crecimiento, el mantenimiento y la reproducción La alim entación sum inistra los nutrientes que los anim ales pueden oxidar p a ra obtener energía. Cada dieta cuenta con u n contenido energético que puede describirse p o r m edio de u nidades de energía: julios (o calorías1). Es necesario contar con u n a cantidad suficiente de energía en la alim entación p a ra satisfa cer la necesidad m etabólica del anim al, tam bién cal culada en julios.
1 La unidad energética caloría se utiliza en dos contextos. En los textos científicos 1 cal = 0,001 kcal = 4,18 julios. No obs tante, es posible emplear el término Caloría (con C mayúscula), que equivale a 1 kcal.
F ig u ra 12.2.
E n e rg ía a lim e n ta r ia .
No toda la energía alim entaria es digerible. El m aterial sin di gerir, com o la fibra alim entaria, se pierde en las heces. A lg u nos de los nutrientes absorbidos por el intestino se pierden en la orina, sin ser m etabolizados por el anim al. Una parte de la energía m etabolizable se libera com o calor durante el pro ceso de digestión. El resto se em plea com o com bustible para la actividad, el crecim iento, la reproducción y otro s procesos necesarios para la vida que consum en energía.
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Integrando sistem as fisiológicos
Si uno se alim entara solam ente de astillas de m adera (4 kcal/g), obtendría poca energía debido a que no es posible digerir el m aterial vegetal p a ra lib erar la energía quím ica atrap ad a en las m oléculas de celu losa. La energía en bruto que puede descom ponerse constituye la en erg ía digerib le, m ientras que el resto se pierde en las heces. De esta energía digerible sólo u n a peq u eñ a p arte form a la en erg ía m eta b o li zab le, m ien tras que el resto de los nutrientes absor bidos se elim inan en la orina. G ran p arte de esta energía m etabolizable se em plea p a ra sostener el m antenim iento, el crecim iento y la reproducción: esto se denom ina en erg ía n eta. El resto de la en er gía m etabolizable se pierde como resultado del pro ceso de digestión. Esta energía, llam ada acción din ám ica esp e cífica (SDA), se refleja en el aum ento del índice m etabólico d u ran te el proceso digestivo. Toda perso n a que se haya excedido en alguna com ida festiva reconocería la SDA. El calor calienta el cuerpo y, jim to con los n eurotransm isores, pro duce som nolencia. Muchos d epredadores grandes, como leones y serpientes, du erm en tra s h ab erse ali m entado abundantem ente. La SDA o, como suele denom inarse habitual m ente, el incremento de calor es una im portante fuente de energía térm ica p a ra el animal. El calor de la digestión se transfiere rápidam ente al resto del cuerpo p o r medio de la alta vascularización del tracto GI. De este m odo, la SDA contribuye con la produc ción calórica en los anim ales de sangre caliente, red u ciendo así la necesidad de contar con vías term ogénicas específicas. P ara un colibrí que se ali m enta en im a fría m añana, la SDA realiza un im por tante aporte p a ra la producción calórica global del cuerpo, hecho que lo ayuda a sobrellevar las bajas tem p eratu ras y el néctar frío. La ingesta de una ración norm al de néctar a 4 °C crea el m ism o desafío térm ico que al que enfrenta el colibrí cuando se encuentra en un entorno de 15 °C. En algunos anim a les de sangre fría la SDA produce un calentam iento local a fin de acelerar la tasa de digestión. El atún rojo, p o r ejemplo, posee intercam biadores de calor a contracorriente p a ra ayudarlo a reten er el calor en el tracto GI, acelerando así la digestión.
Un suministro inadecuado de aminoácidos esenciales afecta al crecimiento Los anim ales utilizan 20 am inoácidos p a ra fabricar p roteínas (véase la Figura 2.30). El anim al puede producir la m ayoría de ellos de cero, aunque existe u n subgrupo de am inoácidos que deben obtenerse
preform ados de la alim entación. H abitualm ente exis ten ocho am inoácidos esenciales: isoleucina, leucina, Usina, m etionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Algunas especies cuentan con am inoácidos esenciales adicionales: po r ejemplo, la histidina y arginina son am inácidos esenciales p ara los perros dom ésticos y las tortugas m arinas. Si bien el am ino ácido tau rin a no se utiliza en las proteínas, es nece sario p a ra otros procesos, entre ellos la digestión, la función nerviosa y la osm orregulación. La tau rin a es un am inoácido esencial p ara varios anim ales, inclui das cada un a de las 30 especies de gatos estudiados a la fecha. En otras palabras, no alim ente a su gato con com ida p a ra perros. Si la alim entación presenta un prolongado déficit de alguno de los am inoácidos esenciales, el anim al puede sufrir defectos en el desarrollo o im creci m iento m ás lento. Dado que la proteína alim entaria es la fuente de dichos am inoácidos, la calidad pro teica, es decir, el perfil de am inoácidos en la proteína alim entaria, constituye un tem a nutricional clave. Los tejidos anim ales proporcionan u n a proteína ali m entaria de m ayor calidad que la sum inistrada por los tejidos vegetales, debido a que poseen un perfil de am inoácidos que se asem eja m ás a las necesidades de otros anim ales. Por el contrario, las proteínas vegetales suelen ser deficientes en uno o m ás am ino ácidos esenciales. Por ejemplo, las proteínas del m aíz carecen de triptófano. Los herbívoros pueden evitar la escasez de am inoácidos al ingerir plantas con dife rentes com binaciones de déficits.
Los animales necesitan el ácido linoleico y linolénico en la alimentación Tal como analizam os en el Capítulo 2, los anim ales utilizan los lípidos p a ra diversos fines, entre ellos la producción energética, las m em branas celulares (fosfolípidos) y señalización celular (prostaglandinas y leucotrienos). Son capaces de producir de cero un amplio espectro de ácidos grasos que varían en la longitud y desaturación de las cadenas. Por ejemplo, los anim ales pueden producir palm itato a p artir del acetil-CoA m ediante la enzim a ácido graso sintasa y luego m etabolizarlo a otras form as po r m edio de elongasas (que increm entan la longitud de la cadena de ácidos grasos) y d esaturasas (que introducen enlaces dobles). No obstante, los anim ales no son capaces de producir cantidades suficientes de ácidos grasos om ega-3 (co3) y om ega -6 (co6) de cero. Por el contrario, deben ingerirlos a través de la alim enta ción, habitualm ente como ácido linoleico (18:2 co6) y
CAPITULO 12
a-ácido linolénico (18:3 co3). Los hum anos pueden satisfacer fácilm ente la necesidad de co3 al consum ir pescado. Los peces tam bién obtienen los ácidos gra sos ta3 de la alim entación, en últim a instancia de las plantas fotosintéticas que se encuentran en la base de la cadena alim entaria. Las sem illas de las plantas son la m ejor fuente alim entaria de ácidos grasos co6 .
Las vitaminas y minerales participan en la catálisis Las vitam inas son un grupo de m oléculas sin enlaces químicos entre sí que cum plen diversas funciones. P ara sim plificarlas, p o r lo general se las clasifica de acuerdo con la solubilidad. Las vitam inas liposolubles son la A, la D, la E y la K, m ientras que las vita m inas hidrosolubles com prenden la fam ilia B y la vitam ina C (Tabla 12.1). La solubilidad influye tanto el m odo de ingesta como la toxicidad potencial. Un anim al puede consum ir im a abundante cantidad de vitam inas hidrosolubles con pocos efectos adversos, dado que el exceso se elim ina fácilm ente en la orina. Sin em bargo, las vitam inas liposolubles suelen ser
Tabla 1 2 .1 .
Digestión 531
problem áticas, dado que se acum ulan en los tejidos adiposos y pueden liberarse en un pulso tóxico cuando se tran sp o rtan las grasas. Algunos anim ales obtienen determ inadas vitam i n as de las bacterias sim bióticas que h abitan en el tracto GI. Por ejemplo, la flora intestinal de la m ayo ría de los m am íferos produce la vitam ina C necesaria p a ra la dieta. Los hum anos, a diferencia de la m ayo ría de los m am íferos, deben obtener la vitam ina C preform ada de la alim entación. Casualm ente, algu nos de los prim eros estudios sobre la vitam ina C se realizaron en los conejillos de indias, que tam bién ingieren la vitam ina C a través de la alim entación. La absorción de las vitam inas es u n a de los beneficios principales de un a estrategia de alim entación cono cida como la coprofagia. Los conejos, por ejemplo, ingieren sus propias heces a fin de recu p erar las vita m inas perdidas en el m aterial indigesto. Si bien la coprofagia aum enta el riesgo de contraer parásitos y enferm edades, p resen ta im portantes ventajas n u tri cionales p a ra algunos anim ales, incluida una segunda oportunidad de extraer nutrientes de los vegetales de los que se alim entan.
V ita m in M y l f
Vitamina*
Funciones
Síntomas de deficiencia
A, retinol
Pigmentos visuales, regulación génica
Hemeralopía, daño epitelial
D, calciferol
Absorción de calcio y fosfato
Raquitismo
E, tocoferol
Antioxidante
Anemia
K, m enadiona
Coagulación sanguínea
Hemofilia
V itam inas liposolubles
V itam inas hidrosolubles B1, tiamina
Coenzima: pirofosfato de tiamina
Beriberi
B.¿, riboflavina
Coenzima: FAD, FMN
Varios trastornos cutáneos
Bv niacina
Coenzima: NAD, NADP
Pelagra
B5, ácido pantoténico
Coenzima: coenzima A
Alteraciones en la función renal y disfunción reproductiva
B6, piridoxina
Coenzima: piridoxal fosfato
Neuritis periférica
Biotina
Coenzima: biotina
Caída del cabello, problemas cutáneos
Ácido fólico
Coenzima: tetrahidrofolato
Anemia megaloblástica
B12, cobalamina
Coenzima: metilcobalamina
Anemia perniciosa
C, ácido ascórbico
Antioxidante, crecimiento de los tejidos conjuntivos
Escorbuto
* Las vitam inas se e n u m e ra n seg ú n la fo rm a en q u e a p a re c e n en la alim en tació n . Los a n im ales m odifican alg u n a s de ellas p a r a p ro d u cir m oléculas vitales. Por ejem plo, el retin o l se convierte en retin a l p a r a p ro d u cir el pigm ento visual.
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Integrando sistem as fisiológicos
Los nutrien tes m inerales son u n a agrupación de elem entos m etálicos que p articipan en la estructura proteica. En el Capítulo 2 se analizó el papel de los m inerales en las reacciones enzim áticas (véase la Tabla 2.6). Los anim ales acuáticos obtienen la m ayo ría de los n u trien tes esenciales directam ente del agua, tran sp o rtán d o lo s p o r las bran q u ias o la piel. No obstante, la m ayoría de los m inerales se ab so r ben de la alim entación. El calcio en tra a la célula in testinal p o r m edio de los canales de Ca2+ regulados p o r voltaje y se exporta a la sangre a través de las Ca2+ ATPasas. El proceso de tran sp o rte se acelera con la p resencia de la p roteína calbindina. La ab so r ción de Ca2+ se controla con la vitam ina D, que regula la síntesis de la calbindina. El fósforo se im p o rta a las células intestinales como fosfato in o r gánico m ediante los cotran sportadores de N a+. El h ierro se im porta en la form a ferrosa (Fe2+) a través de u n tran sp o rtad o r de m etales divalente, cotransportado con el H+. Si el h ierro se ingiere de la alim entación incorporado al hem o, puede tra n s p o rtarse a la célula de esta form a. Otros m inerales como el cobre y el zinc tam b ién se tran sp o rtan a las células intestinales p o r m edio de tran sp o rtad o res específicos. U na vez que se absorben, estos m in era les se expulsan de la célula in testinal a la circulación. Los tejidos objetivo im p o rtan los m inerales de la sangre de acuerdo con las necesidades de sus p ro pios procesos biosintéticos.
La digestión de determinados nutrientes requiere enzimas específicas Las enzim as digestivas perm iten que los anim ales conviertan las com plejas m acrom oléculas que se ingieren en la alim entación a form as que sean capa ces de ab so rb er y de p ro cesar a form as útiles. Si bien la natu raleza de la alim entación es muy variada, la m ayoría de los anim ales dependen de los m ism os grupos de enzim as digestivas. • Las lipasas liberan ácidos grasos de los triglicé ridos (triglicérido lipasas) y los fosfolípidos (fosfolipasas). • Las p ro te a sa s (tripsina, quim iotripsina) d es com ponen las p ro teín as en polipéptidos m ás cortos. Las p ep tid a sa s son pro teasas que ro m pen los am inoácidos sucesivos desde el extrem o de u n polipéptido. Las am inopeptidasas atacan la p rim e ra u nión peptídica (del extrem o N), m ien tras que las carboxipeptidasas atacan la últim a u nión p eptídica (de extrem o C). Las di-
peptidasas quiebran la unión peptídica de un dipéptido, dando como resultado dos am inoáci dos. • Las am ilasas tales como la dextrinasa y la glucoam ilasa descom ponen los polisacáridos y los convierten en oligosacáridos. Las disacaridasas como la m altasa, la sacarasa y la lactasa des com ponen disacáridos específicos. • Las nucleasas descom ponen el DNA en nucleóti dos, que luego se rom pen p a ra form ar nucleósidos y bases nitrogenadas p ara la absorción. No todas las m acrom oléculas que se ingieren se som eten al proceso digestivo. Muchos anim ales no son capaces de producir las enzim as necesarias p a ra asim ilar u n a m acrom olécula alim enticia. En algunos casos, los niveles enzim áticos pueden v ariar entre los diferentes individuos. Por ejemplo, con la edad, m uchos hum anos producen u n a m enor cantidad de lactasa, la enzim a que descom pone la lactosa disacárida. Cuando las personas que presen tan intole ran cia a la lactosa consum en productos lácteos, la lactosa sale del intestino anterior sin digerirse y pasa al intestino posterior. La flora intestinal que produce m etano se alim enta de esta rica fuente de energía y crea m olestias en el individuo y desagrado en los que se encuentran a su alrededor.
Los organismos simbióticos contribuyen con la fisiología digestiva animal A p esar de contar con u n a im presionante capacidad de descom poner los alim entos, m uchos anim ales se benefician de la ayuda de los organism os sim bióti cos. Tres tipos principales de organism os simbióticos p articipan en la digestión. Los en terosim b ion tes h ab itan en la luz del m ism o tracto GI. Dado que el interior del intestino es contiguo al entorno exterior, en principio estos sim biontes habitan fuera de los tejidos anim ales. Se denom inan enterosim biontes p ara distinguirlos de los exosim b ion tes, que son los sim biontes que se cultivan de form a activa fuera del cuerpo. Los sim biontes tam bién pueden producirse en el interior del anim al, incrustados entre las células que los albergan. Estos organism os se denom inan en d osim b ion tes2. 2Desafortunadamente, también se emplea la palabra endosimbionte para referirse a las antiguas bacterias que alguna vez habitaron las células y dieron origen a las mitocondrias y cloroplastos. Por supuesto, ambos tipos de endosimbiontes no están relacionados de modo alguno.
C A P ÍTU LO 12
M uchas especies de anim ales son capaces de consum ir y digerir com bustibles poco frecuentes debido a que poseen poblaciones de bacterias sim bióticas especializadas, que po r lo general se locali zan en los in testin o s cieg o s (sacos sin salida que se ram ifican del intestino). Algunas especies de aves se alim entan de la cera que se encuentra en los panales de abejas. Las bacterias intestinales del ave descom ponen la cera en unidades de carbono m ás cortas que el anim al puede absorber. Los anim ales m arinos que se alim entan de plancton pueden digerir el exoesqueleto de quitina con la ayuda de bacterias sim bióticas. Las ballenas m antienen las bacterias quitinolíticas en los intestinos ciegos gástricos. No todos los sim biontes son bacterias. Los ho n gos son im portantes enterosim biontes en m uchos tipos de insectos herbívoros. Las horm igas arrieras alim entan a los hongos exosimbióticos con fragm en tos de hojas que cultiva la colonia de horm igas. E stas horm igas se alim entan luego de los hongos y el m aterial vegetal descom puesto parcialm ente por aquéllos. M uchos anim ales m arinos form an relacio nes sim bióticas con organism os fotosintéticos que crecen intercalados con sus propias células como endosim biontes. Las cianelas son cianobacterias que h ab itan junto con las esponjas. Los dinoflagelados viven como sim biontes de los corales. Las zoox antelas son p eq u eñ as algas p ard as unicelulares que h ab itan en cnidarios y algunos m oluscos. Las zooclorelas son algas verdes que viven en sim biosis con las esponjas, los cnidarios, los platelm intos y algunos m oluscos. Estos sim biontes utilizan la foto síntesis p a ra p roducir esqueletos carbonados que ab so rb en las células del anim al. Las zooxantelas producen glicerol, m ien tras que las zooclorelas p ro ducen m onosacáridos como la glucosa y la m altosa. E stas células sim bióticas se protegen de los d ep re dadores al h a b ita r en el in terio r de los tejidos ani m ales. Quizás la relación endosim biótica m ás ex trañ a es la que se observa en los anim ales que sobreviven en las diferentes redes de alim entación b asad as en azufre (véase la Caja 12.1). La celulosa es u n n utriente im portante p ara m uchos anim ales, aunque la m ayoría de las especies requieren la ayuda de los organism os simbióticos. H asta el m om ento no h a descubierto ningún anim al que cuente con u n gen p ara la celulasa, la enzim a capaz de ro m p er el enlace glucosídico p l-4 que dis tingue la celulosa de los polisacáridos digeribles como el glucógeno (a l-4 ) y el alm idón ( a l - 6) (véase la Figura 2.20). La m ayoría de los anim ales excretan la celulosa sin digerir, que form a el grueso de lo que
Digestión 533
se denom ina habitualm ente fibra alim entaria. No obstante, algunos herbívoros pueden liberar la en er gía de la celulosa obtenida en la alim entación con la ayuda de los organism os sim biontes que h ab itan en el intestino. Estos anim ales pueden absorber p arte de la glucosa generada po r la celulasa, aunque las bacterias ferm entan la m ayor p arte de la glucosa p a ra form ar productos finales anaerobios, entre ellos los ácidos grasos volátiles acetato, butirato y propionato. Los anim ales luego absorben estos productos de ferm entación p ara em plearlos en la biosíntesis o el m etabolism o energético. Por ejemplo, las term itas digieren las fibras de m ad era con la ayuda de los protistas y los hongos. M uchas especies poseen cám aras de ferm entación que albergan bacterias celulolíticas. A dem ás de beneficiarse de la ayuda de las bacte rias p a ra liberar energía, los anim ales pueden dige rirlas. S ecretan la enzim a lisozim a en el intestino a fin de descom poner la pared celular bacteriana. La lisozim a de los rum iantes se h a adaptado p ara fun cionar en las rigurosas condiciones de sus cám aras de ferm entación, m ientras que la lisozim a de la m ayoría de los m am íferos no es capaz de funcionar en dichas condiciones. Curiosam ente, una línea de p rim ates, los colobos, cuentan con cám aras de fer m entación en el intestino anterior que les perm iten digerir la vegetación. La estructura de la lisozima de éstos se asem eja m ás a la de un a vaca que a la de sus parientes prim ates m ás cercanos. Este ejemplo de evolución convergente ilustra las lim itaciones de la función enzim ática anim al y las oportunidades b rin dadas a los anim ales que son capaces de digerir un recurso poco aprovechado.
Los nutrientes se transportan a través de la membrana plasmática mediante portadores o vesículas Tras la digestión, los nutrientes se tran sp o rtan desde intestino y se transfieren a los líquidos extracelulares, donde los tejidos objetivo y de alm acenam iento los vuelven a im portar. Véase el Capítulo 3 p a ra leer los detalles de las diversas m aneras en que las moléculas se tran sp o rtan a través de la m em brana plasm ática. Las moléculas polares, como los m onosacáridos y los am inoácidos, no pueden p en etrar la m em brana plas m ática a una tasa significativa y requieren proteínas portadoras p a ra atravesarla. La naturaleza del pro ceso de transportación p a ra una molécula determ i nad a depende del gradiente transm em branal. Si hay un gradiente de concentración favorable, la célula puede utilizar un portador que funciona por la difu-
534 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 12.1 Evolución y diversidad Simbiontes quimiolitótrofos La mayoría de las redes de alimentación comienzan con los organismos fotosintéticos que utilizan la energía solar para crecer. No obstante, algunos animales que habitan lejos de la luz solar sobreviven en una red de alimentación que se basa en otra forma de obtención de energía: la oxidación química. Los organismos que viven en la base de estas redes de alimentación alternativas son las bacte rias quimiolitotróficas, que producen energía al metabolizar moléculas inorgánicas tales como el amoniaco y varios com puestos sulfúricos. Existen dos tipos principales de entornos rigurosos en los que las bacterias quimiolitotróficas forman la base de la red alimentaria: los desagües de aguas residuales y las fuentes geotérmicas submarinas. Los desagües de aguas residuales contienen elevados nive les de materia orgánica y compuestos tóxicos. Las bacterias qui miolitotróficas que toleran la anoxia se desarrollan con éxito gracias a los sulfuras y la materia orgánica de las aguas residua les, que producen sulfuro de hidrógeno (H2S), también tóxico para muchos organismos. Pocos animales cuentan con la capa cidad de tolerar las limitaciones de oxígeno y los sulfuras tóxicos de las aguas residuales. Algunas especies de insectos larvales y moluscos se desarrollan en los desagües de aguas residuales: pueden soportar las rigurosas condiciones del entorno y se ali mentan de las ricas poblaciones de bacterias quimiolitotróficas. Otro entorno que depende de la red alimentaria basada en los quimiolitótrofos son las fuentes geotérmicas submarinas. Las fisuras de estos volcanes submarinos liberan agua extrema damente caliente en la que abundan los sulfuras. Si bien las aguas circundantes son desiertos fríos, las aguas geotérmicos forman oasis submarinos en los que circula agua templada y oxi genada donde se desarrolla una rica biodiversidad. En este entorno la luz solar es el factor limitante y no el oxígeno. Aquí, al igual que en el caso de los desagües de aguas residuales, las bacterias quimiolitotróficas constituyen la base nutricional del ecosistema, suministrando alimento a muchas especies de invertebrados. Algunos animales, como el mejillón Bathymodiolus thermophilus que crece en las fuentes geotérmicas, reúnen bacterias del agua al alimentarse por filtración. Otros, tales como los poliquetos Alvinella pompejana, se alimentan en las gruesas esteras bacterianas. Estos invertebrados a su vez constituyen el alimento de los depredadores invertebrados y vertebrados que habitan en la frontera de la zona tóxica creada por los sulfuras que emanan de las fuentes geotérmicas. Algunas especies de animales forman relaciones simbióticas con las bacterias qui miolitotróficas. Aparentemente, varias de ellas cultivan dichas bacterias en la piel. Algunas, como la almeja gigante (Calyptogena magnifica), albergan a las bacterias quimiolitotróficas en sus cuerpos como endosimbiontes. Esta relación puede com prenderse mejor en un raro grupo de gusanos denominados pogonóforos. Más de 80 especies de pogonóforos se han descubierto en todo el mundo desde que se los identificó por primera vez a prin cipios de 1900. En 1979, se realizó un descubrimiento notable por medio de un sumergible que exploraba las fuentes geotér micas submarinas en el océano Pacífico. Los pogonóforos gigantes (Riftiapachyptila), que miden más de 1,5 m de longitud y se observaron en varios sitios, habitan en la superficie de con tacto entre las emanaciones de sulfuras tóxicos y el agua de mar frío y oxigenado. El gusano cuenta con una estructura con
La rica biodiversidad de una fuente geotérmica submarina.
aspecto de pluma y de color rojo intenso denominada penacho en la parte anterior. El rojo intenso se debe a las altas concentra ciones de hemoglobina extraceluiar. La parte posterior del gusano se aloja permanentemente dentro de un tubo. Cuando se encuentra solo, el pogonóforo extiende el penacho hacia afuera y lo utiliza para respirar. La característica inusual de los pogonóforos radica en que, como adultos, carecen de una boca y un tracto Gl. Si bien son capaces de absorber algunos nutrientes por el epitelio, obtienen la mayor parte del alimento gracias a una relación simbiótica poco frecuente con las bacterias quimiolitotróficas. Las bacte rias se albergan en elevadas concentraciones en un saco interno llamado trofosoma. El gusano se asegura de que estas bacterias reciban los precursores para la biosíntesis, es decir, el C 02 y el H2S, y luego reúne los productos biosintéticos: los azúcares y aminoácidos. Varias adaptaciones anatómicas y bioquímicas permiten que estos animales habiten en entornos con elevados niveles de sul furo, que son necesarios para la supervivencia de sus simbion tes. Los gusanos reducen la absorción de H2S al permanecer en tubos, limitando así la difusión. Es más, los pogonóforos cuen tan con una hemoglobina inusual que resiste la inhibición impuesta por el H2S. En la hemoglobina de la mayoría de los ani males la unión de H2S evita el enlace con el 0 2. No obstante, la hemoglobina de los pogonóforos es de mayor tamaño y puede enlazarse con H2S sin que se afecte la capacidad portadora de 0 2. De este modo, la hemoglobina suministra oxígeno al gusano y también suministra H S a los simbiontes. Asimismo, esta hemoglobina se une tan firmemente con el H2S que evita que se escape a los tejidos del gusano, donde inhibiría la citocromo oxidasa y envenenaría el sistema de transporte de electrones. Curiosamente, no existen pruebas de que la citocromo oxidasa de los pogonóforos sea menos sensible al H2S que las enzimas de otros animales, por lo que el pogonóforo debe asegurarse de que el H2S no llegue a los tejidos oxidativos. Referencias • Gaill, F. 1993. Aspects of life development at deep sea hydrothermal vents. FASEBJournal7: 558-565. • Hochacka, P. W., and G. N. Somero. 2002. Biochemical adaptation. Oxford: Oxford University Press.
CAPITULO 12
sión facilitada. Por ejemplo, las proteínas GLUT son portad o ras que actúan como interm ediarias de la difusión facilitada de la glucosa a través de la m em b ra n a plasm ática. En el hígado, la GLUT-2 perm ite que la glucosa abandone la célula, m ientras que en los m úsculos la GLUT-1 hace que la glucosa penetre en la célula. En am bos casos la glucosa se transporta de u n a m ayor a u n a m enor concentración. Por el con trario, si el proceso de transportación debe avanzar contra u n gradiente de concentración, la célula debe utilizar algún tipo de transporte activo. Por ejemplo, los am inoácidos son transportados a las células m ediante una proteína p o rtadora que se im pulsa por el gradiente de N a+, u n tipo de transporte activo secundario. Algunos n u trientes se tran sp o rtan a través la m em b ran a plasm ática p o r medio de las vesículas. Las células ab arcan regiones de la m em brana plas m ática p a ra form ar vesículas. Si los nutrientes se en cu en tran disueltos, el proceso se denom ina pinocitosis, m ien tras que si los nutrientes están particula dos, se trata de la fagocitosis. Asimismo, las células pueden expulsar los n u trientes m ediante la exocito sis. E stas vías de endocitosis y exocitosis son fundam entales p ara el m ovim iento de lípidos complejos. En m uchos casos los lípidos se unen de tal form a que a los portad o res de la m em b ra n a les resu lta difícil tran sp o r ta r u n a m olécula de u n a sola vez. Por ejemplo, las lipoproteínas, es decir, complejos de lípido y proteína, se exportan de las Estómago células m ediante la exocitosis.
Digestión 535
en m onosacáridos p a ra ser absorbidos. Las diferen tes am ilasas y disacaridasas que funcionan en el intestino en últim a instancia descom ponen estos car bohidratos m ayores a fm de producir m onosacári dos, principalm ente glucosa, frutosa y galactosa, que los enterocitos del intestino delgado absorben (Figura 12.3). Los anim ales em plean u n a com bina ción de tran sp o rte activo y difusión facilitada p ara tra n sp o rta r los m onosacáridos de la luz a las células de absorción intestinales (enterocitos). La glucosa y la galactosa suelen e n tra r a los enterocitos po r medio de un cotransportador de N a+-glucosa, m ientras que la frutosa, que se produce en concentraciones relati vam ente m enores en el citoplasm a, p en etra la célula m ediante la difusión facilitada. Varios años de investigación h a n dado como resultado u n a m ejor com prensión de los m ecanis m os po r los cuales el tracto GI absorbe la glucosa. La m ayor p arte de ella se tra n sp o rta a las células intestinales po r m edio de un co tran sp o rtad o r de N a+-glucosa 1 (SGLT-1). Un segundo tipo de m eca nism o de tra n sp o rte de glucosa facilita la difusión de ésta po r las células d u ran te los periodos de alta
Los carbohidratos se hidrolizan en la luz y se desplazan mediante diversos portadores Los principales tipos de carbohi dratos que los anim ales consu m en son los polisacáridos; típicam ente se incluyen el glucó geno, el alm idón, la celulosa y la quitina. Los disacáridos tales como la sacarosa, la lactosa y la m altosa tam bién son im p ortan tes p a ra algunas especies. Tanto los polisacáridos como los disa cáridos deben descom ponerse
Figura 12.3.
D ig e s tió n de c a rb o h id ra to s .
El a lm idón y el glucógeno se descom ponen en la boca y el duodeno por la acción de la am ilasa. Los disacáridos que se producen com o resultado vuelven a procesarse en el duodeno m ediante las disacaridasas específicas.
536 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
concentración de glucosa en la luz (Figura 12.4). La p o rtad o ra es la GLUT-2, un m iem bro de la gran fam ilia de p o rtad o res GLUT que m edian la difusión facilitada de la glucosa en varios tejidos. En pocas p alab ras, cuando ap arece p o r p rim e ra vez un bolo de glucosa en el intestino, el SGLT-1 se encarga p rincipalm ente del tran sp o rte. Éste tam bién actúa como u n sen so r de glucosa, activando u n a vía de señalización que lleva a u n a veloz síntesis de la GLUT-2 y el tran sp o rte in tracelu lar del p o rtad o r a las m icrovellosidades. Un anim al puede increm entar su capacidad de transporte de glucosa de varias m aneras, como se indica en la com paración entre las especies. Los estu dios de laboratorio de Jared Diamond en la UCLA han dem ostrado cómo los niveles de SGLT-1 determ inan la tasa de transporte de glucosa. Los anim ales son capa ces de aum entar la absorción de glucosa por medio del increm ento de la cantidad total de portadores SGLT-1 en el intestino al (1) producir m ás portadores por unidad de superficie del intestino, (2) aum entar la
superficie del intestino por unidad de longitud o (3) increm entar la longitud total del intestino. Las com paraciones entre las distintas especies se dificul tan por las diferencias filogenéticas y alim entarias. Consideremos las diferencias entre el tracto GI de una gallina doméstica, que crece rápidam ente, y el de la gallina salvaje de Guinea, un pariente cercano de cre cimiento lento. Estas especies cuentan con im a su perficie (por centím etro de intestino) y capacidad p ortadora de glucosa (por unidad de superficie) simi lares, pero difieren en la longitud del intestino. El intestino m ás alargado de la gallina dom éstica p er mite que asimile los nutrientes a tasas m ás elevadas y, como resultado, que crezca con m ayor velocidad.
Las proteínas se descomponen en aminoácidos mediante proteasas y peptidasas
La vía p ara la digestión de proteínas comienza con la hidrólisis extracelular por medio de proteasas secreta das a p artir de las células del tracto GI y las glándulas relacionadas. La pep Luz sina gástrica descom pone las proteí nas en polipéptidos de mayor tam año, Microvellosidades que luego se transportan al intestino delgado. Allí las proteasas pancreáti cas (tripsina, quim iotripsina y carboxipeptidasa) los descom ponen en polipéptidos m enores, m ientras que las peptidasas de las paredes intesti nales liberan am inoácidos libres, dipéptidos y tripéptidos (Figura 12.5). Los dipéptidos y tripéptidos pueden transportarse a las células epiteliales y descom ponerse de form a citoplasm ática. Los am inoácidos libres se transportan a las células epiteliales m ediante los cotransportadores aminoácido-Na+, al igual que en el caso del transporte de glucosa. Los am inoá cidos libres que los enterocitos no uti Líquido intersticial lizan se liberan en la sangre p ara el uso de otros tejidos. (a) Niveles de glucosa reducidos (b) Niveles de glucosa elevados Si bien la m ayoría de las proteí n as se descom ponen en la luz del Fig u ra 12.4. T ra n s p o rte de c a rb o h id ra to s a la s c é lu la s in te s tin a le s (e n te r o c ito ). estóm ago y el intestino delgado, algu (a) Cuando los niveles de glucosa son reducidos, la m ayor parte de ella se im porta n as proteínas se tran sp o rtan intactas m ediante el portador de glucosa dependiente de Na+ 1 (SGLT-1). La fructosa pene a las células. En prim er lugar se elimi tra en la célula a través de la difusión facilitada del portador de glucosa 5 (GLUT-5). nan de la luz po r endocitosis a través (b) Cuando se elevan los niveles de glucosa, los portadores GLUT-2, o tro tip o de la m em brana apical del enterocito. portadores de difusión facilitada, se transportan a las m icrovellosidades, incre m entando sig nificativam ente la capacidad de absorción de glucosa. Luego se tran sp o rtan por la célula y
C A P ÍTU LO 12
Proteínas
Proteínas
Digestión 537
exterior de las sales biliares y la lecitina. Las micelas se difunden a las microvellosidades, donde los compo nentes simplemente se difunden de la micela, atrave sando la m em brana celular del enterocito. El destino de cada lípido depende de sus p ropie dades físicas (Figura 12.6). Las cadenas cortas de
Pepsina I
Estómago
Polipéptidos grandes Glóbulo graso
Polipéptidos grandes Tripsina, quimiotripsina, carboxipeptidasas
Monoacilglicéridos, ácidos grasos Emulsión por sales biliares y lecitina
I
Microvellosidad del enterocito
Dipéptidos
Gotas de grasa
Dipeptidasas Aminoácidos
Fig u ra 12.5.
D ig e s tió n y tra n s p o rte de la s p ro te ín a s .
En el estóm ago ácido, la pepsina descom pone las proteínas grandes en polipé ptidos grandes. Las proteasas pancreáticas (tripsina, quim io trip sin a , carboxipeptidasa) los hidrolizan en p olipé ptidos pequeños y péptidos. Las am inopeptidasas in testinales, carboxipeptidasas y dipeptidasas com pletan la proteólisis para producir am inoácidos.
se exocitan a la co m en te sanguínea. Por ejemplo, los anticuerpos que en tran en la leche ingerida por im m am ífero pequeño se tran sp o rtan intactos a la san gre, logrando de esta m an era la transferencia de la inm im oprotección de la m adre.
Los lípidos se transportan de diversas maneras La digestión y la im portación de lípidos se ves dificulta das por su carácter hidrofóbico. El tracto gastrointesti nal resuelve las limitaciones de solubilidad al secretar sustancias químicas que actúan como emulsionantes de lípido. La bilis es una mezcla de colesterol, fosfolípi dos, pigmentos y sales que se producen en el hígado y que se secretan en el intestino. Los fosfolípidos, princi palm ente la lecitina, actúan junto con las sales biliares p ara organizar los lípidos en pequeñas gotas denomi n adas m icelas. El colesterol alimentario y las vitami nas liposolubles form an el centro hidrofóbico de la micela. Los ácidos grasos y los monoglicéridos cubren el centro hidrofóbico e interactúan con la cobertura
Trigllicéridos, monoacilglicéridos, colesterol
Ácidos grasos, glicerol
Vesícula tra n s p o rta d o ra ^ ^ Aparato \ de Golgi Vesículas con quilomicrones \
___________
Espacio intersticial Vaso sanguíneo
7Quilomicrones Quilífero
Fig u ra 12.6.
u
T ra n s p o rte de líp id o s por e l in te s tin o .
Los lípidos llegan al intestino delgado en form a de grandes gló bulos insolubles. Un elevado nivel de pH, las sales biliares y los fosfolípidos (lecitina) em ulsionan la grasa en pequeñas gotas de grasa, que se transportan a las microvellosidades, donde los ácidos grasos y los m onoglicéridos pueden introducirse en el enterocito. Una vez en el in terior de éste, el ER tom a los lípidos y los reorganiza en las vesículas que se secretan desde la célula a las glándulas linfáticas circundantes (quilíferos).
538 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
ácidos grasos y glicerol p resen tan la polaridad sufi ciente como p a ra tra n sp o rta rse en la sangre sin ayuda. Una vez ab so rb id as p o r el enterocito, estas m oléculas cru zan la m em b ran a b asal y p e n e tra n en la sangre, p o r la que se tra n sp o rta n al hígado por m edio de la vena p o rta hepática. Las cadenas m ás larg as de ácidos grasos, m onoacilglicéridos y coles tero l son relativam ente insolubles y deben e n tra r en la circulación sistém ica p o r m edio de o tra vía. Una vez que se en cu en tran en el citoplasm a, los ácidos grasos y m onoglicéridos se em plean p a ra volver a sin tetizar el triglicérido. El retículo endoplasm ático liso del enterocito abso rb e los lípidos y los concen tra en las vesículas. É stas luego p asan po r el ap a rato de Golgi y se tra n sp o rta n por las vesículas secreto ras a la m em b ran a basal. D urante este reco rrid o los lípidos se o rganizan en peq u eñ as gotas cubiertas p o r p roteínas. Las vesículas se fusionan con la m em b ran a celular y los com plejos lipídicos denom inados q u ilo m ic ro n e s se lib eran a la linfa que b a ñ a la célula. Los quilom icrones se tra n sp o r ta n p o r la linfa al sistem a venoso. A m edida que via ja n en el to rren te sanguíneo, los tejidos periféricos los procesan. En las células endoteliales de los
lechos capilares, la lipasa lipoproteica descom pone el triglicérido en ácidos grasos y glicerol que ab so r b en los tejidos. El resto de los quilom icrones, p a r cialm ente carentes de triglicéridos, se ex traen del hígado y se reo rg an izan en un complejo lipoproteico rico en colesterol. Los lípidos se tran sp o rtan po r el cuerpo en form a de complejos lipoproteicos, que se clasifican según la densidad de flotación y p resen tan diferen tes tam años y com posiciones (Tabla 12.2). Cada clase de lipoproteínas posee un perfil proteico carac terístico que regula el tran sp o rte y el m etabolism o lipídico. Las lipoproteínas controlan la transferencia de triglicéridos, fosfolípidos y colesterol entre los tejidos (Figura 12.7). Cuando la absorción de carbo hidratos y grasas su p era la dem an d a energética, el hígado responde sintetizando el lípido y enviándolo a otros tejidos p a ra su alm acenam iento. El hígado produce y libera triglicéridos en form a de un com plejo de lipoproteínas de m uy baja densidad (VLDL). A m edida que el VLDL se tran sp o rta por la circula ción, el triglicérido se hidroliza m ediante la lipasa lipoproteica y se agota progresivam ente. Los ácidos grasos liberados en los lechos capilares pueden
La digestión produce quilomicrones que la sangre absorbe y envía a los tejidos periféricos.
t
El hígado toma el resto de los quilomicrones.
(fj~ÉEste reorganiza los lípidos para producir VLDL.
U i Quilomicrones
f
Se absorbe el triglicérido de VLDL, dejando IDL. La IDL intercambia material con
£ la HDL.
f
El hígado elimina la IDL de la circulación. El hígado elimina la LDL de la circulación.
f Vaso sanguíneo del tejido adiposo o músculo
Fig u ra 12.7.
Q u ilo m ic ro n e s y c o m p le jo s lip o p r o te ic o s .
El hígado e intestino producen precursores de HDL. Se produce la HDL. La HDL proporciona proteínas a la IDL.
CAPITULO 12
Tabla 1 2 .2 .
Digestión 539
C o m p o s ic ió n lip o p ro te ic a .
Composición (% de la masa total) Lipoproteína Quilomicrón VLDL
Densidad (g/ml)
Diámetro (nm)
Proteína
Fosfolípido
Triglicérido
Colesterol
0,95
75-1200
2
8
86
4
1.006
30-80
7
18
58
17
IDL
1,006-1,019
25-35
17
22
22
39
LDL
1,019-1,063
18-25
22
18
8
52
HDL
1,063-1,210
5-12
50
28
8
14
alm acenarse u oxidarse, dependiendo de las necesi dad es y capacidades específicas del tejido. Lo que antes era u n a VLDL rica en triglicéridos se convierte así en u n a lipoproteína de densidad interm edia (IDL), que finalm ente se tran sfo rm a en u n a proteína de b aja d ensidad (LDL) rica en colesterol. La LDL puede un irse d eterm inados receptores en varios teji dos p a ra d escarg ar el colesterol que se em pleará p a ra la síntesis en la m em b ran a u otras vías biosintéticas. En cualquier m om ento de este ciclo los com plejos lipoproteicos pueden reg re sar al hígado p a ra reconcentrarse. Las p roteínas de la lipoproteína son im portantes p ara controlar la com posición y el m etabolism o lipo proteicos. Por ejemplo, algunas proteínas de los com plejos VLDL y LDL regulan la lipasa lipoproteica. Las proteínas que se encuentran en las lipoproteínas de alta densidad (HDL) son bloques nutricionales im portantes p a ra las dem ás lipoproteínas. Por ejem plo, la HDL sum inistra p roteínas a los quilom icrones que ab an d o n an la linfa intestinal y a la VLDL que cir cula en la sangre.
Encontrar y consumir alim entos Estam os fam iliarizados con las estrategias alim enta rias básicas que se observan en los anim ales, tanto carnívoros como herbívoros y omnívoros, cada una con sus ventajas y desventajas (véase la Caja 12.2). La fisiología de la digestión se equipara con la naturaleza quím ica y física de la alim entación. P ara encontrar el alim ento que se adecúa a las necesidades alim enta rias, los anim ales utilizan sistem as neurosensoriales. Algunas estrategias alim entarias, como la que se re a liza por filtración, dependen de descubrim ientos alea
torios. No obstante, la m ayoría de los anim ales b u s can activam ente y con frecuencia persiguen su ali m ento. Una vez que lo encuentra, debe ingerirlo p ara com enzar el proceso de digestión. A nalizarem os algunos de los m étodos que los anim ales em plean p a ra encontrar alim entos que se adecúen a sus nece sidades nutricionales.
Los animales detectan el alimento mediante pistas químicas, eléctricas y térmicas La naturaleza del alim ento v aría am pliam ente entre los anim ales, y los m ecanism os que éstos em plean p a ra detectarlo son igual de diferentes. Los anim ales relacionan algún tipo de receptor con u n a vía de señalización que conduce a u n a respuesta conduc tiva que altera la alim entación. Muchos anim ales poseen m edios p a ra detectar la p resencia de determ inadas sustancias quím icas en el entorno. Ésta puede ser un nutriente, y acercarse a la fuente del nutriente increm enta la probabilidad de que el anim al encuentre m ás alim ento. Por ejemplo, el cestodo H ym enolepis dim inuta m igra diariam ente hacia arrib a y abajo po r el tracto GI de su huésped, siguiendo los nutrientes liberados del alim ento d urante la digestión. En otros casos, la sustancia quí m ica que se detecta no es un nutriente sino u n a señal de que hay im a presa en las cercanías. Por ejemplo, cuando un a h id ra detecta pequeñas m oléculas orgá nicas como la prolina o el glutatión reducido, m ueve los tentáculos y abre la boca. Como se estudió en el Capítulo 7, los anim ales complejos em plean los receptores gustativos y olfativos p a ra encontrar ali m ento, determ inar si es ingerible y controlar el im pulso de alim entarse (apetito). Los insectos herbí-
540 SEG UN DA PARTE
tí
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 12.2. A plicaciones Dietas anim ales y salud Humana
Las
advertencias
sobre
los
vínculos
potenciales entre la alim entación y las enfer medades, en boga actualm ente en los m edios, no son algo nuevo. En la época m edieval se advertía a las madres embarazadas contra la ingesta de elevadas cantidades de conejo debido al te m o r de que el infante tuviera labios lepo rinos. Los bebés morados, ahora identificados com o vícti mas de hipoxia, se atribuían al consum o excesivo de berenjena. Las antiguas leyes alim entarias hebraicas de kashrut se originaron de la noción de que algunos alim en tos eran más sanos que otros. Los únicos m am íferos que se consideraban koshe r eran los herbívoros y sólo si eran rum iantes. La ingesta de carne cuenta con varios benefi cios nutricionales, aunque constituye una estrategia de ali m entación que presenta m ayores riesgos para el traspaso de enferm edades. Al crear un tabú sobre el hecho de con sum ir carnívoros y carroñeros, los hábitos alim entarios hebraicos redujeron los riesgos de consu m ir agentes infec ciosos a través de la alim entación. Paradójicamente, los hábitos agrícolas m odernos convirtieron a la vaca herbívora de bajo riesgo en un carnívoro de alto riesgo, con funestas consecuencias para la salud humana. En los animales surgen espontáneam ente una serie de enferm edades que ocasionan dem encia y m uerte. La más conocida es la encefalopatía espongiform e bovina (EEB) o, com o se denom ina habitualm ente, la enferm edad de la vacas locas. Otras incluyen la enferm edad de C reutzfeldtJakob (ECJ), el kuru y el scrapie. La ECJ produce dem encia y daño cerebral en las personas mayores. El kuru es una form a de dem encia humana que se identificó en prim er lugar en tribus caníbales de Nueva Guinea. El scrapie afecta a las ovejas, los gatos, el visón y otros m am íferos. Cada una de estas enferm edades es ocasionada por un tip o de proteína denom inado prión. En 1972, Stanley Prusiner com enzó a realizar experim entos en hám steres a fin de estudiar la base de estas enferm edades. Dem ostró que un hám ster se volvía loco al alim entarlo con un extracto del cerebro de un hám ster enferm o. En 1982 determ inó que el agente infeccioso era un prión. El prión no es una m utación genética, com o en el caso del cáncer, sino que se trata de una variante estructural de una proteína normal. La proteína es inofensiva cuando se pliega de form a adecuada, pero cuando no lo hace se convierte en una partícula infecciosa que induce la enferm edad. Hacia m ediados de la década de 1980 las vacas británi cas com enzaron a m ostrar una alta incidencia de EEB. Si bien esto era una grave preocupación para los cam pesinos, recibió poca atención pública en ese m om ento. A principios de la década de 1990, los investigadores notaron un incre m ento de casos de una enferm edad parecida a la ECJ en Gran Bretaña. A diferencia de la mayoría de los casos de ECJ, esta nueva variante de ECJ afectaba principalm ente a
los jóvenes, con una edad media de m uerte de 29 años. En 1996 los funcionarios sanitarios de ese país anunciaron un vínculo potencial entre el brote de EEB en las vacas y la nueva variante de ECJ en los hum anos, lo que ocasionó un boicot contra la carne de ternera británica, seguido de un programa m asivo para sacrificar a las vacas existentes en Gran Bretaña y una reform a de las políticas agrícolas de todo el m undo. La práctica que probablem ente haya sido el origen del brote de EEB es la inclusión de tejidos de carne bovina no com ercializables en el pienso de otras vacas. Los priones infecciosos se concentran en el tejido nervioso de los ani males y, cuando las vacas consum en el m aterial cerebral de las vacas infectadas, contraen la enferm edad. A diferen cia de m uchos agentes infecciosos, los priones son virtual m ente indestructibles y sobreviven con facilidad a la acidez del estóm ago y otras líneas de defensa. Esta práctica agrícola no se consideraba de riesgo para los seres hum anos porque se creía que los priones no podían cruzar la barrera entre las especies. Se pensaba que los hum anos no podían contraer enferm edades que afectaban a otros m am íferos. Las ovejas británicas han estado infectadas con scrapie durante cientos de años sin pruebas de que se transfiriera a otras especies. Si bien no existen pruebas experim entales directas que vinculen la EEB con la nueva variante de ECJ, las pruebas indirectas son abrum adoras. M ás del 98% de los casos de nueva variante de ECJ se produjeron en personas que vivieron en Gran Bretaña durante el brote de EEB a m ediados de los ochenta. Es posible que a los priones les resulte difícil cru zar la barrera entre las especies, pero incluso un suceso de bajas probabilidades constituye un riesgo cuando se infec tan una elevada cantidad de animales. Hacia el 2003, se habían identificado más de 183.000 vacas británicas com o portadoras de la EEB, y la nueva variante de ECJ había pro ducido la m uerte de más de 130 personas. En la actuali dad, los riesgos de EEB y nueva variante de ECJ son m uy reducidos debido a las norm as que dism inuyen el riesgo de contagio. En determ inado m om e nto , los subproductos cárnicos, las vacas m uertas y m oribundas e incluso las atropelladas acababan form ando parte del alim ento para animales. En la actualidad, m uchos países han pasado a elim inar el uso de piensos de origen animal. Al incluir los tejidos de anim ales infectados en el alim ento para un her bívoro, los hum anos esquivaron las defensas naturales intrínsecas a las estrategias alim entarias, lo que perm itió que una partícula infecciosa entrara en nuestra cadena ali m entaria. Referencias • Prusiner, S. B. 1997. Prion diseases and the BSE crisis. Science 278: 245-251.
CA P ITU LO 12
Digestión
voros, como los pulgones, utilizan los receptores gus Los anim a les sim p le s d ig ie re n el a lim e n to tativos p a ra d etectar sustancias quím icas que esti d e n tro de las vesículas fa g o cita ria s m ulan la alim entación (fagoestim ulantes) o la Los anim ales m ás simples, las esponjas, obtienen disuaden (fagodisuasores). Los fagoestim ulantes m ás n utrientes principalm ente por medio de la fagocito im portantes en los insectos son los azúcares y los sis, al igual que los protistas como la am eba. Los am inoácidos. Las p lantas pueden disuadir a los esponjas subsisten a base de partículas de diferentes insectos de alim entarse al liberar m etabolitos secun tam años, desde desechos orgánicos m ás diminutos darios que éstos detectan como tóxicos. Las señales que las bacterias (< 1 |tm) h asta los que son ta n gran gustativas tam bién son im portantes en los v erteb ra des como el zooplancton (> 50 |xm). El agua que dos. Los carroñeros detectan com puestos volátiles tran sp o rta las partículas de alim ento atraviesa la red que em an an de la carne en descom posición. Los tibu de poros y canales de la esponja, im pulsándose por rones son capaces de d etectar desde grandes distan corrientes generadas po r las células flageladas deno cias las sustancias quím icas que se encuentran m inadas coanocitos (Figura 12.8). A m edida que el habitualm ente en la sangre de los vertebrados, señal agua inunda al anim al, fluye a través de filtros bioló de un anim al herido. Si bien la naturaleza quím ica de gicos que ordenan las partículas por tam año. Las los estim ulantes gustativos es diferente, cada uno de células que cubren los poros, coanocitos y amebociellos funciona junto con un receptor sensorial que tos, engullen las partículas po r medio de la fagocito activa un a cascada de señalización que en últim a ins sis. La digestión se produce en el interior de estas tancia influye en el control central de la conducta ali células en vacuolas endocíticas. Los productos des m entaria. com puestos se liberan a la célula y el m aterial sin M uchos anim ales en cu en tran p re sa s al percibir digerir se exocita de ella. la energía em itida o reflejada del anim al en form a Otros m etazoos poseen algo sim ilar a u n a boca: de luz, sonido, calor o electricidad. Las aves de u n a en trad a que conduce a un com partim ento p resa, como el águila real, em plean el sistem a interno donde se realiza la digestión. El desafío p ara visual p a ra localizar u n rató n de cam po m oviéndose m uchos anim ales es lograr que el alim ento llegue a la en un p rad o lejano. Algunos insectos p ueden detec boca. Los cnidarios, tales como los corales y las ta r la luz in frarro ja em itida de los cuerpos calientes hidras, utilizan tentáculos p a ra cap tu rar pequeñas de las potenciales especies de presa. Asim ism o, los p resas como el zooplancton. Una vez que lo logran, el anim ales p u ed en p ro d u cir luz junto con estrategias tentáculo se pliega hacia la boca p ara soltar el ali de búsqueda. Por ejem plo, las especies de luciérna m ento. La boca se abre p a ra perm itir que entre el ali gas d ep red ad o ras atra e n a las especies p re sa al p ro m ento en la cavidad gastrovascular. El movimiento ducir u n p a tró n de luz que im ita la señalización de p o r los tentáculos hacia la boca recibe la ayuda de ap aream ien to de la p resa. Los peces m arinos batiu n a capa de m ucosa secretada po r las células epitepelágicos em plean ap éndices biolum iniscentes p a ra a tra e r a las p resas p equeñas. Existen varios ejem plos de coevolución de Flagelo Collar Coanocito p red ad o r-p resa, donde las p ro p ied a des de las p resas tales como el color © Flujo de críptico se seleccionan en función la agua capacidad de confundir el sistem a visual del depredador. Los anim ales que d ep en d en de la energía acústica como estrateg ia de alim entación em p lean diversos órganos de detección de sonidos, incluido el oído de los m am íferos y la línea lateral de los peces. El pez navaja, levem ente eléc trico, que h ab ita en las tu rb ia s aguas del A m azonas, utiliza receptores electrom agnéticos p a ra detectar la F ig u ra 12.8. D ig e s tió n de la s e sp o n ja s . actividad m u scu lar de las p resas El agua entra a través los canales por m edio de los coanocitos flagelados, que, potenciales. ju n to con los am ebocltos, fagocltan las partículas de alim ento.
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Integrando sistem as fisiológicos
bulas y lenguas, varían de form a notable en lo referente a su estruc tu ra y orígenes de desarrollo. Algunas especies de in vertebra dos, como los gusanos de vida libre, cuentan con una boca sencilla que envuelve partículas. La m ayoría de los invertebrados poseen estructuras relacionadas con la boca que ayudan en la alim entación. Por ejemplo, algu nos gusanos endoparásitos, como la duela del hígado, presen tan u n a boca que actúa como sifón y órgano adjunto. Si bien los cestodos poseen un órgano adjunto anterior (una com binación de succionadores y anzue los), no tienen boca y, de hecho, carecen de sistem a digestivo. Estos gusanos absorben los nutrientes por la superficie externa del cuerpo, que Fig u ra 12.9. S is te m a d ig e s tiv o de los c n id a rio s . está decorada con extensiones celula Los cnidarios, com o las hidras, capturan el alim ento con los tentáculos y los llevan res puntiagudas llam adas microvello a la boca por m edio de torrentes de m ucosa. Éste pasa por la boca abierta hasta la sidades. En cierto m odo, la anatom ía cavidad gastrovascular para su digestión. Las células nutritivas que cubren la ca de los cestodos se asem eja a un intes vidad fagocitan las partículas, que se digieren en las vacuolas endocíticas. A conti nuación, los nutrientes se difunden desde estas células de la gastroderm is hasta tino dado la vuelta. las dem ás células de la m ism a (células glandulares) y de la epiderm is (células sen Muchos anim ales cuentan con soriales, nem atocitos, células epiteliales). apéndices orales que funcionan de form a análoga a u n a lengua. Los cara líales. La p ared de la cavidad gastrovascular se com coles poseen una lengua m uscular denom inada pone de células gastroderm ales, entre ellas células rádula, cuyas protuberancias afiladas los ayudan a moler, rasp ar o cortar trozos de alimento. Muchas nutritivas y de la glándula enzim ática (Figura 12.9). Las células de la glándula enzim ática liberan enzi m ariposas y polillas nectarívoras presentan im a larga m as digestivas que descom ponen la p resa en un lengua de aspecto tubular o probóscide. El insecto des líquido de nutrientes. Las células nutritivas fagocitan enrolla la probóscide p ara llegar hasta las profundida las partículas m ás p equeñas y las procesan en la des de la garganta de las flores y así obtener el néctar. vacuola endocítica, liberando nutrientes que abando La anatom ía de las flores con frecuencia coevoluciona n a n la gastroderm is y cruzan la m esoglea gelatinosa con la lengua de las m ariposas, asegurando así la poli p a ra ab astecer a las diversas células de la epiderm is, nización de las flores por medio de determ inadas incluyendo los nem atocitos. Una vez que se digiere el especies de m ariposas. Cuando Darwin estudió un alim ento, el anim al expulsa el m aterial rem anente de tipo de orquídea inusual de M adagascar, predijo que la cavidad gastrovascular y se alim enta nuevam ente. se descubriría u n a polilla que contara con im a lengua lo suficientemente larga para alim entarse de la flor. La esfinge de Madagascar, descubierta unos 40 años des Las estructu ras alim e n ta ria s se equiparan pués, posee un a probóscide que alcanza casi los 30 cm con la a lim e n ta ció n de largo (Figura 12.10a). M uchas especies cuentan con bocas m asticadoras La m ayoría de los anim ales cuentan con algún tipo o apéndices orales que ayudan a p en etrar o deshacer de boca especializada p a ra alim entarse, la cual m ecánicam ente la superficie del alimento. El calam ar puede estar cubierta de estru cturas rígidas que aga em plea un pico rígido p ara cortar trozos de la presa r ra n o cortan el alim ento. Asimismo, es posible que capturada por los tentáculos. Los artrópodos presen algún tipo de extensión sobresalga de la boca p ara m anipular, d esh acer o succionar. Si bien habitual ta n segm entos bucales que los ayudan a obtener el alimento. Las arañas, como la que se m uestra en la m ente identificam os estas estructuras como m andí
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Figura 12.10b, utiliza los quelíceros p ara atacar y desintegrar de form a m ecánica a las presas. Los him enópteros, que incluyen a las abejas y avispas, son insectos m asticadores. La avispa papelera, por ejemplo, p resen ta m andíbulas articuladas que pue den rom per el duro exoesqueleto de los insectos de los que se alim enta. Los insectos del orden de los díp teros em plean la boca p a ra succionar líquidos. Por ejemplo, las m oscas de las fruta extraen con un sifón los jugos de la fruta en descom posición y los m osqui tos succionan sangre de los vertebrados. No obstante, cualquier p ersona que haya sufrido una picadura de tábano difícilmente creerá que estos dípteros no sean insectos m ordedores sino succionadores. Los tábanos utilizan bocas m asticadoras a modo de tijeras p ara cortar la piel. Luego, pueden em plean el labio p ara succionar los fluidos que se filtran por la herida. La estructura alim entaria m ás im portante de los v ertebrados es la m andíbula. Salvo los agnatos prim i tivos que carecen de m andíbulas, todos los vertebra dos poseen bocas que p resentan la m ism a estructura b asad a en u n p a r de m andíbulas. Gans y Northcutt indicaron que la variación m ás notable que surgió en la evolución de los vertebrados fue un a “cabeza n ueva”. Se referían a que la transición de los agnatos
(a) Esfinge. F ig u ra 12.10.
Digestión
a los gnatostom ados se vio acom pañada de u n a v aria ción en el patrón de desarrollo de las estructuras que dieron origen a la cabeza vertebrada. La nueva dispo sición otorga a los vertebrados la flexibilidad p ara soportar los cam bios evolutivos en la estructura de la cabeza y las características asociadas, lo que facilitó la radiación adaptativa, al perm itir u n a evolución de las estructuras alim entarias que contribuyó al éxito de los vertebrados en nuevos nichos. Considerem os, a m odo de ejemplo, las variaciones que se observan en la organización de la m andíbula de los vertebrados. En la m ayoría de las especies, la m andíbula superior no puede m overse y se integra con el cráneo, m ien tra s que la m andíbula inferior es articulada y móvil. Por el contrario, m uchas especies h an desarrollado una m andíbula superior m ás móvil. Algunas serpien tes son capaces de se p ara r o desarticular la m andí bula maxilar. La serpiente com edora de huevos puede desarticular la m andíbula, lo que le perm ite ab rir la boca h asta cuatro veces m ás de la ab ertu ra norm al y trag ar un huevo intacto. A continuación, em plea los fuertes m úsculos del cuello p ara cascar el huevo con tra la espina dorsal. Una vez que el contenido del huevo se desliza por la garganta, la serpiente vomita los pedazos de cáscara.
(b) A raña licósida. A p é n d ic e s a lim e n ta r io s de los in v e rte b ra d o s .
ía) La esfinge, originaria de Madagascar, cuenta con un la rgo probóscide que le perm ite alcanzarel néctar encontrado en la base de las orquídeas. (b> La araña licósida utiliza los quelíceros para deshacer el alim ento.
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Integrando sistem as fisiológicos
Los picos de las aves se com p on en de te jid o qu era tiniza do Los picos de aves se com ponen de tejido óseo cubierto p o r escam as m ontadas u n as sobre otras denom inadas ranfotecas. Las células de esta capa epidérm ica producen u n citoesqueleto rico en queratina de filam entos interm edios. Cuando la superfice celular m uere, la capa de q u eratina perm anece como u n a superficie p rotectora sobre el pico. Las células vivas de dicha capa la re p aran constantem ente a m edida que se va dañando, sobre todo en los bordes del pico, que se suelen erosionar durante la alim en tación. La diversidad en la estru ctura del pico de los pin zones de las G alápagos era la clave de las teorías darw inianas sobre la evolución y la selección natural. La morfología del pico es sum am ente v ariada entre las aves, la cual refleja el tipo de alim ento que cada una reúne. Las aves argentinas que se m uestran en la Figura 12.11 p resen tan especializaciones morfológi cas p a ra alim entarse de peces, sem illas e insectos. Los picos m uy largos se utilizan p a ra introducirse en las flores: el pico del colibrí pico de espada es m ás largo que su cuerpo. Los flam encos em plean el pico como tam iz p a ra escu rrir el agua del alim ento. Algu n as aves como el frailecillo poseen protuberancias d en tad as en los bordes del pico que lo ayudan a des h acer la carne. Cabe reco rd ar que los picos de las aves se utili zan p a ra otros fines adem ás de los alim entarios, entre ellos la fonación, la defensa, el aseo y el cortejo. La morfología del pico refleja la adaptación evolutiva que facilita que cada uno de ellos desem peñe su p apel correspondiente. Por ejemplo, la sutil diferen cia entre la form a del pico de los pinzones de Darwin influye en la natu raleza del canto del ave, lo que con duce a im portantes cam bios en cuanto a la conducta
(a) Martín pescador amazónico. Fig u ra 12.11.
territorial y el cortejo. Si bien la im portancia a d a p ta tiva de la m orfología del pico es clara, los factores de desarrollo y evolución que determ inaron la form a del m ism o se h an com enzado a estudiar hace poco (véase la Caja 12.3).
Los m a m íferos cuentan con dientes óseos M uchos vertebrados poseen estructuras orales que se asem ejan y funcionan como dientes, pero la den ta d u ra de los m am íferos es única desde el punto de vista estructural. Cada diente consiste en una corona, un cuello y u n a raíz (Figura 12.12a). La corona se extiende po r encim a de la encía, la raíz se encuentra incrustada en la encía y el cuello es la p arte estrecha entre la corona y la raíz. Si se realiza un corte trasversal, es posible observar las tres capas en un diente típico: el esm alte, la dentina y la pulpa dental. El esm alte exterior se com pone de cris tales de fosfato de calcio que se integran a la m atriz extracelular. Es ta n rígido que puede ser quebradizo y resq u eb rajarse cuando el anim al m uerde un ali m ento duro. Los dientes anim ales difieren en el gro sor de la capa de esm alte, así como en la com posición molecular. Debajo del esm alte hay una capa interm edia de dentina y u n a capa in tern a de pulpa dental. La dentina es un soporte poroso del esm alte. La pulpa dental es m ás celular y rica en vasos sanguíneos y nervios. E stas dos capas internas son tejidos vivos que ayudan a conform ar y m an te n e r el diente. Los m am íferos poseen cuatro tipos de dientes: los incisivos, los caninos, los p rem olares y los m ola res (Figura 12.12b). Los incisivos y los caninos son dientes largos y afilados que ayudan a p e rfo ra r y d e sg a rra r la carne. Los m olares, anchos y planos, ayudan a moler. Los p rem o lares tien en u n a form a
(b) Reinamora grande.
(c) M osqueta ojo dorado.
D iv e rs id a d en los p ic o s en la s a ve s a rg e n tin a s .
(a) M artín pescador am azónico, ¡ctiófago. (b) Reinam ora grande, fucívoro. (c) M osqueta ojo dorado, insectívoro.
(Cortesía de Paul Handford, U n iversity o f W estern O ntario.)
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(a)
Estructura dental
F ig u ra 12.12.
Digestión
(b) Tipos dentales (perro)
E s tru c tu ra d e n ta l d e l m a m ífe ro .
ía) Los dientes del m am ífero se com ponen de tres capas. El esm alte exterior es te jid o m uerto. La pulpa dental Interior y la dentina interm edia constan de células vivas que se nutren de los vasos sanguíneos y que están ¡nervadas. La fo rm a y el tam a ño de los t i pos de dientes varían entre las distintas especies, (b) Los m olares y prem olares suelen ser dientes planos utilizados para m o le r y masticar, m ientras que los incisivos y caninos se em plean para perforar y desgarrar.
in term ed ia y p articip an en las dos acciones m encio n ad as. Al igual que la m orfología del pico, la form a de los dientes m am íferos difiere notablem ente, de tal m odo que refleja la n atu ra le z a de la alim enta ción. Los m o lares de los m urciélagos insectívoros cu en tan con cúspides afilados y crestas alarg ad as a fin de ay u d ar a ro m p er los exoesqueletos del insecto. Por el contrario, los m urciélagos frugívoros p re se n ta n m olares con cúspides y cuencas m ás an ch as p a ra p re n sa r el tejido de las plantas. Asi m ism o, existen n u m ero sas diferencias en la canti dad de dientes y los p atro n es de crecim iento. Los ro ed o res, p o r ejem plo, poseen solam ente incisivos frontales y m olares, dado que los caninos y los p re m olares se p ierd en en las p rim e ras etap as del d es arrollo con el fin de h a c e r lugar p a ra los incisivos y m olares m ayores. El perfil del diente tam bién p uede m odificarse d u ran te la vida del anim al. La m ayoría de los m am íferos cam bian los dientes u n a vez en la vida: los p rim ero s dientes se reem plazan p o r dientes adultos p erm an en tes. No obstante, los m on o trem o s p ierd en todos los dientes cuando alcan zan la m ad u rez. La m ayoría de los dientes de los m am íferos crecen h asta d eterm inado tam añ o y luego dejan de crecer. Sin em bargo, los dientes de los ro ed o res crecen co n stantem ente, lo que perm ite que el diente m an ten g a la m ism a longitud a m edida que se d esg asta p o r la continua acción m olturadora.
Integración de la digestión con el metabolism o A hora que com prendem os la n a tu ra le z a de los n u trie n te s y los m étodos em pleados p a ra o btener alim entos, p asam o s a an a liz a r la m a n e ra en que los an im ales utilizan el sistem a digestivo p a ra ex tra e r n u trie n te s del alim ento. C om enzam os el estudio con u n análisis de los tipos de células y teji dos que conform an los sistem as digestivos y luego p asam o s a explicar cómo el an im al controla la fu n ción intestinal. Las h o rm o n as y los n e u ro tra n s m i sores son fundam entales p a ra el control de la digestión, que en últim a in stan c ia eq u ip ara las n ecesid ad es m etabólicas del an im al a la conducta alim en taria y la ingesta, alm acenam iento y tra n s p o rte de n u trie n te s. E stos controles son de especial im p o rtan cia cuando el an im al se en fre n ta a de safíos fisiológicos y tran sicio n es relacio n ad as con los p atro n e s de vida, incluidos el d esarrollo y la reproducción.
Los sistemas digestivos La h isto ria evolutiva de los sistem as digestivos está m arc a d a po r la creciente especialización a n a tóm ica y funcional. Los antiguos invertebrados
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Integrando sistem as fisiológicos
Caja 12.3. Genética y genómica Variación en los picos de ave M uchos de los prim eros estudios darwinianos se concentraron en la variación en la m or fología del pico entre las poblaciones de pinzones que habitan las Islas Galápagos. Darwin observó que incluso una especie podía presentar diferentes tipos de pico en cada isla. Es más, las propiedades morfológicas parecían estar relacionadas con la naturaleza del alim ento y la abundancia de otras especies que pudieran com petir por él. Si bien sugi rió que estas variaciones estructurales surgían debido a la selección natural, no pudo explicar el m otivo por el cual se originaron. Cuando regresó a su país, extendió los estudios al com parar la m orfología de las diferentes especies de palomas locales. "Cada m odificación sucesiva o la mayoría de ellas pueden haberse producido hace m ucho tiem po... por causas que desconocem os", escribió. Sin conocer los m ecanismos, Darwin se dio cuenta de que la m orfología del pico se determinaba en las primeras etapas del desarrollo embrionario. Estudios recientes nos han ayudado a enten der los factores celulares que determ inan la m orfología del pico entre las especies. Dado que las aves nacen del huevo con el pico ya for mado, sabem os que los factores que determ inan la m orfo logía del pico com ienzan m ucho antes del nacimiento. Durante el prim ero o segundo día tras la fertilización, el em brión del ave ya establece los segm entos corporales que acabarán originando la m ayor parte de las estructuras que conform an el pico adulto: el cerebro anterior, el cerebro m edio, el rom bóm ero 1 y el rom bóm ero 2 (Figura A).
Figura A.
Desarrollo del pichón en el día 1 (vista dorsal).
Durante de los dos días siguientes las células del cerebro en desarrollo migran a una nueva ubicación y se diferencian para form ar la m ayor parte de las estructuras de la cabeza
ra B). La progenie celular de estas células de la cresta neu
en desarrollo. Estas células, llamadas células de la cresta
ral interactúa con las células adyacentes para form ar el pico
neural, se transportan del cerebro anterior y m edio para for
em brionario.
m ar la región frontonasal, que se convierte en el pico supe
La importancia de estas células al generar la variación
rior. Las células de la cresta neural del m esencéfalo y los
m orfológica del pico se dem ostró recientem ente en un estu
rom bóm eros 1 y 2 migran para form ar las regiones mandi
dio que comparó el desarrollo del pico en el pato y la codor
bular y maxilar, que se convierten en el pico inferior (Figu-
niz. Los patos emplean el pico para capturar peces e ingerir
po seen sim ples sacos digestivos en los que el ali m ento e n tra y sale p o r u n a única a b e rtu ra que form a u n intestin o bidireccional. Este últim o, como el saco g astro v ascu lar ciego de los cnidarios, fue un paso evolutivo im p o rtan te debido a que perm ite el an im al aísle el alim ento en u n entorno controlado y lo b o m b ard ee con enzim as d eg rad an tes h a s ta que tom e u n a form a que pu ed e asim ilar. Los platelm in
tos tam b ién cu en tan con u n intestino bidireccional que puede se r u n saco sim ple, como es el caso de los pequeños, o uno de m ayor com plejidad, com o el observado en platelm intos m ayores, con m últiples ram ificaciones laterales conocidas como divertículos (Figura 12.13). La digestión com ienza en la luz del saco cuando se se cre ta n p ro te a sa s de la p a re d del saco. Una vez que se descom pone el alim ento en
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Digestión 547
Es el m om e nto de la expresión génica lo que diferencia la conducta de las células de la cresta neural entre las espe cies. Tanto el pato com o la codorniz expresan los m ism os genes de desarrollo durante el desarrollo craneofacial, pero el m om e nto de esta expresión varía sustancialm ente. En los estudios de transplante descritos, las células de la cresta neural donadas hicieron que los genes del tejido receptor adoptaran el m om e nto de las células donadas. Las variaciones en la form a del pico se producen entre las diferentes especies, pero, com o señaló Darwin, existen tam bién variaciones en la morfología del pico en las pobla ciones de una m ism a especie. Es probable que la regulación de las células de la cresta neural sea responsable de estas variaciones dentro de la especie. Por ejemplo, los ejempla res pueden presentar diferencias sutiles en el m om ento de plantas y algas acuáticas, mientras que la codorniz utiliza el
expresión génica que produzcan un espectro natural de
pico para picotear y romper semillas. El pico del pato es
fenotipos dentro de una población. Estudios recientes han
largo, ancho y plano en comparación con el de la codorniz.
dem ostrado que el m om ento de expresión de otra proteína
Estas diferencias en la morfología del pico y el índice de de
reguladora, Bmp4, es fundam ental para las características
sarrollo se determinan por las células de la cresta neural.
fenotípicas del pico de las aves. El fenotipo de pico predo
Cuando los investigadores transplantaron estas células de
m inante de la población puede m odificarse rápidamente en
un em brión de pato o uno de codorniz, el animal se desarro
respuesta a las alteraciones en el entorno. Un estudio de 30
lló com o una codorniz con un pico de pato. Lo m ism o suce
años sobre dos especies de pinzones darwinianos dem ues
dió cuando se transplantaron las células de la cresta neural
tra perm anentes variaciones en el fenotipo m orfológico del
de la codorniz al embrión del pato. Curiosamente, las células
pico más habitual dentro de una población. La expresión de
donadas de cada uno de los experim entos tam bién m odifi
Bm p4 es al m enos parte de la respuesta.
caron la morfología de otras estructuras faciales, com o el diente de huevo (una protuberancia en la punta del pico que el ave utiliza para rom per el cascarón), aunque este diente no venga determ inado por las células de la cresta neural. Éstas producen proteínas que ayudan a coordinar el desarrollo estructural al regular la expresión génica de las células veci nas. Si bien los precursores del diente de huevo se origina ron en el pato, obedecieron las órdenes em itidas por las células de la cresta neural transplantadas de la codorniz y se desarrollaron com o una estructura que se asemeja al diente de huevo de esta última.
p artícu las p eq u eñ as, las células que cub ren el intestino las fagocitan. La digestión continúa en el in terio r de las células, en vesículas acidas que se vuelven b ásicas d u ra n te el periodo com prendido en tre las 8 y las 12 h o ra s siguientes. Las células que cu b ren los sacos p re se n ta n funciones de secreción y absorción levem ente diferentes, lo que perm ite que estos anim ales creen regiones de procesos
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digestivos especializados, aum en tan d o así la efi ciencia de la digestión. Con la evolución del intestino unidireccional, los anim ales contaron con u n a m ejor capacidad p ara cre a r regiones especializadas. La n atu raleza de dichas regiones v aría notablem ente entre los distin tos anim ales. N uestra descripción de las regiones intestinales se b asa en la term inología em pleada
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(a) Intestino simple Fig u ra 12.13.
Integrando sistem as fisiológicos
(b) Intestino complejo
El tr a c to Gl d e l p la te lm in to .
A l igual que los anim ales sim ples, tales com o las esponjas y los cnidarios, los p late lm intos cuentan con intestinos bidireccionales. (a) La mayoría de los plate lm intos, com o el M acrostom u m , poseen un in testin o sim ple con un único saco, (b) En algunas especies de p late lm intos m ayores, com o el Dugesia, el intestino presenta tres o más ram ificaciones con divertículos laterales.
p a ra los m am íferos (Figura 12.14). La boca conduce a la región an terio r del tracto GI denom inada faringe o esófago. E sta región p o r lo g eneral p a rti cipa en la descom posición m ecánica del alim ento. La sigue la región g ástrica o estóm ago, que en la m ayoría de los anim ales es un com partim ento ácido. El intestino anterior, o intestino delgado, n e u traliza la solución ácida lib erad a p o r el estóm ago y se encarg a de la m ayor p arte de la digestión y
Intestino c
absorción de nutrientes. El intestino an terio r ta m bién recibe las secreciones exocrinas de las glándu las digestivas: el hígado y el p án creas en la m ayoría de los v ertebrados y el hep ato p án creas de los in v er tebrados. El intestino posterior, o intestino grueso, se encarga del aprovecham iento de agua y sales. Por últim o, el m aterial sin digerir se expulsa por el ano. Casi todas las especies poseen cám aras la te ra les que se ram ifican del tracto GI principal. E stas cám aras se denom inan ciegos. Las válvulas m uscu lares (esfínteres) regulan el pasaje p o r los distintos com partim entos. S o b reim p u estas a la v ariació n evolutiva de los diseños intestin ales se o b se rv an las m odificacio n es que su rg en en re sp u e s ta a la h isto ria alim en ta ria y vital. La alim entación de los m am íferos cam bia a m ed id a que la cría p a s a de los n u trie n te s m a te rn o s de tra n sm isió n h em ática m ed ian te la p lacen ta, a las secreciones de las glán d u las m a m a ria s, y finalm ente al alim ento sólido. Las tra n sic io nes digestivas del d esarrollo p ro b ab lem en te son m ás ex trem as en los insectos, donde la alim en ta ción de las larv as con frecuencia difiere p o r com pleto de la del adulto. Por ejem plo, la m ayoría de los lepidópteros larvales (orugas) se alim en tan de su stan cias de las hojas de las p lan tas, m ien tra s que m uchos adultos (m arip o sas y polillas) ingieren n éctar. M uchos dípteros larvales son to talm en te acuáticos y se alim en tan de las b a c te ria s que h a b i ta n en la superficie de ag u as esta n c a d a s (m osqui tos) o en el sedim ento (quironóm idos). Los adultos, p o r el co n trario , son totalm en te te rre s tre s y se ali m e n ta n de u n a am plia v a rie d a d de sustan cias vegetales y anim ales. Cabe se ñ a la r que los m o s quitos adultos m achos y h em b ra s consum en alim entos diferentes: las h e m b ra s in g ieren la sa n g re de v erteb ra d o s, desde ra n a s arb o rícolas h a s ta m am íferos, m ien tra s que los m achos b eb en n é c ta r de las plantas.
F ig u ra 12.14.
C a r a c te r ís tic a s de un
tra c to g a s tr o in te s tin a l típ ic o .
Intestino delgado
SI bien la organización exacta del tracto Gl difiere entre las distintas especies, los anim ales más com ple jos cuentan con re glones que presentan funciones análo gas a las del m am ífero com ún, com o el caballo que se m uestra en esta figura.
CA P ITU LO 12
La co m p le jid a d in te stin a l se relaciona con la a p arición del celom a Los orígenes evolutivos y del desarrollo del intestino unidireccional se relacionan estrecham ente con la aparición del celom a, u na cavidad in tern a que se origina en un em brión en desarrollo. El espacio entre el tracto GI y la pared corporal, conocido como la cavidad peritoneal, form a p arte del celoma de im vertebrado. Los anim ales m ás sim ples, es decir, las esponjas y los cnidarios, carecen de celom a: los intestinos consisten en dos capas de células germ inativas que fo rm an tejidos sólidos sin com partim entos in te r nos. Los anim ales m ás avanzados poseen tres cap as de células germ inativas: el endoderm o, el m esoderm o y el ectoderm o. Los nem ertinos y los platelm intos p erm an ecen con estru ctu ras relativ a m en te sim ples dado que las tre s capas de células g erm inativas se p eg an d u ran te el desarrollo y no se form a el celom a (Figura 12.15). En el desarrollo de los rotíferos y nem áto d o s ap arece un hueco entre el endoderm o y el m esoderm o, que p ersiste en la m ad u rez y da origen a u n tipo de celom a denom i n ad o pseudocelom a. Todos los principales taxones anim ales poseen u n celom a re a l entre las capas del m esoderm o. La ap arició n del celom a resultó im por tan te en la evolución de la fisiología digestiva p o r que perm ite u n a m ayor especialización de los órganos internos. El celom a se origina en las p rim eras etapas del desarrollo em brionario. D urante la gastriculación tem p ran a, u n a región de la blástula (una bola de células hueca) m igra hacia el interior, ocasionando prim ero u n a depresión y luego un hueco denom i nado blastoporo. En los anim ales denom inados pro tóstom os (“prim era boca”) los blastoporos se convierten en la boca, y el ano se form a en otro sitio distante. Los artrópodos, anélidos y moluscos son protóstom os. En el caso de los deuteróstom os (“segunda b o ca”), el ano surge del blastoporo y la boca se form a en segundo lugar. Estos últim os inclu yen a los cordados, hem icordados y equinoderm os. El celom a se origina m ediante dos vías diferentes en los protóstom os y los deuteróstom os (Figura 12.16). El celom a de los p rim eros se form a cuando se divide el m esoderm o (esquizocelia), m ientras que el celoma de los segundos aparece de las capas de m esoderm o que se sep aran del intestino (enterocelia). No obs tante, el celom a de los cordados (que son deuterósto mos) se form a p o r m edio de la esquizocelia, que es h abitual en los protóstom os.
Digestión
Mesodermo
Luz intestinal (a) Platelminto (acelomado)
Endodermo
Celoma
(b) Nematodo (pseudocelomado)
Celoma
Luz intestinal (c) Anélido (celomado) Fig u ra 12.15.
A c e lo m a d o s , p s e u d o c e lo m a d o s
y c e lo m a d o s .
Con la excepción de las esponjas y los cnidarios, los anim ales se diferencian según la naturaleza del celom a. (a) Los acelo m ados carecen de celom a. (b) El celom a aparece entre el en dod erm o y el m esoderm o en los pseudocelom ados y (c) entre dos capas m esodérm icas en los celomados.
El intestino en la p rim era etap a em b rio n aria se origina a p a rtir del endoderm o y se divide en tres regiones: intestino anterior, intestino m edio e in tes tino posterior. En la gallina, el intestino desarrolla estas regiones a los cuatro días posteriores a la fer tilización (Figura 12.17). D ichas regiones se dife ren cian a fin de form ar el tracto gastrointestinal em brionario. El endoderm o del intestino an terio r da origen al esófago, el estóm ago y la región a n te rio r del duodeno del intestino delgado. Asimismo, form a los bro tes que luego se convierten en el p á n creas y el hígado. El endoderm o del intestino medio
549
550
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Protóstomo
Deuteróstomo
Día 4
Día 10
©
Blastocele Blástula
Blastoporo
Intestino anterior
Formación del celoma por esquizocelia
Formación del celoma por enterocelia
IIICUIU
(Cordados) Mesodermo
Intestino posterior
intestinal
intestinal F ig u ra 12.17.
Celoma
Fig u ra 12.16.
D e s a r r o llo in te s tin a l.
El em brión del pollo se convierte en p ollue lo en 20 días. A los cuatro días el sistem a digestivo se ha desarrollado de tal m a nera que es posible d is tin g u ir las principales estructuras. El intestino em briona rio se divide en tres secciones: intestino anterior, in testin o m edio e intestino posterior.
F o rm a c ió n d e l c e lo m a en los pro tó s to m o s
y d e u te ró s to m o s .
La diferencia p rin cip a l entre los p ro tó s to m o s y los deu te ró sto m o s radica en el destin o del blasto poro. En el p rim e r caso éste fo rm a la boca, m ientras que en el segu ndo caso fo rm a el ano. En etapas más avanzadas del d e s a rro llo , el celom a de los p ro tó sto m o s se fo rm a cuando una capa del m esoderm o se separa para fo rm a r un c o m p a rtim e n to in te r no (celom a p o r esquizocelia). En el caso de los deu te ró sto m os, el celom a se fo rm a a p a rtir de las evaginaciones del in te stin o e m b rio n a rio (celom a p o r enterocelia). No ob s ta n te, el celom a de los cordados se desa rrolla m edia nte la es quizocelia.
se d esarro lla en la p arte p o sterior del duodeno, el resto del intestino delgado (yeyuno e íleon) y la m ayor p arte del intestino grueso, incluidos el ciego, el apéndice y p arte del colon. El endoderm o del in testino p o sterio r form a el resto del colon y el recto. Las p ro p ied ad es de estas regiones se m odifican a lo largo del desarrollo y después del nacim iento, a fin de eq u ip arar las capacidades alim entarias a la dieta.
El sistem a d ig e s tiv o de los anim ales co m p le jo s m axim iza la sup erficie En los anim ales m ás sim ples con un intestino bidi rectional, la descom posición de las m acrom oléculas se produce en las vesículas celulares. Las proteínas, azúcares complejos y lípidos se hidrolizan y los pro ductos finales, es decir, los am inoácidos, m onosacá ridos y ácidos grasos, se liberan de form a directa en el citoplasm a. Los anim ales m ás complejos llevan a cabo estas reacciones en la luz del tracto digestivo. Los productos finales de esta digestión extracelular deben luego tran sp o rtarse a las células que cubren el intestino. Debido a que este paso requiere varias enzim as y portadores de nutrientes, el proceso puede ser lento. Los anim ales complejos increm entan la efi cacia del tran sp o rte al form ar intestinos con grandes superficies, que pueden lograr de dos m aneras: aum entando la longitud intestinal e increm entando las ondulaciones superficiales.
C A P ITU LO 12
La longitud global del tracto GI puede ser una fracción de la longitud del anim al si se trata de un tubo sim ple y recto, como es el caso de los agnatos. Por el contrario, el tracto GI puede envolverse en sí m ism o, lo que le perm ite ser m ucho m ás alargado que el anim al. Algunas especies aum entan el tiem po de paso m ediante canales internos. Por ejemplo, el intestino recto de un tiburón posee u n a red de m em b ran as in tern a llam ada válvula espiral que aum enta la longitud funcional del intestino. Si bien la m ayoría de las m ediciones de la longitud intestinal se llevan a cabo en anim ales m uertos, en los anim ales vivos el músculo liso visceral com prim e el tracto GI en un tubo m ucho m ás corto, de m odo que la longitud fun cional suele se r m ás corta que la longitud m áxim a. De todos m odos, la longitud relativa del intestino refleja la capacidad de digerir los alim entos. Los ani m ales con dietas difíciles de digerir por lo general cuentan con intestinos m ás alargados a fin de au m en tar la eficiencia digestiva. Por ejemplo, los car nívoros tienden a ten er intestinos m ás cortos que los herbívoros, dado que el alim ento se digiere con m ayor facilidad. La im portancia de las dim ensiones intestinales se explica con facilidad al com parar especies íntim am ente relacionadas que p resentan hábitos alim entarios diferentes. El ciego del urogallo, que se alim enta de vegetales, es casi el doble de largo que el de la perdiz, de igual tam año, que se alim enta de semillas. La superficie del intestino p resen ta u n a topogra fía com pleja que ayuda a m axim izar la superficie.
Digestión
Esto se puede observar a nivel orgánico, donde el intestino cuenta con pliegues circulares profundos que recorren su circunferencia (Figura 12.18). Asi m ismo, se observa claram ente a nivel tisular, en donde la superficie del intestino se dispone a modo proyecciones con form a de dedos denom inadas v e llo s id a d e s .
La m axim ización de la superficie se observa incluso a nivel celular. Los enterocitos cuentan con protuberancias microscópicas denom inadas m ic r o v e llo s id a d e s que se sostienen con el citoesqueleto de actina. Éstos hacen que la superficie de la mucosa intestinal tenga un aspecto encrespado, motivo por el cual el epitelio intestinal se suele denom inar r ib e te en c ep illo . Como resultado de los pliegues circulares, las vellosidades y las microvellosidades, la superficie del intestino es cientos de veces m ayor que la que obten dría si consistiera en lám inas planas de células lisas.
Los co m p a rtim e n to s especializados au m entan la eficacia dige stiva La eficacia digestiva depende de la capacidad del ani m al de crear regiones de especialización funcional. Incluso un tracto GI sim ple puede p resen tar dichas especializaciones. Los ctenóforos cuentan con un saco digestivo simple alargado y plano. El alim ento en tra a la p rim era región de la faringe, que es ácida, y luego continúa por ella a través de dos regiones básicas antes volver a la salida po r la ab ertu ra que funciona como boca y ano. Con la excepción de una
Vellosidades
cepillo
(a) F ig u ra 12.18.
(b)
(c)
T o p o g ra fía in te s tin a l.
(a) La superficie Interna del Intestino consiste en una serie de pliegues o crestas que lo recorren d e fo rm a circular, (b) La superficie del te jid o se dispone a m odo de cam pos de proyecciones con form a de dedos denom inadas vellosidades, (c) Cada una de las cé lulas de absorción en las vellosidades posee proyecciones llam adas m icrovellosidades. Esta estructura topográfica (pliegues cir culares, vellosidades y los m icrovellosidades) aum enta la superficie disponible para la absorción.
551
552 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
pequeña zona de confluencia, los flujos entrantes y (vacas, ciervos, jirafas, cabras y ovejas) cuentan con salientes se en cu en tran separados. Estos com parti u n estómago digástrico modificado que perm ite que m entos especializados secuenciales hacen que el los vegetales se digieran con m ayor eficacia. Los intestino bidireccional funcione como uno unidirec rum iantes poseen un estóm ago de cuatro cám aras cional, lo que perm ite que el ctenóforo procese dife divididas en dos grupos funcionales (Figura 12.20). ren tes p resas en distintas regiones d urante las Los vegetales p asan po r el esófago al prim er p a r de diversas etapas de la digestión. com partim entos: el rum en y el retículo. Estas regio La especialización regional se desarrolla en nes interconectadas albergan las bacterias de fer m entación que digieren la celulosa y producen ácidos m ayor grado en los anim ales con intestinos unidirec grasos volátiles y gases, principalm ente dióxido de cionales. En m uchos casos, las válvulas m usculares llam adas esfínteres controlan el paso del alim ento de u n com partim ento al siguiente. D eterm inados tipos de Agnato (lamprea) células crean y m an tien en las propie dades regionales. Algunas células alteran el pH de los fluidos en la luz al secretar ácidos o bases. Debido a que Condrictios (tiburón) la m ayoría de las m acrom oléculas que ap arecen en el alim ento m antie n en u n nivel de pH casi neutro, los cam bios extrem os de pH pueden con trib u ir a la descom posición. La secre ción de m ucosa protege las células y lubrica la superficie. Las células secretoras liberan las enzim as diges tivas (proteasas, am ilasas, lipasas, nucleasas) que aceleran la descom po sición quím ica de las m acrom olécu las. Las células de absorción de cada región tam bién poseen capacidades de tran sp o rte especializadas. El plano general del tracto GI es sim ilar en los vertebrados, aunque los Reptil (tortuga) taxones difieren en los tipos de com p artim ento (Figura 12.19). M uchas especies p resen tan cám aras adicio nales o regiones m odificadas en el tracto GI. Las aves y los osteíctios Aviar (pollo) poseen ciegos que se ram ifican del tracto GI y contienen bacterias que ayudan a la digestión. El tracto GI an terio r de las aves tam bién es m ás complejo que el de otros vertebrados. El buche constituye u n a evaginación Mamífero (cerdo) del esófago que perm ite que el ave alm acene alim ento parcialm ente dige rido. M uchas especies de m am íferos poseen com plejas m odificaciones en Fig u ra 12.19. M o r fo lo g ía in te s tin a l de los v e rte b ra d o s . el tracto gastrointestinal habitual que El in testin o de los vertebrados difiere am pliam ente en cuanto a la com ple jid ad y m ejoran el carácter digerible del lo ngitud entre las distintas especies. Cada grupo de vertebrados se aproxim a a la m aterial vegetal. Los rum iantes m ism a lo ngitud corporal a fin de resaltar las diferencias longitudinales.
C A P ÍTU LO 12
Digestión 553
rentes. Las glándulas salivales intrín secas, o glándulas bucales, se distri buyen por toda la cavidad oral. Un m am ífero suele contar con varios pares de glándulas salivales extrín secas: los perro s tienen glándulas parótidas justo antes de la oreja, glándulas orbitarias cerca del ojo, glándulas m andibulares en las proxi m idades de la m andíbula inferior y glándulas sublinguales debajo de la lengua (Figura 12.21). Cada u n a de éstas posee al m enos dos tipos de células: las de secreción de m ucosa y las serosas, que secretan las enzim as F ig u ra 12.20. R u m ia n te s . degradantes. M uchos m am íferos poseen cám aras derivadas del tracto Gl que albergan bacte rias que ferm entan la celulosa. Los rum iantes, incluida la vaca m ostrada en esta f i Debido al elevado contenido en gura, cuentan con cuatro cámaras. agua de la saliva, las secreciones de estas glándulas inciden en el equili brio hídrico. Un hum ano medio, po r ejemplo, puede carbono y m etano. El anim al puede regurgitar el ali secretar m ás de 1 litro de agua en la saliva todos los m ento del ru m en hacia la boca p a ra de m asticar de días. La tasa de secreción de las glándulas salivales nuevo el m aterial parcialm ente degradado. Cuando se regula m ediante el sistem a parasim pático en re s el alim ento reto rn a al esófago en tra a la segunda puesta a los receptores sensibles a la presión y qui división, que se com pone del om aso y abom aso. Este m iorreceptores en la boca. Cuando el alim ento se último funciona como el estómago glandular que ingiere po r la boca, la estim ulación m ecánica activa secreta enzim as digestivas. Al igual que los ru m ian los receptores sensibles a la presión que envían se ñ a tes, los tilópodos (camellos, llamas), parientes cerca les a la región del tronco encefálico que controla las nos, poseen u n estómago digástrico, aunque los secreciones de las glándulas serosas. Asimismo, segundos carecen de om aso. Muchos de los otros cuando los quim iorreceptores detectan determ inagrupos de m am íferos que p astan presen tan cám aras de ferm entación. Sin em bargo, a diferencia de los rum iantes y tilópodos, estas cám aras de ferm enta ción se ram ifican desde intestino posterior y son m ucho m enos eficaces.
Las g lán dulas salivales secretan agua y enzim as digestivas La digestión depende de las secreciones de las glán dulas exocrinas m ulticelulares que funcionan junto con las células secretoras individuales esparcidas p o r el tracto GI. M uchas especies cuentan con glán dulas ubicadas cerca de la boca, habitualm ente denom inadas glándulas salivales. Las secreciones de estas glándulas incluyen enzim as que inician la des com posición quím ica del alim ento. En los anim ales terrestre s la saliva proporciona fluido p a ra lubricar y disolver el alim ento, lo que perm ite que los nu trien tes disueltos se u n an con los receptores gustativos. La saliva tam b ién p resen ta propiedades antim icro bian as p a ra ay u d ar a lim piar la boca. Las glándulas salivales son en realidad u n grupo de glándulas dife
F ig u ra 12.21.
G lá n d u la s s a liv a le s .
A l igual que la m ayoría de los m am íferos, el perro presenta varios grupos de glándulas salivales que secretan líquido y enzimas en la cavidad oral.
554 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
das sustancias quím icas en el alim ento, se envía una señal al cerebro. Como Pavlov descubrió hace tiem po, los anim ales pueden tam bién salivar en re s p uesta a im ágenes y sonidos que se relacionan con el alim ento. Las secreciones de las glándulas salivales p ueden inhibirse. Los anim ales deshidratados utili zan el sistem a nervioso sim pático p a ra lim itar el flujo sanguíneo a las glándulas salivales, evitando de este m odo la secreción. La m ism a respuesta sim pática induce sequedad bucal, una resp u esta que se pro duce con frecuencia en los hum anos en condiciones de tensión tales como h ab lar en público.
Fosas gástricas
El estó m a go secreta ácido y m ucosa
Células mucosas del cuello
La superficie del estóm ago consiste en un epitelio com puesto por colum nas de células epiteliales (Figura 12.22). E stas células se vinculan m ediante uniones herm éticas que evitan el filtrado de fluidos de la luz al tejido. Las profundas fosas gástricas se esparcen p o r la superficie del estómago y se com po n en de cuatro tipos de células. Las células cervicales mucosas, que se en cu en tran cerca de la ab ertu ra de la fosa, secretan un tipo de m ucosa ácida. Las células parieta les en el centro de la fosa secretan ácido, p rincipalm ente HC1. Las células principales cerca de la base de la fosa secretan enzim as digestivas, princi palm ente la pro teasa pepsina. Por último, las células enteroendocrinas secretan varias horm onas en la sangre en resp u esta al contenido estom acal. Por ejemplo, la ho rm o n a g astrina se libera de las células enteroendocrinas al sum inistro sanguíneo del estó mago, lo que induce la secreción de otras células gás tricas. A nalizarem os la función de otras horm onas que liberan las células enteroendocrinas cuando tr a tem os el control de la m otilidad intestinal. El reducido nivel de pH del estóm ago es ideal p a ra m uchas enzim as gástricas, aunque tam bién es lo suficientem ente riguroso como p ara elim inar las b acterias y parásito s que se ingieren de los alim en tos. No obstante, la Helicobacter pylori, la bacteria asociada con las úlceras pépticas, sobrevive al red u cido pH estom acal, ya que prolifera en las profundi dades de la fosa gástrica, donde el pH es m ás elevado. No todos los vertebrados presen tan estóm agos ácidos. El ornitorrinco, p o r ejemplo, no cuenta con u n estóm ago ácido p o r razones aú n desconocidas. Otra excepción curiosa es la ra n a incubadora gás trica, Rheobatrachus silus, que se trag a los huevos fertilizados y éstos m ad u ran en el estómago. La cría en desarrollo secreta p rostaglandina E 2 a fin de inhi-
Células parietales Células principales Células enteroendocrinas
Músculo . liso
F ig u ra 12.22.
E s tru c tu ra c e lu la r d e l e s tó m a g o .
La superficie lisa del estóm ago presenta num erosas cavida des denom inadas fosas gástricas, que se com ponen de cua tro tip o s de células principales que controlan las secreciones de m ucosa, ácido, enzimas y horm onas. A sim ism o, son el lu gar en donde se acum ulan las H elicobacter pylori.
bir la secreción de ácido. Al nacer, las dim inutas ra n a s saltan por el esófago y escapan por la boca.
La m ayoría de los nu trie n te s se absorben en los in te stin o s Los intestinos son ricos en diversidad histológica. Si se realiza un corte transversal, es posible observar cuatro capas intestinales principales: m ucosa, subm ucosa, m úsculo liso circular y m úsculo liso longi tudinal (Figura 12.23). La superficie m ucosa se com pone de enterocitos, las células de absorción con
C A P ÍTU LO 12
Fig u ra 12.23.
E s tru c tu ra c e lu la r d e l in te s tin o .
Las vellosidades se com ponen de varios tip o s de células. Los enterocitos son células de absorción que poseen m ic ro v e llo sidades (no se m uestran). Las células caliciform es secretan mucosa. Los linfocitos in terepiteliales son células T que ayu dan con la in m unodefensa. Las células enteroendocrinas se cretan las horm onas que controlan la m otilid a d del tracto GI y otro s aspectos de la digestión. En la base de las vellosidades se observan las criptas de Lieberkühn. Las células epiteliales de las criptas secretan el ju g o intestinal. Las células de Paneth en la base de la cripta secretan una enzima que descom pone las paredes celulares de las bacterias.
ab u n d an tes m icrovellosidades. Las células calicifor m es que secretan m ucosa se esparcen por los entero citos. Las células enteroendocrinas secretan las h orm onas que ayudan a regular la digestión y la asi m ilación de nutrientes. En la base de cada vellosidad se encuentra u n a región llam ada la cripta de Lieber kühn. A dem ás de los enterocitos, cada cripta posee células de Paneth, que secretan m oléculas antim i crobianas en la luz. Junto a las células de Paneth hay células m adre que se dividen y diferencian p a ra ab astecer a las dem ás células intestinales. La subm ucosa intestinal, que subyace a la m ucosa superficial, consiste en una capa de tejido conjuntivo por donde p asan los vasos sanguíneos y linfáticos, así como los nervios que controlan el tracto GI. Asimismo, con tiene las glándulas duodenales, cuyas células secre ta n im a m ucosa básica m ediante conductos que p en etran en el epitelio p a ra neutralizar el ácido que llega del estómago. Los m úsculos lisos internos y externos controlan el tran sp o rte del alim ento po r el tracto GI. El intestino delgado tam bién recibe las secrecio nes de bilis de la vesícula biliar (Figura 12.24). La bilis es u n a solución compleja de sustancias químicas
F ig u ra 12.24.
Digestión 555
P r o d u c c ió n , a lm a c e n a m ie n to y s e c r e c ió n
de b ilis .
Los hepatocitos producen la bilis y la secretan en pequeños conductos adyacentes, que la agrupan y se vacían en el con ducto hepático com ún. Cuando el esfínter de la vía billa r se encuentra cerrado, la bilis se transporta m ediante el conducto cístico a la vesícula bilia r para almacenarse. Al abrirse el es fínter, la bilis se libera de la vesícula bilia r al duodeno.
digestivas y desechos hepáticos. Sólo dos tipos de m oléculas en la bilis desem peñan un papel digestivo: los fosfolípidos y las sales biliares. El prim ero, al igual que la lecitina, ayuda a la absorción de lípidos, m ientras que el segundo em ulsiona las grasas en el duodeno. Am bas son m oléculas anfipáticas con regiones no polares que se unen a las grasas, y regio nes polares que interactúan con el agua. Una capa de sales biliares ayuda a estabilizar las pequeñas gotas de grasa. Las células hepáticas (hepatocitos) p rodu cen la bilis y la secretan en pequeños conductos adyacentes que se fusionan y se vacían en el con ducto hepático común, el cual se une al conducto cís tico de la vesícula biliar p a ra form ar la vía biliar. La vesícula biliar alm acena la bilis h asta que se necesite y luego se vacía en el duodeno po r medio de la vía biliar. El p án creas es u n a glándula exocrina que secreta enzim as digestivas en el duodeno. Las p ro teasas se producen en form a de p roenzim as, que evitan que la enzim a digiera la célula secretora m ism a. Por ejem plo, la trip sin a se secreta como el p recu rso r inactivo tripsinógeno (Figura 12.25). Cuando p en etra la luz intestinal, la enzim a enterocinasa del ribete en cepillo lo convierte en la proteasa activa. La trip sin a a su vez activa otras dos enzim as pancreáticas: la carboxipeptidasa y la qui-
556 SEG UN DA PARTE
Fig u ra 12.25.
Integrando sistem as fisiológicos
C a s c a d a de trip s in ó g e n o .
El páncreas secreta tres proteasas im portantes, todas en fo r mas inactivas. La enterocinasa activa el tripsinó geno m edian te la divisió n proteolítica. La trip sin a activada a continuación activa el qu im io trip sin ó g e n o y la procarboxipeptidasa m e diante la divisió n proteolítica.
m iotripsina. Al se c re ta r estas enzim as como p ro enzim as inactivas se red u ce el riesgo de que el p án creas se digiera a sí m ism o. Este últim o tam bién libera enzim as que descom ponen el glucógeno (am ilasa), los triglicéridos (lipasa) y los ácidos n u cleicos (nucleasas). Las h o rm o n as que p articip an en el control de las secreciones del tracto GI se re su m en en la Tabla 12.3.
R egula ción de la a lim e n ta c ió n y la d ig e s tió n La alim entación es u n m al necesario en la vida de la m ayoría de los anim ales. Si bien necesitan alim en tarse p ara sobrevivir, el proceso alimenticio exige u n a energía considerable y puede exponer al anim al al peligro de los depredadores. Las estrategias alim entarias se desarrollan p a ra proporcionar al ani m al la m áxim a probabilidad de obtener los n u trientes necesarios m inim izando el riesgo a su supervivencia. En térm inos de la fisiología digestiva, las variables m ás significativas son la n atu raleza de
los nutrientes, la cantidad de alim ento consumido d urante determ inado periodo y la frecuencia de ali m entación. Tomemos a modo de ejemplo un día en la vida de un anim al que se alim enta po r filtración. Este tipo de anim ales, como los percebes, están rodeados de com ida y la alim entación es un proceso continuo, que se ve interrum pido únicam ente cuando se detecta un depredador en las inm ediaciones. Por el contrario, algunos peces m arinos batipelágicos pue den obtener alim ento sólo u n a vez al año. Muchos anim ales se alim entan d urante un breve periodo de su vida y presen tan u n a estrategia vital que se orga niza en torno a esta etapa. Los anim ales deben enfrentarse al gran desaño de equiparar la ingesta de alim ento con las dem an das m etabólicas de corto plazo, adem ás de asegurar la posibilidad de desarrollarse y reproducirse a largo plazo. P ara m uchos anim ales complejos, el deseo de alim entarse (apetito) se regula por medio del sistem a nervioso central (CNS). La inform ación proporcio n a d a al CNS procede de factores am bientales tales como el fotoperiodo, así como señales intrínsecas que reflejan los niveles de nutrientes o el estado m etabólico del anim al. Los anim ales suelen alim en tarse cuando las necesidades energéticas superan el potencial m etabólico de los com bustibles circulantes, lo que evita que el anim al recu rra a los nutrientes alm acenados. La alim entación y la digestión se encuentran en la intersección entre la ecología y la fisiología mecanicista. Los fisiólogos regulatorios se concentran en las vías que los anim ales em plean p a ra absorber determ inados nutrientes y m etabolizarlos en vías intracelulares. Si bien cada uno de los pasos (tran s porte y conversión enzim ática) puede estudiarse de form a cuantitativa m ediante análisis cinéticos, resulta difícil extrapolar estos estudios p a ra realizar estim aciones con respecto al sistem a en su totalidad. Por el contrario, los fisiólogos ecológicos suelen enfo carse en la m an era en la que los anim ales equiparan las necesidades nutricionales con los esfuerzos ali m entarios, un concepto que se denom ina estequiom etría ecológica. Los investigadores de am bos cam pos, es decir, la fisiología reguladora y la estequiom etría ecológica, al principio avanzaron por separado debido a la diversidad de los nutrientes y la com plejidad de la descom posición, absorción y asi m ilación de nutrientes, aunque los dos m arcos expe rim entales diferentes se unieron por m edio de la t e o r ía d e l r e a c to r in t e s tin a l, que perm ite que los investigadores em pleen relaciones m atem áticas p ara realizar estim aciones cualitativas y cuantitativas so-
C A P ÍTU LO 12
Tabla 12.3.
Digestión 557
C on tro l horm onal de la digestión.
Factor reg u la n te
Fuente
E stim ulantes
Acetilcolina
Nervios colinérgicos
Secreción gástrica
Colecistocinina (CCK)
Duodeno
Expulsión de la bilis de la vesícula biliar, secreción de enzimas pancreáticas, apetito
Encefalina
Duodeno
Secreción de ácido gástrico
Epinefrina
Nervios intestinales
Secreción de ácido gástrico
Galanina
Nervios intestinales
Péptido inhibidor gástrico (GIP)
Duodeno
Gastrina
Estómago y duodeno
Péptido liberador de gastrina
Cerebro
Secreción de gastrina
Grelina
Estómago
Apetito
Inhibidores
Secreción de enzimas pancreáticas
Secreción de ácido gástrico Secreción gástrica Producción y secreción de ácido gástrico
Secreción de glucagón
Duodeno
Pancreático e intestinal
Péptido tipo glucagón 1 (GLP-1)
Yeyuno, intestino posterior
Apetito
Motilina
Yeyuno
Polipéptido pancreático (PP)
Páncreas
Apetito, secreción gástrica
Péptido YY (PYY)
Yeyuno, intestino posterior
Apetito, secreción gástrica
Secreción de ácido gástrico
Polipéptido activador de la Hipófisis adenilato ciclasa hiofisaria (PACAP)
Secreción gástrica
Secretina
Duodeno
Secreción de agua y bicarbonato, producción de bilis
Somatostatina
Duodeno
Péptido intestinal vasoactivo (VIP)
Duodeno
Secreción de ácido gástrico, secreción pancreática, flujo sanguíneo (vasoconstricción) Flujo sanguíneo intestinal (vasodilatación), secreción pancreática y gástrica, secreción de sales intestinales
bre la función y evolución de la fisiología digestiva (véase la Caja 12.4).
Las h o rm o n a s c o n tro la n el deseo de a lim en tarse El control del apetito se h a estudiado m ás extensa m ente en los m am íferos debido a las consecuencias p ara la obesidad hu m an a. Estos estudios h a n identi ficado m ás de 20 factores reguladores diferentes que vinculan la nutrición, el m etabolism o y la alim enta
ción. Algunos factores reguladores se producen en las proxim idades del tracto GI, controlando los suce sos locales y enviando señales a la sangre p a ra influir en otros tejidos. Las horm onas liberadas por el tracto GI llegan al hipotálam o, que integra la inform ación y controla la conducta alim entaria. Existen tres h o r m onas principales que controlan el apetito: la leptina, la grelina y el péptido YY. La leptina es u n a horm ona inhibidora del apetito que se produce en el tejido adiposo blanco. Cuando se libera en la sangre, se une a receptores en el
558 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 1 2 .4. F u n d a m e n t o s m a t e m á t ic o s T e o r ía d e l r e a c t o r in t e s t in a l El sistem a digestivo animal com parte varias sim ilitudes con los reactores utilizados en la industria para transform ar un grupo de elem entos quí m icos en otros. Los ingenieros quím icos definen tres tipos de reactores quím icos que presentan un claro paralelismo con los sistem as digestivos de los animales que hem os analizado: reactores discontinuos, reactores de tanque y reactores de flujo de pistón (Figura A). Los reactores discontinuos reciben un pulso de precur sores y tras un periodo de tiem po los convierten en produc tos. Esto se asemeja m ucho al intestino bidireccional de los cnidarios, que ingieren y digieren partículas de alim ento en una cavidad gastrovascular para luego expulsar el material sin digerir. Los reactores de tanque reciben una infusión perm anente de precursores y generan un flujo constante de productos. Las cámaras de ferm entación de algunos anima les, com o el ciego del ave o el rumen de la vaca, son ejem plos de reactores de tanque. En el caso de los reactores de flujo de pistón, un bolo de precursores comienza en un extrem o de un reactor de aspecto tubular y se transporta por el tubo hacia el otro extrem o. El intestino de la mayoría de los animales funciona de este modo: el alim ento sale del estóm ago, pasa por el intestino tubular y llega al ano. La teoría de los reactores quím icos perm ite al investiga dor form ular los procesos digestivos de form a m atemática, a fin de evaluar los factores que determ inan el funciona m iento del sistem a digestivo. Por ejem plo, si un sistem a
Ingesta
/M'
Egestión
digestivo funciona com o un reactor discontinuo, el animal logra obtener una m ayor cantidad de energía si digiere una com ida que le resulte suficiente para obtener la m ayor can tidad de nutrientes en el m enor tiem po posible. Si el tie m p o resulta dem asiado breve, el bolo alim enticio es expulsado con m uchos nutrientes in digestos. Si se retiene el alim ento durante m ucho tiem po, puede extraer más nutrientes pero se priva de la oportunidad de alim entarse nuevam ente. La teoría de los reactores puede estim ar el tie m p o óptim o de retención del alim ento al trazar la rela ción entre la absorción neta (absorción total U m enos el gasto de búsqueda C) y el tiem po de retención x, com o se puede apreciar en la Figura B. Esta curva puede utilizarse para calcular el tiem po de perm anencia óptim o. Poco tie m p o después de que se consum a el alim ento (x = 0 ), el animal incurre en gastos (C) pero no gana ningún nutriente. A m edida que la digestión avanza (x aumenta), se produce un increm ento en la pendiente de la curva. Pensem os en esta pendiente, denominada U'(x), com o la velocidad a la que el animal obtiene nutrientes en ese m om e nto determ i nado. En algún punto, la pendiente de la curva alcanza el pico m áxim o, o U'(xopt). Tras un periodo largo de digestión, la absorción de nutrientes continúa pero a una velocidad descendente. M atem áticam ente, la relación entre estos parám etros se define por la ecuación
Gráficamente, el valor x opt se define por una línea que nace en el origen y corta la curva en el punto en el que la pen diente comienza a descender. La línea roja indica cóm o un aum ento en el gasto de búsqueda (C) inclina toda la curva hacia abajo: x aum enta. Si el gasto de alim entación es
x Y
Reactor de grupo (Hydra)
Reactor de tanque (intestino ciego) Bolo alimenticio
Reactor de flujo de pistón (intestino anterior) Fig u ra A
t opt (U elevada) Fig u ra B
t opt (C elevada)
CAPÍTULO 12
mayor, el animal se beneficia al asimilar más nutrientes de la primera comida. Del mismo modo, la línea azul indica cómo la absorción aumenta cuando el alimento es más digerible. La curva entera se desplaza hacia arriba y se cal cula una xopt más breve. De la misma manera, es posible emplear ecuaciones más complejas para calcular la estrategia de alimentación óptima en animales con un sistema digestivo que se ase meja al reactor de flujo de pistón. En muchos sentidos, este modelo es como una serie de reactores discontinuos, con un volumen de alimento determinado que avanza de una región a la siguiente. A diferencia del reactor disconti nuo, el reactor de flujo de pistón acepta una entrada conti nua, lo que implica dos consecuencias para calcular la ganancia. En primer lugar, debido a que el animal se ali menta continuamente, el gasto de alimentación se extiende en el tiempo (en un reactor discontinuo, se incurre primero en el gasto de alimentación y la ganancia se extiende en el tiempo). En segundo término, para cualquier periodo, las ingestas múltiples contribuyen a la ganancia. En los últimos años, la teoría del reactor intestinal se ha utilizado para confrontar la complejidad biológica analizada en este capítulo. En primer lugar, si bien los modelos habi tualmente suponen que la velocidad de absorción es una función lineal de la concentración nutricional, la cinética enzimática suele ser más complicada. El impacto de la ciné tica compleja de enzimas digestivas y portadores intestina les activos se ha resuelto únicamente en los sistemas simples, como el de las aves nectarívoras. En segundo lugar, el volumen del pistón se supone constante, aunque en realidad se modifica cuando los animales eliminan flui dos del intestino o los secretan en él. En tercer lugar, los modelos requieren una completa mezcla del volumen, aun que en el intestino existen gradientes de concentración establecidos como resultado del proceso de transporte, como capas que no se mezclan. En cuarto lugar, el animal puede cambiar la extensión funcional del intestino mediante la actividad del músculo liso. Muchos de los estudios que utilizan la teoría de los reactores se basan en la premisa de que el sistema digestivo funciona de manera óptima. Por ejemplo, se asume que la fisiología digestiva del animal (comportamiento de alimentación y absorción de nutrien tes) está encaminada a alcanzar un tiempo de retención óptimo. Cuando la alimentación consiste en un único nutriente principal, es probable que exista un único t . En una dieta compleja, cada tipo de nutriente puede tener dife rentes grados óptimos de absorción cinética, aunque el bolo alimenticio avanza por el intestino tubular a una única veloci dad. Es decir, una única velocidad de paso puede ser más extensa que la requerida por algunos nutrientes y más breve que la que otros necesitan. El xopt en algunos casos puede reflejar la necesidad de expulsar el material indigesto o tóxico, en lugar de la absorción de nutrientes.
Digestión 559
Los estudiosos de la teoría de los reactores continúan incorporando estas importantes variables fisiológicas y mor fológicas a medida que desarrollan modelos más sofistica dos para estimar la fisiología digestiva y las estrategias de alimentación. Las teorías de los reactores se han aplicado más en los animales con dietas simples. El Dr. Carlos Martí nez del Río y cois., han utilizado esta teoría para estudiar la fisiología de alimentación de las aves nectarívoras. La sim plicidad de la dieta facilita la comprobación de los modelos matemáticos que incorporan la teoría del reactor de flujo de pistón. Un ave nectarívora transforma la sacarosa en fruc tosa y glucosa utilizando la sacarasa disacaridasa intestinal. Presenta el modelo cinético de Michaelis-Menten, con una tasa de hidrólisis ( - r ) que se expresa como - r = l/maxCs(/Cm + Cs) - 1
donde V'max se refiere a la velocidad máxima de sacarasa media a lo largo del intestino, Km es la constante de Michaelis-Menten, y Cs se refiere a la concentración de sacarosa. El tiempo de retención (t) puede calcularse como
x = [KJn(CJCJ + (Cs0- C J ] V ^ donde Cs0 es la concentración de sacarosa inicial y Csf es la concentración de sacarosa final. Una vez que se conoce t , la velocidad de ingesta del intestino (V0) puede calcularse como
V0=Gx-' Martínez del Río y cois, a continuación compararon este modelo con las observaciones experimentales reales de los colibríes cuya alimentación se basa en diferentes solu ciones de sacarosa. Cuanto más diluidas eran las solucio nes, mayor era el volumen que consumían. En otro estudio, utilizaron este mismo enfoque para discernir si el compor tamiento alimentario reflejaba un intento para ajustar la absorción a la demanda metabólica (alimentación compen satoria) o más bien para asegurar una ingesta que man tenga el aparato digestivo funcionando a una velocidad máxima (restricción fisiológica). Se alimentó a los colibríes con la misma cantidad de soluciones de sacarosa, pero expuestos a diferentes temperaturas. Las temperaturas más frías elevaron la demanda metabólica. Se descubrió que los colibríes expuestos al frío ingirieron la misma canti dad de sacarosa que los expuestos a temperatura más ele vada, lo que sugiere una restricción fisiológica. Referencias • Martínez del Río, C., J. E. Schondube, T. J. McWhorter, and L. G. Herrera. 2001. Intake responses in nectar feeding birds: Digestive and metabolic causes, osmoregulatory consequences, and coevolutionary effects. American Zoologist 41: 902-915. • McWhorter, T. J., and C. Martinez del Rio. 2000. Does gut function limit hummingbird food intake? Physiological and Biochemical Zoo logy 73: 313-324.
560 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
núcleo arqueado del hipotálam o. Asimismo, se une con receptores de leptina en otros tejidos, donde con trola los procesos m etabólicos. Si bien se ha com pro bado que la leptina no constituye un elem ento eficaz p a ra los tratam ientos contra la obesidad, desem peña u n papel fundam ental en el control del m etabolism o del tejido adiposo. En éste la leptina actúa como un “adipostato”, que au m en ta el alm acenam iento de lípidos cuando se reducen los niveles lipídicos y fom enta la liberación lipídica y la oxidación cuando se elevan. La grelina se libera de las células del estó mago cuando éste se encuentra vacío. Al igual que la leptina, se tran sp o rta por la sangre al núcleo arqueado del hipotálam o p a ra estim ular la alim enta ción. La tercera horm ona controladora del apetito es el péptido YY. Cuando el colon está lleno, los cambios m ecánicos activan la liberación del péptido YY en la sangre. Éste funciona en el hipotálam o p a ra reducir el apetito, antagonizando los efectos de la grelina. A grandes rasgos, la grelina y el péptido YY controlan el deseo de ingerir alim ento entre com idas, m ientras que la leptina induce el alm acenam iento metabólico a largo plazo. Cuando los tres factores de control del apetito se u n en a receptores en el núcleo arqueado del hipotá lamo, éste responde m odificando la síntesis y libe rando otros factores que actúan de m an era central (Figura 12.26). Aunque los efectos son complejos, la consecuencia principal que la leptina ocasiona sobre
Hipotálamo (núcleo arqueado) Neurona liberadora del neuropéptido Y
Tejido adiposo blanco
Estómago F ig u ra 12.26.
C o n tro l d e l a p e tito .
Las hormonas secretadas del tracto Gl llegan al hipotálamo, donde actúan sobre las neuronas liberadoras del neuropéptidoY(NPY).
el apetito se produce al unirse a neuronas liberadoras del neuropéptido Y. Cuando esto sucede, estas neuro n as no sólo liberan el neuropéptido Y, sino tam bién el péptido relacionado con el gen agutí y el ácido gam m a-am inobutírico (GABA). La leptina, la grelina y el péptido YY ejercen efectos en las vías superpuestas. Por ejemplo, cada factor puede influir en la cantidad de receptores p ara los otros factores en las neuronas liberadoras del neuropéptido Y, que modifican el p atrón de liberación de neurotransm isores en res puesta a la unión de los factores. Los neurotransm iso res liberados influyen las neuronas circundantes, sobre todo en las neuronas de proopiomelanocorticotropina (POMC) que m edían en la conducta alim en taria. Debido a que estos factores y el sistem a de circui tos neuronales correspondiente no se h an com en zado a identificar hasta hace poco, aún se desconoce cómo actúan en las dem ás especies de vertebrados con diferentes estrategias alim entarias. La frecuen cia alim entaria difiere notablem ente entre los distin tos anim ales. Las serpientes de gran tam año y los peces batipelágicos pueden alim entarse con poca fre cuencia, a veces incluso sólo u n a vez al año. La regu lación neurohorm onal que controla el apetito no se h a estudiado extensam ente en dichos anim ales.
Las ho rm o n a s y los ne u ro tra n sm iso re s co n tro la n las secreciones Una vez que el alim ento entra en el intestino, el tracto GI secreta un a serie de sustancias quím icas y enzim as que convierten el alim ento a form as que pueden absorberse. El control de estas secreciones depende de complejos m ecanism os reguladores que resp o n den a la anticipación del alimento y a la presencia física de éste en el sistem a digestivo. A nteriorm ente analizam os la naturaleza de las secreciones intesti nales, es decir, saliva, ácido, mucosa, bilis, bicarbona to y enzim as digestivas, pero no estudiam os aún la m an era en que los anim ales controlan estas secre ciones. El estómago se acidifica cuando las células p arie tales de la pared gástrica secretan HC1 o, m ejor dicho, H + y Cl~. La actividad de la enzim a anhidrasa carbónica desem peña un papel p reponderante en la secreción de ácido. El dióxido de carbono se hidrata, form ando H,C03, que luego se disocia p a ra form ar H+ y HC03~. Las células parietales expulsan protones a la luz m ediante u n a bom ba de protones, una K+/H+ ATPasa. El bicarbonato se exporta de la célula a la sangre por medio de im intercam biador C1 / HC03~.
CAPITULO 12
El Cl_ luego ab an d o n a la célula po r un canal de Cl~. La secreción de ácido de las células parietales se activa cuando la histam ina se une a los receptores ubicados en las células (receptores de H2), iniciando de este m odo u n a cascada de AMPc que activa la bom ba de protones. Las células tipo enterocrom afín (ECF) de la pared estom acal liberan histam ina en resp u esta a la gastrina, u n a horm ona peptídica pro ducida p o r las células neuroendocrinas (células G) del estómago y el duodeno y liberada en respuesta a la actividad nerviosa adrenérgica y colinérgica (Figura 12.27). La g astrina tam bién regula la secre ción de pepsinógeno p o r p arte de las células princi pales de la m ucosa gástrica. El contenido estom acal puede in teractu ar con cada u n a de estas células (parietales, ECF y G) a fin de alterar la secreción de ácido. Los tratam ien to s contra la secreción excesiva de ácido pueden estar dirigidos a la K+/H+ ATPasa (inhibidoras de la bom ba de protones) o a los recep tores de h istam ina (bloqueadores de H,). La gastrina tam bién controla otras células secretoras en la m ucosa gástrica: p o r ejemplo, induce a que las célu las principales secreten pepsinógeno. El reducido nivel de pH en el estómago activa el pepsinógeno p ara que form e pepsina, un a carboxipeptidasa, lo que da inicio a la degradación de proteínas.
F ig u ra 12.27.
C o n tro l de la s e c r e c ió n g á s tr ic a de á c id o y
p e p s in ó g e n o .
Las células gástricas secretan ácido {células parietales) y pep sinógeno (células principales} en respuesta a señales envia das desde el sistema nervioso central y del alimento mismo, actuando por medio de quimiorreceptores y mecanorrecep tores.
F ig u ra 12.28.
Digestión 561
C o n tro l de la s e c r e c ió n in te s tin a l.
Los líquidos ácidos procedentes del estómago activan la se creción Intestinal. Las secreciones neutralizan los líquidos ácidos (mediante el bicarbonato y la bilis) y colaboran con la digestión a través de las enzimas digestivas (proteasas, lipasas, nucleasas, amllasas) y la bilis, que emulsiona los lí pidos.
Una vez que el alim ento p asa del estóm ago al intestino anterior, las secreciones alteran el pH del bolo y lo b o m bardean con otro grupo de sustancias quím icas digestivas. La acidez se neutraliza m ediante las secreciones de bicarbonato po r p arte del p áncreas y de bilis po r p arte de la vesícula biliar. El páncreas tam bién secreta enzim as digestivas, entre ellas am ilasa, quim iotripsina, carboxipeptidasas, am inopeptidasas, nucleasas y lipasas. Cuando las sustancias ácidas en tran en el intestino anterior, activan la secreción duodenal de secretina y péptido intestinal vasoactivo (VIP) a la sangre, en donde actúa en el páncreas p a ra inducir la secreción de bicarbonato. Otras células intestinales detectan el nivel de am inoácidos y ácidos grasos y secretan colecistocinina (CCK) en la sangre. Esta últim a actúa en el páncreas, im pulsando la secreción de enzim as digestivas, y en la vesícula biliar, induciendo la con tracción del m úsculo liso a fin de expulsar bilis (Figura 12.28).
Los nervios y las ho rm o n a s que actúan en el m úscu lo liso regulan la m o tilid a d del in te stino Como en la m ayoría de los sistem as fisiológicos, los m úsculos y nervios desem peñan un papel preponde
562 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
ran te en la regulación del sistem a digestivo. El ali m ento se im pulsa p o r el tracto gastrointestinal m ediante los m úsculos lisos viscerales, controlados po r los nervios y las horm onas. Al increm entar la m otilidad intestinal, u n anim al aum enta la velocidad de paso de alim ento por el tracto GI, lo que a su vez influye en la eficacia de la absorción. La velocidad debe ser lo suficientem ente rápida p a ra evitar que el anim al cargue con u n a m asa de m aterial indigesto, aunque lo suficientem ente lenta p a ra perm itir la digestión y la asimilación. La interacción entre las velocidades de paso p o r el intestino y la digestibilidad se ilu stra m ediante la com paración de las aves con diferentes dietas. Las aves frugívoras poseen ráp id as velocidades de paso. Deben ser capaces de im pulsar el alim ento velozm ente por el intestino debido a que el m aterial indigesto es un a carga que el anim al debe a c arrear al volar. Por el contrario, las aves nectarívoras ingieren u n a dieta rica en nu trien tes que no recarg a m ucho la m asa corporal. Las velo cidades de paso lentas perm iten que estos anim ales cuenten con abun d an te tiem po p a ra absorber los nutrientes. La m otilidad intestinal se controla m ediante la acción de dos capas de m úsculo liso que recubren el tracto intestinal. Cada u n a de las capas del tracto GI se com pone de células m usculares insertadas en una m atriz extracelular de elastina y m oléculas de colá geno e interconectadas a u n a red eléctrica que p e r m ite que las células individuales se contraigan y se relajen como unidad. La delgada capa longitudinal externa controla la longitud intestinal, m ientras que la gruesa capa circular interna, que controla el diá m etro de la luz, se com pone de unidades contráctiles de 1 m m de largo. La m otilidad intestinal se d eter m ina de acuerdo con la actividad contráctil de este último. El m úsculo liso m antiene una tensión con tráctil en reposo, o tono m uscular, que controla el diám etro de la luz. La contracción tónica se controla m ediante vías intrínsecas en las células m usculares (miógenas) y neuro tran sm isores liberados por los nervios m otores (neurógenos). Los nervios m otores del sistem a nervioso central no actúan directam ente sobre el m úsculo liso, sino que alim entan u n a red nerviosa denom inada plexo m ientérico (Figu r a 12.29). Éste y el plexo subm ucoso, o de Meissner, conform an el sistem a nervioso entérico (Capítulo 8). El plexo m ientérico contiene las neuronas encarga das de regular la m otilidad intestinal y la secreción enzim ática, m ien tras que el plexo subm ucoso regula el flujo sanguíneo del intestino y desem peña un im portante papel en la regulación del transporte
Músculo liso circular Plexo mientérico Músculo liso longitudinal Músculo liso circular Neurona motora Interneurona
- Plexo mientérico
Músculo liso longitudinal
Al sistema nervioso central (nervios simpáticos y parasimpáticos) Fig u ra 12.29.
P le x o m ie n té r ic o .
Los nervios de los sistemas nerviosos simpático y parasimpá tico envían señales al plexo mientérico que yace bajo la submucosa. Este grupo de nervios integra las diferentes señales y envía los neurotransmisores apropiados al músculo liso a fin de controlar la contracción.
iónico e hídrico po r el intestino. Estos com ponentes del sistem a nervioso entérico funcionan en conjunto p a ra regular la función intestinal. El intestino tam bién varía su estado contráctil p ara facilitar el transporte del alimento a través de la luz. El p e ris ta ltis m o es un a lenta ola de contracción que avanza por el tracto GI p ara em pujar el alimento hacia el ano. Se controla por medio de la actividad m iógena intrínseca de las células del músculo liso, aunque tam bién se ve afectado por las células inters ticiales de Cajal que actúan como células cardiorre guladoras. Al igual que las células cardiorreguladoras cardiacas, éstas se despolarizan de form a espontánea a fin de iniciar un a ola de despolarización en las célu las del músculo liso con las que se enlazan m ediante uniones intercelulares com unicantes. Diferentes grupos de neurotransm isores y h o r m onas controlan la m otilidad intestinal (Tabla 12.4). Adem ás del control endocrino, las células secretoras del estómago y del intestino producen factores para-
CAPÍTULO 12
Tabla 12.4.
Digestión 563
Efecto s neurohorm onales de la m otilid ad Gl.
Estimuladores
Inhibidores
Acetilcolina
Proteína reguladora del gen de calcitonina (CGRP)
Adenosina
Ácido gamma-aminobutírico (GABA)
Bombesina
Galanina
Colecistocinina (CCK)
Glucagón
Polipéptido liberador de gastrina
Neuropéptido Y
Histamina
Neurotensina
Motilina
Óxido nítrico
N euroquinina A
Norepinefrina
Opioides
Polipéptido activador de la adenilato ciclasa hipofisaria (PACAP)
Prostaglandina E2
Péptido histidina isoleucina (PHI)
Serotonina
Péptido YY(PYY)
SP
Secretina
Hormona liberadora de tirotropina
Somatostatina Péptido intestinal vasoactivo (VIP)
Fuente: Hansen, 2003.
crinos y autocrinos que actúan directa e indirecta m ente en el intestino. Por ejemplo, las células secreto ras del tracto GI liberan serotonina, que actúa tanto en el músculo liso como en los nervios. El control n er vioso del tracto GI incluye señales procedentes del sis tem a nervioso central y de las redes nerviosas locales. A nivel central, el hipotálam o y la m édula espinal reciben inform ación de los nervios del tracto GI que responden a la actividad de los quim iorreceptores y m ecanorreceptores. Las neuronas parasim páticas devuelven señales al intestino p ara estim ular la m oti lidad m ediante la liberación de acetilcolina, m ientras que las neuronas sim páticas inhiben la m otilidad al liberar norepinefrina, som atostatina y neuropéptido Y. El plexo m ientérico compila las señales estim ulado ras e inhibidoras p ara luego transm itir impulsos n er viosos al músculo liso. Debido a la superposición de las vías regulado ras, el control de la m otilidad intestinal es complejo. Tomemos a modo de ejemplo el m ecanism o m ediante el cual u n neurotransm isor, la acetilcolina, induce la contracción. Cabe reco rd ar del Capítulo 6 que tanto el Ca2+ como los cam bios en el estado de fosforilación de las proteínas de filamento delgado y grueso regu lan de form a directa la contracción del m úsculo liso. La acetilcolina estim ula la contracción del músculo
liso visceral al aum entar los niveles de Ca2+. Esto activa la m iosincinasa de cadena ligera (MLCK), que fosforila la cadena ligera de m iosina del filamento grueso. La acetilcolina actúa a través de un tipo de receptor m uscarínico vinculado con la proteína G que activa la fosfolipasa C (PLC). Esto produce dos segundos m ensajeros, el diacilglicerol (DAG) y el inositol trifosfato (IP3), que aum entan los niveles citoplásmicos de Ca2+ (Figura 12.30). El IP3 y sus m eta bolitos ab ren canales de Ca2+ en el retículo sarcoplasm ático a fin de liberar Ca2+. Cuando la pro tein quinasa C se une al DAG en la m em brana, se fos forila y activa los canales de Ca2+. La acetilcolina tam bién actúa m ediante u n a vía independiente p a ra influir en la relajación. Se enlaza con u n a segunda clase de receptores m uscarínicos que inhiben la adenilatociclasa, reduciendo los niveles de AMPc y la actividad de PKA. Debido a que el PKA fosforila y desensibiliza las proteínas contráctiles, la acción de la acetilcolina tam bién favorece a la sensibilización de aquéllas. Ante la ausencia de acetilcolina se favo rece la relajación, dado que los canales se cierran y el Ca2+ puede expulsarse del citoplasma. La relajación se activa por medio de horm onas que actúan por vías dependientes e independientes de Ca2+. Los efectores adrenérgicos B tales como la epine-
564 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
u ) La acetilcolina es liberada por el nervio T colinérgico.
Nervio colinérgico
( 2) El receptor muscarínico es activado por j la Ach, activando la proteína Gs.
( 3) La Gs activa la fosfolifasa C, que T produce DAG e IP3. Canal de
Fosfolipasa C
Receptor Adenilato ciclasa
4) El DAG estimula la proteína cinasa C, que fosforiliza el canal de Ca2+ de la membrana plasmática.
©
T
El IP3 activa los canales de Ca2+ en el retículo sarcoplasmático.
AMPc—O Los niveles de Ca2+ en el citoplasma se elevan.
7) El Ca2+ activa la miosincinasa de
cadena ligera, que fosforiliza la cadena ligera de miosina. MLCK
Célula de músculo liso
Retículo sarcoplasmático
La Ach también se une a los receptores que activan la proteína G¡.
La proteína G¡ inhibe la adenilatociclasa, produciendo una reducción de [AMPc] y la inactividad de PKA. F ig u ra 12.30.
El m ú s c u lo lis o y e l c o n tro l de la m o tilid a d in te s tin a l.
La acetilcolina {ACh} que liberan los nervios entéricos induce la contracción del m úsculo liso al aum entar los niveles citoplasm áticos de Ca2+. Cuando se une con los receptores m uscarínicos, la Ach activa la fosfolifasa C (PLC), provocando un increm ento de IP3 que abre los canales deCa2+ en los retículos sarcoplasm áticos y el DAG, que activa la PKC y abre los canales de Ca2+ en la m em brana celular. La ACh tam b ién antagoniza la relajación. Activa los receptores m uscarínicos que se unen a la proteína Gi que Inhibe la adenilatociclasa, causando de esta manera una reducción de los niveles AM Pe y la actividad PKA.
frina se unen a los receptores vinculados con la pro teína G que activan la adenilatociclasa, elevando los niveles de AMPc y activando el PKA. El óxido nítrico estim ula la guanilatociclasa, lo que aum enta los nive les de GMPc y proteincinasa G (PKG). El péptido intes tinal vasoactivo actúa m ediante am bos mecanismos, increm entando los niveles de AMPc y GMPc. La esti m ulación de PKA y PKG produce la fosforilación de proteínas centrales que reducen los niveles de Ca2+ y m odifican la sensibilidad del aparato contráctil.
Transiciones m etabólicas entre comidas Una vez que se consum e y se asim ila el alim ento, el anim al debe regular el m etabolism o interm ediario p ara asegurar que el cúmiúo de nutrientes se utilice y alm acene. D urante el periodo inm ediatam ente poste rior a la alim entación, conocido como el periodo posprandial, los anim ales utilizan algunos nutrientes y alm acenan otros, lo que les perm ite sobrevivir h asta
C A P ITU LO 12
la próxim a ingesta. El periodo habitual entre cada alim entación puede variar de segundos a m eses, dependiendo del anim al y de la estrategia alim enta ria. En los anim ales con un elevado índice m etabó lico, la energía alm acenada se agota con facilidad y el anim al en tra en un periodo de inanición, consu m iendo las reserv as de energía e incluso degradando su propia estructura. Muchos anim ales deben som e terse a prolongados periodos entre u n a ingesta y otra, p o r lo que cuentan con estrategias que combi n an la reducción de la dem anda m etabólica y el ap ro vecham iento m ás eficaz de los recursos disponibles. P ara algunos anim ales, el periodo de privación de com ida puede extenderse durante toda la vida. Muchos insectos atrav iesan etapas de desarrollo en las que no se alim entan. N orm alm ente, en las prim e ras etap as se alim entan de form a intensa con el fin de alm acenar nutrien tes p a ra la m etam orfosis y la reproducción. La m ayoría de las crisálidas de insec tos no se alim entan, sino que dependen de los n u trientes alm acenados d urante el periodo larvario p ara reo rg an izar su anatom ía y sistem as fisiológicos. En m uchos casos, el insecto adulto no se alim enta. Las m oscas de mayo, p o r ejemplo, perm anecen hasta dos años y m edio como crisálidas, alim entándose como depredadores en los detritos de las vías fluvia les. D urante la prim avera, cuando las aguas se vuel ven m ás cálidas, los insectos adultos em ergen y se reproducen y luego m ueren uno o dos días después. Los adultos no se alim entan y, antes de emerger, el tracto GI se atrofia convirtiéndose en un depósito de n u trientes que se utiliza p a ra m an ten er la m a d u ra ción reproductiva.
Las hormonas controlan la regulación posprandial de los depósitos de nutrientes Una vez que los n u trientes p asan de los enterocitos a la sangre, es posible que se utilicen directam ente en otros tejidos o se depositen en los tejidos de reserva. Con cada ingesta se produce un cúmulo de com busti bles de carbono fácilm ente m etabolizables que se pueden oxidar p a ra satisfacer las dem andas m etabó licas de los tejidos. En m uchos tejidos, el com bustible em pleado p ara so sten er el m etabolism o energético se ve afectado p o r el espectro de com bustibles de la sangre. El corazón de los vertebrados, por ejemplo, cuenta con la capacidad de oxidar glucosa, lactato, am inoácidos o ácidos grasos, dependiendo de la dis ponibilidad de cada uno de ellos en la sangre. Inm e diatam ente después de la alim entación, estos tejidos p resen tan varios com bustibles alternativos. No obs
Digestión
tante, m ás adelante, los niveles de nutrientes en san gre dependen de la acción de las horm onas que con trolan la liberación de com bustibles desde los tejidos de reserva. Esta regulación se determ ina principal m ente por las horm onas endocrinas. Como analizam os en el Capítulo 4, en los v erte brados, el destino inm ediato de los nutrientes ali m enticios (oxidación o alm acenam iento) depende de los niveles de las horm onas pancreáticas insulina y glucagón, así como de los glucocorticosteroides. D urante la digestión, estas horm onas actúan, po r un lado, en los tejidos periféricos con p a ra controlar el patrón de utilización de los com bustibles, y, por otro, en los tejidos de reserva p a ra controlar las tasas de absorción y síntesis. En la etapa posterior a la asim i lación, estas m ism as horm onas controlan la libera ción de com bustibles desde los depósitos de reserva. Cuando el nivel de glucosa es elevado, tal y como lo es tra s la alim entación, las células pancreáticas beta son inducidas a secretar insulina, la cual actúa sobre varios tejidos p a ra estim ular la elim inación de glu cosa en sangre. En el músculoesquelético favorece la absorción de glucosa al ocasionar el traslado de los portadores de glucosa (GLUT-4) a la m em brana celu lar. En el tejido adiposo, im pulsa la absorción y la conversión de glucosa en ácidos grasos, con el fin de alm acenarlos a largo plazo como triglicérido. En el hígado, influye en la descom posición del glucógeno y favorece su sintetización. Cuando descienden los niveles de glucosa, se reduce la secreción de insulina y las células pancreáticas alfa liberan glucagón, hecho que produce la movilización de la energía alm acenada (hidrólisis de glucógeno y descom posi ción de triglicéridos), e increm enta la ta sa de gluconeogenia en el hígado. Así, el equilibrio entre la insulina y el glucagón determ ina el equilibro entre la utilización y generación de glucosa. Los glucocorticosteroides tales como el cortisol, la corticosterona y la cortisona inducen la gluconeogenia y reducen la absorción de glucosa po r parte de los tejidos periféricos, tales como el m úsculoesquelé tico. Esto se produce p a ra aum en tar los niveles de glucosa en circulación, y así asegurar que los tejidos que requieren glucosa cuenten con un sum inistro estable. Los glucocorticosteroides tam bién movilizan triglicéridos, asegurando la disponibilidad de ácidos grasos p ara los tejidos que no pueden utilizar la glu cosa, como el m úsculoesquelético. Si bien la insulina y el glucagón desem peñan un papel central en la regulación m etabólica en relación con el estado nutricional, los glucocorticosteroides constituyen un factor clave en cuanto a que form an p arte de la re s
565
566 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
puesta frente al estrés m etabólico. Por ejemplo, los intensos gastos m etabólicos de la locomoción y la reproducción se satisfacen cuando las horm onas de estrés de los glucocorticosteroides im pulsan el tra n s porte y la síntesis de com bustibles. El m etabolism o nutricional de los invertebrados se h a estudiado m ás extensam ente en los insectos, p rincipalm ente debido a su im portancia como plagas agrícolas. El m ayor depósito de energía en los insec tos es el cuerpo graso (Figura 12.31). D urante las situaciones de dem anda energética como el vuelo, la horm ona adipocinética (AdK) se libera de los corpora cardiacum, haciendo que el cuerpo graso transporte las reserv as energéticas. Los lípidos se descom ponen en DAG y ácidos grasos. Las reservas de glucógeno se convierten en trehalosa. Asimismo, el cuerpo graso libera u n a im portante cantidad de prolina en algunas especies. El AdK actúa a través del receptor unido a
Cabeza
Intestino Glándula protorácica
Boca (a) Cabeza del insecto
F ig u ra 12.31. los in s e c to s .
R e g u la c ió n h o rm o n a l d e l m e ta b o lis m o en
la proteína G (Gq) p a ra activar la fosfolipasa C (PLC). El aum ento de IP 3 activa la liberación de Ca2+, que activa las enzim as señalizadoras sensibles al Ca2+, que a su vez activan el glucógeno fosforilasa y el triglicérido lipasa. A la vez que el AdK im pulsa la des composición de lípidos y proteínas, inhibe la sintetización de éstos. Dado que la reproducción de los insectos está íntim am ente ligada a la nutrición, el AdK tam bién inhibe la producción de huevos en la hem bra.
La privación de comida prolongada puede activar una respuesta a la inanición La m ayoría de los anim ales son capaces de soportar breves periodos de privación de com ida sin ocasio n a r dificultades m etabólicas. La privación de comida en un corto plazo, como el periodo habitual entre com idas, puede satisfacerse con las reservas energé ticas existentes. Si el periodo de privación persiste, el anim al reorganiza su m etabolism o p a ra asegurarse la supervivencia a largo plazo. La m ayoría de los ver tebrados activan m ecanism os que p reservan glucosa p ara proteger los tejidos que dependen principal m ente de la glucosa y satisfacer las dem andas en er géticas. Los tejidos nerviosos, po r ejemplo, utilizan casi exclusivam ente la glucosa como com bustible. En las p rim eras etapas de privación de comida, los ver tebrados m ovilizan las grandes reservas de lípidos que se encuentran en el tejido hepático y adiposo. Los m úsculos, im portantes consum idores de energía m etabólica, se m odifican a fin de depender en m ayor parte de los lípidos movilizados, reduciendo la nece sidad de glucosa. A pesar de estos esfuerzos p ara conservar la glu cosa, después de un tiempo las reservas de glucógeno se agotan y el anim al debe encontrar un combustible que pueda utilizar p a ra producir glucosa. Tras un pro longado periodo de privación de comida, el anim al acelera la tasa de descomposición de proteínas. Debido a que no existen reservas de proteínas, esto suele conducir a la degradación de las estructuras proteicas de las células. Uno de los prim eros tejidos que sufre esta degradación es el músculoesquelético. Las miofibras individuales degradan los elementos contráctiles en el proceso de atrofia. Cuando las pro teínas intracelulares se degradan por las lisosomas y las proteasom as, los am inoácidos liberados pueden oxidarse como combustible o convertirse en otras moléculas, tales como cuerpos cetónicos, ácidos gra sos o carbohidratos. Estos procesos pueden produ cirse en el propio músculo o tras el transporte de
C A P ITU LO 12
hum ano que no se ha alim entado durante 12 horas. Los anim ales activos utilizan las reservas de energía m ás rápidam ente que los anim ales sedentarios de tam año similar. Por ejemplo, el perro tiene un índice metabólico casi dos veces m ás alto que el de la cabra. Incluso en un mismo individuo los largos periodos de m etabolism o elevado consum en los combustibles en circulación y estim ulan la alim entación. Los periodos prolongados de biosíntesis, que se producen durante el crecim iento rápido, la gestación o la lactancia, p u e den elevar el índice metabólico significativamente. Del m ism o modo, el aum ento del índice metabólico durante la actividad m uscular derivada de realizar ejercicio físico o tiritar estim ula el apetito y el tra n s porte de combustible. El tercer factor que influye en el índice metabólico y la dem anda nutricional es la tem p eratu ra corporal. El aum ento de la tem peratura cor poral acelera la dem anda del m etabolism o basal y agota con m ayor velocidad la energía disponible, ace lerando de este modo el ritm o de avance por las re s puestas a la inanición.
am inoácidos hacia otros tejidos, sobre todo el hígado. Los ácidos grasos tam bién pueden transform arse en cuerpos cetónicos, que luego se utilizan en otros teji dos que no son capaces de oxidar ácidos grasos, como es el caso de los tejidos nerviosos. Los principales sucesos reguladores que se producen durante la inani ción se resum en en la Figura 12.32. La velocidad a la que avanza esta respuesta a la inanición varía de form a notable entre las diferentes especies, sobre todo debido a los distintos índices metabólicos. Los anim ales con un índice metabólico elevado agotan las reservas de energía con m ayor velocidad que los que cuentan con uno reducido. Las diferencias en el índice metabólico surgen en relación con el tam año corporal, los niveles de actividad y la tem peratura. Debido a que los anim ales pequeños p resen tan un índice m etabólico relacionado con la m asa m ayor que los anim ales m ás grandes, gastan las reservas energéticas m ás rápidam ente. El estado energético de u n colibrí o u n a m u sarañ a tras una h o ra de privación de com ida es sim ilar al de un ser
Tejido adiposo
Hígado TG I ▼ Acidos grasos
,
1 C 02
Glucógeno 1# 1 V ■ 1 1 1 Glucosa— I i C02
TG
Glucógeno
I ►Ácidos grasos
i
COp
COp
(a) Etapa temprana de inanición
Tejido adiposo TG
TG
I Ácidos grasos---------►
1
C 02
Aminoácidos-4-
Ácicios
T
i--------Cuerpos cinéticos
(b) Etapa posterior de inanición Fig u ra 12.32.
Digestión
La c a s c a d a m e ta b ó lic a de la re s p u e s ta a la in a n ic ió n .
Cuando los anim ales carecen de alim ento, responden m ovilizando las reservas de ener gía internas, (a) En la etapa tem prana de la respuesta a la inanición en los vertebrados, los depósitos de glucógeno y trig lic é rid o (TG) satisfacen la m ayor parte de las necesida des m etabólicas de los tejidos. Los ácidos grasos se liberan del hígado y del te jid o adi poso para em plearse en otro s tejidos, (b) Durante la etapa de inanición avanzada, las reservas de glucógeno se agotan y se producen cuerpos cetónicos procedentes de los ácidos grasos del tejido adiposo y el hígado, así com o tam b ién am inoácidos derivados de la proteólisis del m úsculo.
Los osos en estado de inactividad reciclan nitrógency* Muchos organism os atraviesan periodos de inactividad en los que el índice metabólico se reduce (hipometabolismo), lo que perm ite que el anim al sobreviva a las condiciones am bientales adversas. Los diferentes tipos de inactividad (letargo, hibernación y estivación) reducen las dem an das de combustibles alm acena dos. Uno de los m ayores desafíos p a ra los anim ales inactivos es el m antenim iento de la estructura durante periodos prolongados de inactividad. Si bien los animales no crecen durante este periodo, deben reconstruir las estructuras proteicas que naturalm ente se degradan con el tiempo. Por ejemplo, aun cuando los índices metabólicos son m ás bajos de lo norm al, los osos negros en estado de inactividad perm anecen rela tivam ente calientes y presen tan cierta actividad metabólica. Como resultado, las proteínas se
567
568 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
degradan constantem ente y, así, p arte de los bloques nutricionales de am inoácidos se oxidan, lo que con duce a que el hígado produzca urea. La m ayoría de los m am íferos hibernantes acum ula urea y orina durante el periodo de inactividad, aunque los osos inactivos acum ulan m uy poca u rea dado que cuentan con la capacidad de reciclar el nitrógeno ureico, regene rando am inoácidos que pueden utilizarse p ara reconstruir proteínas. T ransportan la u rea de la san gre al tracto GI, donde se degrada por la enzim a ureasa. Si bien esta enzim a genera am oniaco, se des conoce aún de qué m an era los osos lo utilizan p ara resintetizar todos los am inoácidos necesarios p a ra la biosíntesis. Es probable que la flora bacteriana GI ayude a transform ar el am oniaco en aminoácidos. Al igual que en otras relaciones simbióticas, el anim al deriva nutrientes no sólo de la absorción de productos bacterianos, sino tam bién de la digestión de las pro pias bacterias. Los am inoácidos producidos en el tracto GI de los osos pueden transportarse a la sangre y utilizarse en la biosíntesis. Como resultado de este reciclaje de urea, los niveles de am inoácidos alim enta rios esenciales perm anecen estables y los anim ales pueden m antener la m ism a m asa m uscular durante los largos m eses de inactividad.
el tracto GI m antiene el músculo liso y los nervios que controlan el intestino. Cuando el anim al se alimenta, la serpiente reconstruye el tracto GI en las regiones inm ediatam ente posteriores al bolo alimenticio. Durante los prim eros días tras la alim entación, la m asa de los tejidos relacionados con la digestión aum enta considerablem ente. El intestino delgado, por ejemplo, casi duplica la m asa, m ientras que otros teji dos como el hígado o el riñón aum entan m ás del 60% en esta fase de rápido crecimiento (Figura 12.33). El elevado gasto metabólico de reconstruir el intestino es u n componente im portante de la acción dinám ica específica (SDA) extrem adam ente elevada que se observa cuando una pitón digiere el alimento: si bien el gasto es notable, el esfuerzo de reconstruir el tracto GI es inferior al de m antenerlo durante periodos im predecibles entre u n a comida y otra.
La serpiente pitón reconstruye el tracto digestivo para cada comida Los anim ales que ra ra vez se alim entan necesitan m antener el tracto GI en condiciones que les perm itan funcionar cuando sea necesario. Las ardillas terres tres hibernantes que h an estado inactivas durante m ás de 12 sem anas continúan expresando las enzi m as degradantes que se requerirían p ara digerir una comida. De esta m an era se aseguran de poder ingerir y digerir el alimento inm ediatam ente después de fina lizar la hibernación. Sin em bargo, algunos animales reducen el gasto energético entre comidas al perm itir la degradación del tracto GI. Las grandes serpientes depredadoras, como la pitón tigrina, pueden p asar m eses sin alim entarse. Cuando las serpientes se ali m entan, ingieren una abundante cantidad de comida. Por ejemplo, en 1977, unos aldeanos de la India m ata ron u n a pitón india de m ás de cinco m etros y recupe raro n los restos de un hom bre de 45 años. E ntre estas abundantes comidas, se degrada gran parte de la m ucosa y subm ucosa del tracto GI. El intestino se vuelve m ás delgado y el ribete en cepillo se reduce. Estos cambios estructurales reducen la superficie glo bal del tracto GI y la capacidad p ara transportar nutrientes. Si bien el epitelio de absorción se reduce,
W F ig u ra 12.33.
Las grandes serpientes que se alim entan esporádicam ente perm iten que sus órganos digestivos reduzcan su masa entre una com ida y otra. La masa de los órganos aum enta rápida m ente cuando se alim entan, (a) La masa húm eda intestinal se duplica a los tres días de ingesta del alim ento, (b) O tros tejidos que participan en la digestión tam bién aum entan considera blem ente en los prim eros días tras la ingesta del alim ento. (Fuente: m odifica do de Secor and D iam ond, 1998).
C A P ÍTU LO 12
Digestión
c o m o una p ro te c c ió n quím ica contra otro s anim ales.
Sistem as integradores
Las tre s clases de sustancias quím icas m ás c o m u n e s s on los glu có sid o s cardiacos, los alcaloides pirazinoicos
Toxinas alim entarias y estrategias de defensa química
y los alcaloides p irrolicid ínicos. Son a lta m e n te tó x ic o s
La d ep red ación es la m a yo r am enaza de supe rvivencia
to s tó x ic o s , lo que les p e rm ite a lim e n ta rs e de la planta.
para la m ayoría de los anim ales, aun que algunas es p e c ie s han desa rrollado la capacidad de s upe rar los e fe c
para m u ch o s org a n ism o s. C o m o resultado , m uchas
Esto les brinda el acceso a n u trie n te s de los que sus
esp e cie s han desa rrollado elaborados m e c a n is m o s de
c o m p e tid o re s no d isponen y les proporcio na sustancias
defe n sa contra los de m á s a nim a les a fin de disuadirlos
quím icas po co usuales que han tra n s fo rm a d o para u tili
de a lim e n ta rse de ellas. Del m is m o m odo, los a nim a les
zarlos en b e n e fic io propio.
d e p red adores han desa rrollado m e c a n is m o s para sor
Tal vez el e je m p lo m ás fa m o s o es el de la m ariposa
te a r las d e fensas. Esta coe vo lu ció n co n d u ce a una
m onarca y la asclepia. Las larvas se alim e n ta n de las
carrera
a rm a m e n tis ta
e volutiva
e n tre
las
e s pe cies
plantas asclepias, que son ricas en cardenó lid os, un tip o de g lu c ó s id o cardiaco. Sin em bargo, las larvas de la
depred adoras y sus presas. Los n e m a to c is to s de los cnidarios, c o m o las ané
m ariposa m onarca se a lim entan de asclepia y alm a c e
m onas y las m edusas, son lo s u fic ie n te m e n te do lo ro
nan la to x in a para utilizarla en defensa propia contra los
sos para disuadir a la m ayoría de los dep red adores.
d ep red adores. La to x in a pe rm a n e c e in c lu s o una vez
C uando el v e llo sensorial que rodea el n e m a to c is to se
que la oruga se c o n v ie rte en una m ariposa adulta. Si un
activan, la señal im pulsa el n e m a to c is to hacia la presa a
ave se a lim e n ta de la larva o de la m ariposa m onarca
una aceleración de 4 0 .0 0 0 G. A s im is m o , libera un c o m
adulta, los q u im io s e n s o re s del tra c to g a s tro in te s tin a l
plejo
(cate-
del ave inducirán el v ó m ito . En esta d o adu lto, la m ari
enzim a s
posa m onarca ta m b ié n se alim e n ta del né c ta r de otra s
(colagenasas, hialuronidasas, proteasas, fosfolip asas,
plantas para o b te n e r o tro s tip o s de toxina, c o m o pirazi-
ve n e n o
colam ina,
que
pue de
histam ina,
in cluir
sero to n in a ,
h o rm o n a s cinina),
f¡brinolisinas) y to x in a s que a fe c ta n a la piel, al corazón,
nas y pirrolicid inas. El b rillante arco iris de la larva y el
al riñón o al m úsculo . C u riosam ente, m uchas e s pe cies
v ivo anaranjado y neg ro de la m ariposa adu lta envían
han desa rrollado to lerancia a las to x in a s de los n e m a to
verdaderas se ñ a le s a los p o te n c ia le s dep red adores:
cisto s, in cluido el pez payaso que v iv e s im b ió tic a m e n te
" c ó m e m e y e n fe rm a rá s ". O tra esp e cie de m ariposa, la
en el in te rio r de los te n tá c u lo s de la ané m on a y las to r
m ariposa virrey, ha desa rrollado un patrón de co lo r s im i
tu g a s m arinas que se a lim entan de m edusas. Los
lar en su esta d io a d u lto (Figura 12.35). Si bien la m ari
m o lu sco s nud ibranquios que se a lim entan de cnidarios
posa v irre y no pue de a lim e n ta rs e de asclepia, al im ita r
in cluso son capaces de re u n ir los n e m a to c is to s e m p le
los c o lo re s de la m ariposa m onarca ta m b ié n disuade a
arlos para su propia defensa. Los n e m a to c is to s in ta cto s
los d e p red adores potenciales.
quedan pro te g id o s d u ra n te la d ig e s tió n : a contin u a ció n , se tra n s fie re n a sacos con fo rm a de d e d o en la parte
Cnidosaco
dorsal del anim al (Figura 12.34). Si bien es po co fre c u e n te que un anim al e m p le e una célula defe n siv a entera obtenida por m e d io de la a lim e n ta ción, varias esp e cie s anim a les se ali m en ta n
a c tiv a m e n te
de
plantas
tó xica s y re tie n e n las to x in a s para fin e s propios. En el C apítulo 6 h e m o s analizado algunos alcaloides de plantas tóx ic a s que in te rru m p e n la dinám ica del citoe sq u e le to . m ile s
de
Las
plantas
sustancias
produce n
quím icas
que
alguna vez se co nsideraron s im p le
Fig u ra 12.34.
m e n te c o m o p ro d u c to s m eta b ó lic o s
Ciertos m oluscos nud ibranquios consum en cnidarios y acum ulan sus células ve nenosas o nem atocistos en las cera.
finales, pero que ahora se reconocen
N u d ib ra n q u io s y n e m a to c is to s .
569
570 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Un ú ltim o e je m p lo de los tip o s de m ariposa que in corp ora n to x in a s v e g e ta le s es el d el m e d io lu to , M elanargia galathea. Esta oruga se a lim enta de una planta p e renn e den o m in a d a fe s tu c a ovina, de la que extra e y alm acena p ig m e n to s fla v o n o id e s . C uando el anim al c o m p le ta la m e ta m o rfo s is , los p ig m e n to s v e g e ta le s se utilizan para pro d u c ir únicos parches de co lo r crem a en sus alas negras. Si la oruga no pue de a lim e n ta rs e de las fe s tu c a , la colora ción del a du lto varía. Si bien los fla v o n oides son útile s para la p ig m e n ta c ió n , no son tó x ic o s . La m ariposa adq uiere esta p ro te c c ió n quím ica de una segunda sustancia que se e n cu entra en la fe s tu c a , un (a) Mariposa monarca
alcaloide
pirrolicid ínico
d e n o m in a d o
lolina.
De este
m o d o , la m ariposa d e p e n d e de esta planta ta n to para la colora ción c o m o para la defensa, i i
Resumen
Fig u ra 12.35.
M o n a r c a y v irre y .
(a) Las m ariposas m onarcas adultas resultan tóxicas para los depredadores debido a que acum ulan glucósidos cardiacos que obtienen al alim entarse de la asclepia. (b) La m ariposa v i rrey se ha conve rtido en una im itadora de la m ariposa m onar ca. Si bien carece de com puestos tóxicos de defensa, la s im ilitu d en el estam pado de color con la m onarca disuade a los posibles depredadores.
O tro eje m p lo de la estrecha relación entre los anim a les y las toxinas vege tales es la m ariposa blanca de la col. Las plantas cruciferas, tales co m o la m ostaza y la col, poseen elevados niveles de glucosinolatos, un tip o de glucósido cardiaco que puede m etabolizarse en isotiocianatos tóxicos. Estas sustancias quím icas afectan a la fu n ción de la tiro id e s al alterar el m eta b o lis m o del yodo. En los seres hum anos que ingieren dem asiada col, los isotiocianatos pueden ocasionar un agrandam iento de la tiro i des den om inado bocio. Las blanquitas de la col no se ven afectadas por esta sustancia quím ica que actúa c o m o un disuasor a lim enticio para la mayoría de los anim ales. Por el contrario, buscan de fo rm a activa este co m p u e s to de "de fe n sa plantácea", que consideran un atractivo. La his toria de vida de la m ariposa está vinculada con la col. Las sustancias quím icas de la col tam b ién son necesarios para inducir a la m ariposa hem bra a pon er huevos.
Los anim ales deben alim entarse p ara obtener un espectro de nutrientes que les perm ita form ar y m an tener las células. Aunque los anim ales son capaces de sintetizar la m ayoría de los bloques nutricionales necesarios p ara el crecimiento, deben obtener deter m inadas moléculas preform adas de la alimentación. Estos nutrientes esenciales incluyen de 8 a 10 am ino ácidos esenciales, dos tipos de ácidos grasos (omega-3 y omega- 6) y todas las vitam inas y m inerales esencia les. La m ayor p arte del alimento ingerido se utiliza p ara producir energía a fin de sostener la actividad y la biosíntesis. El tracto GI cuenta con un gran núm ero de porta dores que controlan la tasa de absorción de nutrientes. Los carbohidratos simples y los aminoácidos se trans portan de forma activa a las células. Los carbohidratos y proteínas restantes suelen convertirse en glucógeno que se alm acena en el hígado y en los tejidos periféricos tales como el músculoesquelético. Los lípidos entran en el anim al de diversas m aneras. Los ácidos grasos pue den ingerirse directamente a través de las células intes tinales, aunque la m ayoría de los lípidos abandonan las células intestinales en forma de quilomicrones. Cuando se eliminan los lípidos de los quilomicrones, el hígado absorbe el rem anente y lo transform a en lipoproteínas. Los anim ales encuentran el alim ento m ediante pistas quím icas en las que participan quim iorrecep tores que detectan determ inadas sustancias quím i cas. Otros anim ales obtienen el alim ento a través de señales visuales u otros indicios de la ubicación de las presas, tales como la actividad eléctrica o la pro ducción de calor.
C A P ITU LO 12
Los anim ales sim ples como las esponjas y los cni darios digieren el alim ento de form a intracelular, tras la fagocitosis de las sustancias particuladas. Los invertebrados m ás avanzados descom ponen el ali m ento en m acrom oléculas de form a extracelular y tran sp o rtan cada u n a de estas m oléculas al epitelio gastrointestinal. Muchos anim ales utilizan estructu ras de alim entación orales p a ra encontrar e ingerir com ida. Los picos de las aves presen tan u n a am plia diversidad morfológica, que les perm ite su p e rar los desafíos biom ecánicos relacionados con los diferen tes tipos de alim ento. Los m am íferos cuentan con dientes óseos que sobresalen de la m andíbula p ara ay u d ar a desh acer el alim ento de form a m écanica al molerlo, desgarrarlo y triturarlo. Los orígenes evolutivos de los intestinos com ple jos se rem ontan a la aparición de un com partim ento interno denom inado celoma. Éste perm ite que los anim ales m ás complejos form en com partim entos especializados que participan en la digestión. Si bien los invertebrados sim ples poseen tractos GI cortos y tubulares, los anim ales m ás complejos m axim izan la superficie al increm entar las ondulaciones del intes tino, p o r lo que se producen proyecciones con form a de dedo desde la superficie (vellosidades) y protube rancias celulares desde los enterocitos de absorción (microvellosidades). Las diferentes regiones del tracto GI están especializadas p ara determ inados fines. El epitelio digestivo de cada com partim ento cuenta con tipos de células secretoras especiales que liberan enzim as digestivas y controlan las propiedades físicas m ediante secreciones de ácidos, bases y mucosa. Muchos anim ales poseen cám aras de ferm entación ubicadas antes o después del estómago glandular (rum iantes y no rum iantes, respectivam ente). Estos com partim entos especializados albergan bacterias endosim bióticas que p resen tan actividad celulolítica. Los anim ales regulan el proceso de alim entación y digestión a varios niveles. Las horm onas in terp re ta n la inform ación del tracto GI y de los tejidos de reserva m etabólica p a ra estim ular el deseo de ali m en tarse (apetito). Una vez que se ingiere el ali m ento, las horm onas controlan las secreciones del estóm ago (ácido, pepsina, mucosa), del p áncreas (bicarbonato, p roteasas, lipasas, nucleasas) y de la vesícula biliar (bilis). El m úsculo liso del intestino controla la velocidad a la que el bolo se desplaza por el tracto digestivo. Esta m otilidad intestinal está con tro lad a p o r num erosas horm onas y neuronas, que actú an a nivel local y central. Cada uno de estos p ro cesos digestivos (digestión, absorción y asimilación) se ve afectado por la tem p eratura.
Digestión 571
Los anim ales utilizan los nutrientes que aparecen en la sangre tras la alim entación, oxidando algunos de ellos directam ente y metabolizando otros en formas de reserva. Estos tejidos de reserva de energía resul tan esenciales cuando el anim al no puede alim en tarse. Las horm onas tales como la insulina y el glucagón regulan el destino de los combustibles metabólicos m ás im portantes. La insulina prom ueve la uti lización de glucosa m ientras el glucagón antagoniza el efecto de la insulina. Si la privación de comida conti núa, el anim al inicia una respuesta a la inanición, con virtiendo p arte de los lípidos alm acenados en cuerpos cetónicos que se utilizan en el cerebro y otros tejidos que habitualm ente dependen de la glucosa como fuente de energía. Muchos anim ales prolongan la duración de las reservas de nutrientes al entrar en estados hipometabólicos de inactividad. Los animales hibernantes se enfrentan a otros desafíos, tales como los desequilibrios hídricos e iónicos. Los osos inactivos superan la pérdida gradual de nitrógeno al reciclarlo con la ayuda de la flora bacteriana del intestino. Las serpientes pitón perm iten que el tracto GI se degrade parcialm ente durante los periodos en que no se ali m enta, que pueden du rar hasta un año. Una serpiente pitón, después de alim entarse, dedica determ inada cantidad de energía p ara reconstruir el tracto diges tivo inm ediatam ente posterior al bolo alimenticio. La digestión y la reproducción a m enudo presentan obje tivos en pugna, po r lo que m uchas especies separan el ciclo reproductivo de la digestión, simplificando de este modo la regulación de estos procesos.
P reguntas de revisión 1. Sintetice la organización básica del tracto GI de los vertebrados. ¿Cuál es la función de cada com partim ento? 2. Analice la variación en la naturaleza de las cám a ras de ferm entación. 3. ¿De qué m an era utilizan los anim ales sistem as neurosensoriales p a ra detectar el alim ento en un entorno complejo? 4. Com pare las diferentes vías de digestión y absor ción de las tres clases principales de m acrom olé culas: lípidos, carbohidratos y proteínas. 5. La alim entación es rica en energía quím ica, pero no se encuentra a disposición del anim al en su totalidad. ¿Cómo se divide la energía en la ali m entación?
6 . ¿Cuál es la función que cum plen las glándulas en el proceso digestivo?
572 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
7. ¿Cómo se beneficia el anim al de la acción diná m ica específica?
8 . ¿Cómo controlan los anim ales las secreciones en el tracto gastrointestinal? 9. Analice el destino de la glucosa en el m om ento en que u n anim al se alim enta, después de la alim en tación y dos días m ás tarde. 10. ¿Cómo puede u n anim al alterar su capacidad p ara im p o rtar m onosacáridos del tracto gas trointestinal?
siología digestiva del animal. Elija un ejemplo de un anim al domesticado y considere cómo la fisiología digestiva de éste difiere de la de sus antepasados salvajes, teniendo en cuenta las diferencias en la alimentación y las presiones selectivas. 4. ¿Por qué motivo la digestión es un proceso cos toso desde el punto de vista m etabólico? 5. Siga el camino de la glucosa desde el depósito de n éctar de un a plan ta h asta el músculo de un coli brí. ¿Cuáles son los pasos que controlan la veloci dad de este proceso?
6 . ¿Qué diferencias en los sistem as fisiológicos
P reguntas de síntesis 1. Analice las situaciones en las que la digestión y la reproducción constituyen procesos antagónicos. 2. Un anim al que ingiere u n a gran cantidad de ali m ento experim enta num erosos cam bios que afectan a los dem ás sistem as fisiológicos. Analice cómo el proceso digestivo influye en ellos. 3. Cuando los animales salvajes se domestican, los años de selección artificial pueden alterar la fi
digestivos p odrían esperarse cuando se com para u n ave que se alim enta de n éctar (fácil de digerir, g ran cantidad de energía po r gramo), semillas (difíciles de digerir, gran cantidad de energía por gram o) o fruta (fácil de digerir, poca cantidad de energía po r gram o)? 7. Las rigurosas condiciones quím icas y enzim áticas del tracto gastrointestinal descom ponen los nutrientes. ¿Cómo se protegen los anim ales de sus propias secreciones digestivas?
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C a p ít u lo 1 3 Locomoción
L
a lo c o m o c ió n a n im a l ha p re o c u p a d o a lo s h u m a n o s d e s d e lo s tie m p o s p re h is tó ric o s . Para
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lo s a n im a le s q u e a h o ra a d m ir a m o s c o m o c o »Vfí*«*rVtv-r» w ñ ,
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to s q u e e s c a p a b a n . C o n la lle g a d a de la c ría de
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a n im a le s , las p e rs o n a s c o n fin a ro n a lo s a n im a le s s a lv a
je s p a ra a b a s te c e r su s n e c e s id a d e s s in u n a cacería. M á s a d e la n te , la cría de a n im a le s y la s e le c c ió n a rtific ia l
se u s a ro n p a ra m o d ific a r la fis io lo g ía lo c o m o triz a n im a l
Estudios anatóm icos de Leonardo da V inci.
c o n el fin de o b te n e r a n im a le s c o n c a ra c te rís tic a s m ás fa v o ra b le s . Los a n im a le s de la b o r fu e r o n c ria d o s para te n e r fo rta le z a y re s is te n c ia . Lo s a n im a le s d e c a rre ra s fu e ro n c ria d o s p a ra te n e r v e lo c id a d . Los a n im a le s para
m e d id a p o r lo s p r o g r e s o s en la f o to g r a fía . A f in a le s
c re c im ie n to y m a sa m u s c u la r, q u e g e n e ra lm e n te c o m
d e l s ig lo x ix , a E a d w e a rd M u y b r id g e , f o tó g r a f o de
p ro m e tía n las p r o p ie d a d e s lo c o m o tric e s . H ace m á s de 2.4 0 0 a ñ o s , P la tó n , H ip ó c ra te s y A r is
574
El e s tu d io d e la lo c o m o c ió n fu e a y u d a d o en g ra n
la a lim e n ta c ió n fu e r o n c ria d o s p a ra te n e r a lta s ta s a s de
p a is a je s d e fo r m a c ió n , L e la n d S ta n fo r d le e n c a rg ó e s ta b le c e r u n a a p u e s ta s o b r e la p o s ic ió n d e la s p ie r
tó te le s e s c r ib ie r o n ace rca de la n a tu ra le z a d e l m o v i
n a s d e u n c a b a llo d u r a n te el t r o te . U tiliz ó u n a s e rie
m ie n to en lo s a n im a le s , in c lu id o s lo s h u m a n o s .
d e c á m a ra s q u e se d is p a r a b a n m e c á n ic a m e n te p a ra
D u ra n te m u c h o tie m p o de lo s d o s m ile n io s s ig u ie n te s ,
t o m a r u n a s e c u e n c ia de im á g e n e s d e u n c a b a llo al
n u e s tra c o m p r e n s ió n de la fis io lo g ía de la lo c o m o c ió n
t r o t e . F ue c a p a z d e m o s tr a r le a S ta n fo r d q u e en a lg u
e s tu v o lim ita d a p o r ta b ú e s c u ltu r a le s c o n tra la d is e c
n o s m o m e n to s la s c u a tr o p a ta s d e l c a b a llo n o to c a
c ió n d e c a d á v e re s h u m a n o s . Lo s a rtis ta s d e l r e n a c i
b a n el s u e lo . El in te r é s de M u y b r id g e en el
m ie n to , in c lu id o s L e o n a rd o da V in c i y M ig u e l Á n g e l,
m o v im ie n to a n im a l c u lm in ó en A n im a l L o c o m o tio n
re a liz a ro n a u to p s ia s c la n d e s tin a s p a ra e x p lo r a r la e s
( L o c o m o c ió n a n im a l) , u n a s e rie de 11 lib r o s q u e c o n
tru c tu r a d e l c u e rp o h u m a n o . Lo s d e ta lle s a n a tó m ic o s
te n ía n m á s de 1 0 0 .0 0 0 fo to g r a fía s de a n im a le s en
de la s o b ra s d e a rte d e l R e n a c im ie n to re fle ja n las p r i
m o v im ie n to . Lo s a v a n c e s en la s te c n o lo g ía s f o t o g r á
m e ra s e x p lo r a c io n e s de la c u ltu r a o c c id e n ta l en la f i
fic a s c o n t in u a r o n b e n e fic ia n d o la in v e s tig a c ió n d e la
s io lo g ía lo c o m o tr iz h u m a n a . A m e d id a q u e la c ie n c ia
lo c o m o c ió n . La c in e m a to g r a fía d e a lta v e lo c id a d
m a d u ra b a en la Ilu s tra c ió n , la in v e s tig a c ió n s o b re la
p u e d e c a p ta r m á s d e 1 .000 f o to g r a m a s p o r s e g u n
lo c o m o c ió n c o m e n z ó a v in c u la r e s tu d io s de a n a to m ía
d o s . C u a n d o se c o m b in a c o n p la c a s s e n s ib le s a la
y fís ic a m u s c u la r, lo q u e c re ó un n u e v o c a m p o lla m a d o
fu e rz a in te g ra d a s en el s u e lo , lo s in v e s tig a d o r e s b io
b io m e c á n ic a .
m e c á n ic o s p u e d e n c a lc u la r la s fu e rz a s e je rc id a s s o
|
b re lo s m ú s c u lo s y lo s h u e s o s c u a n d o lo s a n im a le s se m u e v e n . M u c h a d e n u e s tra c o m p r e n s ió n s o b re lo s s is te m a s lo c o m o tr ic e s d e p e n d e de la in te g ra c ió n d e v a r io s c a m p o s q u e f o r m a n la f is io lo g ía . A m e d ia d o s d e l s ig lo x x . S ir A n d r e w H u x le y y H u g h H u x le y a p lic a r o n la f ís i ca m o d e rn a p a ra e x p lic a r las b a s e s de la c o n tra c c ió n m u s c u la r. A fin a le s d e l s ig lo x x , lo s a v a n c e s en la s te c n o lo g ía s d e l m ic r o s c o p io y la re s o n a n c ia m a g n é tic a n u c le a r p r o p o r c io n a r o n la e n tra d a a la fu n c ió n c e lu la r de lo s s is te m a s lo c o m o tr ic e s . M u c h o s m á s a v a n c e s en la fis io lo g ía c o m p a r a tiv a d e la lo c o m o c ió n s u r g ie
Foto cortesía de Je a n -M ich e l Weber, U niversidad de Ottawa.
ro n c u a n d o lo s in v e s tig a d o r e s d is e ñ a ro n m a n e ra s de re a liz a r m e d ic io n e s f is io ló g ic a s de a n im a le s en m o v i m ie n to . A fin a le s de la d é c a d a d e 1960, C. R. (D ick) T a y lo r y s u s c o le g a s c o m e n z a ro n d é c a d a s de e s tu d io s q u e c o m b in a r o n la b io m e c á n ic a c o n la fis io lo g ía re s p ira to r ia . E n tre n a ro n a d iv e rs o s a n im a le s p a ra c o r re r en m á q u in a s s in f in m ie n tr a s m e d ía n la a c tiv id a d m u s c u la r y la r e s p ira c ió n . Lo s a n im a le s m á s g ra n d e s
q u e e s tu d ia ro n fu e r o n e le fa n te s . Lo s e le fa n te s e ra n d e m a s ia d o g ra n d e s p a ra c o r re r en s u s c in ta s s in fin , p o r lo q u e lo s in v e s tig a d o r e s d is e ñ a ro n c a rro s d e g o lf q u e tra n s p o r ta b a n a n a liz a d o re s d e g a s e s . P o r la m is m a é p o c a , J . R. B re tt d e s a rr o lló un r e s p ir ó m e tr o d e t ú nel d e n a d o p a ra e s tu d ia r la lo c o m o c ió n de lo s pece s. Su r e s p ir ó m e tro B re tt p o d ía c o n tr o la r la v e lo c id a d d e l a g u a y m e d ir el c o n s u m o de o x íg e n o y la p r o d u c c ió n de d ió x id o d e c a rb o n o . En la d é c a d a d e 1980, se u t il i z a ro n tú n e le s de v ie n to p a ra h a c e r v o la r a u n a s a v e s c o n m á s c a ra s p a ra m e d ir el c o n s u m o d e o x íg e n o . En
7&- sgfe J*L 1ÉL
Fotos de cab allos de Muybridge's.
lo s ú ltim o s a ñ o s , se h a n u tiliz a d o e q u ip o s re s p iró m e tr o s m á s s o fis tic a d o s p a ra m e d ir lo s g a s to s d e l m o v i m ie n to en a n im a le s ta n p e q u e ñ o s c o m o las a b e ja s y h o r m ig a s y ta n rá p id o s c o m o lo s c o lib r íe s y lo s a tu nes. A l c o m b in a r la b io m e c á n ic a c o n la b io e n e rg é tic a , lo s in v e s tig a d o r e s fu e r o n c a p a c e s de e x p lo r a r lo s o r í g e n e s d e la s v a r ia c io n e s en la e n e rg é tic a y e fic ie n c ia m u s c u la r. •
575
576 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I Presentación G eneralm ente se define la locom o ción como el acto de traslad arse de u n lugar a otro. P ara u n fisiólogo an i Sistema m al, la locom oción es u n proceso sensorial activo que el anim al inicia y controla. Los sistem as locom otores in tegran la anatom ía con varios sistem as fisioló gicos. A péndices tales como aletas, p atas y alas p erm iten a los anim ales in teractu ar con el entorno p a ra gene Fig u ra 13.1. C o n tro l de la lo c o m o c ió n . r a r o controlar fuerzas que resultan Los anim ales se m ueven com o respuesta a las pistas am bientales favorables (com o el alim ento) y desfavorables (com o la hipoxia local). Las neuronas senso en un m ovim iento direccional. La riales reciben in form ación y señalan el sistem a nervioso central, que inicia la loco organización física de los m úsculos m oción m ediante la señalización a través de las neuronas m otoras a los m úsculos en sistem as m usculoesqueléticos p e r locom otores. El sistem a cardiovascular controla el flu jo a los vasos sanguíneos. m ite a los anim ales trad u cir las con Los m etabolitos del sistem a digestivo y el 0 2 del sistem a respiratorio penetran en tracciones celulares en u n a com pleta la sangre y asisten al sistem a m úsculoesquelético. locom oción anim al. El sistem a m usculoesquelético actúa en com bina ción con el sistem a nervioso p a ra controlar la I Siste m as locom otores posición y m ovim iento de los apéndices. La locom o Com enzarem os nuestro estudio sobre fisiología loco ción d em an d a u n control excelente del m etabolism o m otriz exam inando la naturaleza de los sistem as que energético y la fisiología digestiva, m ediada po r las sostienen el movimiento. Cuando presentam os los h o rm o n as que regulan la asim ilación, alm acena m úsculos po r prim era vez en el Capítulo 6 , nos m iento y m ovilización de com bustible. El sistem a centram os principalm ente en el control del aco resp irato rio aseg u ra que la tom a de oxígeno esté de plam iento excitación-contracción. A hora dirigimos acuerdo con el aum ento de la dem anda de oxígeno nu estra atención a la form a en que diferentes tipos que acom paña la actividad m uscular. El sistem a de m úsculos se integran en un sistem a musculoescardiovascular sum in istra com bustibles al m úsculo quelético com puesto de m úsculos y esqueleto, soste y re tira los productos m etabólicos finales. Las in ter nidos entre sí por tejido conjuntivo, controlado por el acciones en tre estos sistem as se resum en en la Fi sistem a nervioso y nutrido por el sum inistro de san gura 13.1. gre. Estos sistem as m usculoesqueléticos perm iten a La característica distintiva de los sistem as loco los anim ales traducir los cam bios de form a celulares m otrices es la capacidad de resp o n d er a los cam bios en movimiento. en la dem anda. Esta capacidad es especialm ente im presionante en los anim ales que realizan m igra ciones de largas distancias. Los cam bios de actividad prolongados (entrenam iento o desentrenam iento) al Tipos de fibras musculares te ra n la m aq u in aria locom otriz. Los hum anos son La m ayoría de los anim ales dependen de los m úscu u n a de las pocas especies que se d an el lujo de des los p ara g en erar la fuerza req u erid a p ara traslad arse entren arse. En el m undo n atu ral los anim ales que no de un lugar a otro. Cada estilo de m ovimiento están en tren ad o s tienden a ser devorados o se m ue requiere m úsculos que posean las propiedades bio re n de ham bre. Sin im p o rtar lo rápido o lo lejos que m ecánicas apropiadas. u n anim al se traslad e, la capacidad p a ra m overse Como vimos en el Capítulo 6 , las propiedades req u iere la coordinación de diversos sistem as fisioló contráctiles de un músculo están determ inadas po r el gicos. diseño y la organización de las proteínas en el interior Por encim a del control del m ovim iento corporal de las m iofibras. Las propiedades de las proteínas se en cu entran las restricciones del entorno. Cada contráctiles alteran la dinám ica de los ciclos de puen entorno, ya sea acuático, aéreo o terrestre, tiene pro tes cruzados. La m aquinaria celular del acoplam iento p iedades físicas que los anim ales tienen que vencer excitación-contracción influye en la cinética de la con p a ra poder m overse.
C A P ÍTU LO 13
tracción y relajación. La disposición tridim ensional de sarcóm eros determ ina cuánta fuerza puede gene ra r un músculo esquelético. A p esar de las diferencias en las propiedades de las proteínas y organización estructural, los anim ales pueden producir m úsculos con fenotipos particulares contráctiles que les perm i ten m overse en su entorno. En el Capítulo 6 vimos los procesos celulares que perm iten a los m úsculos contraerse. En las siguien tes secciones, hablarem os de cómo los anim ales incorporan m úsculos en sistem as locom otores.
Locom oción 577
Dirección del movimiento
La mayoría de los invertebrados utiliza músculos circulares y longitudinales simples para moverse Con excepción de los artrópodos, la m ayoría de los invertebrados terrestre s se m ueve arrastrándose. Los m úsculos sim ples funcionan en com binación con im a cám ara in tern a llena de líquido que actúa a m odo de e s q u e le to h id rá u lic o . G eneralm ente, los m úsculos locom otores de los invertebrados son estriados, a p esar de que las m iofibras a m enudo están organizadas de m an era diferente a los m úscu los estriados de los vertebrados. La m ayoría de los invertebrados tipo gusano se a rra stra n utilizando capas superpuestas de fibras m usculares. Los nem átodos utilizan dos capas de fibras con diferentes orientaciones a lo largo de un eje longitudinal (Figura 13.2). Cuando las fibras m us culares se contraen de un lado, el líquido celómico se fuerza hacia el lado opuesto y el gusano se dobla. Los nem átodos utilizan ciclos de contracción y relajación p ara ondular a través del medio. Las lom brices de tie rra organizan sus músculos estriados locom otores en capas circulares y longitu dinales. Esta disposición es sim ilar a la organización de los m úsculos lisos de nuestro tracto digestivo (véase el Capítulo 12). Al igual que con la m usculatura intestinal, estos m úsculos perm iten que el anim al produzca ondas peristálticas de contracción. Las lom brices de tie rra utilizan el m ism o princi pio, pero debido a que están segm entadas, cada seg m ento corporal funciona independientem ente, lo que da a la lom briz un grado de control m ucho m ayor sobre el movim iento (Figura 13.3). D irectam ente debajo de las capas exteriores de la cutícula y la epiderm is de la lom briz de tierra se encuentra u n a fina capa de músculo circular. La capa de m úsculo longitudinal m ás gruesa está com puesta de grupos de células m usculares dispuestas en haces
Músculo contraído Figura 13.2.
Músculo relajado
M ú s c u lo s nem átodos y re p ta c ió n .
Los nem átodos se m ueven por el suelo utilizando ondulacio nes. El cuerpo se dobla cuando las fibras musculares super puestas se contraen aun lado del cuerpo y se relajan en el otro lado, lo quefuerza una redistribución de los líquidos celómlcos.
con form a de abanico (peniformes). Cada haz está rodeado de una m em brana b asal y los haces están unidos entre sí por medio de tejido conjuntivo. Un aro de nervios rodea el segm ento, que se dispone entre las capas m usculares, con axones que se extienden hacia los músculos. Cuando el m úsculo cir cular se contrae, el líquido celómico es empujado hacia adelante p ara extender el segm ento. Una vez que el segm ento se h a extendido, pequeñas proyec ciones pilosas llam adas setas se sujetan a la tie rra u otra superficie de sustrato. Cuando los m úsculos lon gitudinales se contraen, el extrem o anterior del seg m ento perm anece en su lugar y la p arte posterior del segm ento es a rra stra d a hacia adelante. Las redes de nervios coordinan el movim iento de los m úsculos cir culares y longitudinales y los patrones de actividad en los segm entos independientes. El calam ar, el m ás rápido de los invertebrados acuáticos, tam bién utiliza capas de m úsculos com plem entarios p a ra m overse, pero la disposición es bastante diferente. Los m úsculos de la p ared corpo ral externa, o m anto, están entrem ezclados en dos planos (Figura 13.4). Las fibras m usculares radiales se extienden desde el interior del m anto al exterior. La contracción de los m úsculos radiales reduce el espesor de la pared del m anto y reduce su circunfe rencia. El músculo circular, que rodea al m anto, se com pone de tres capas. Una gruesa capa central de
578 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Dirección del movim iento
Dirección del movimiento
-u-uxrtimmrmw? frnjroru -^ 1»< Contracción del músculo circular
t c x ix -
Contracción del músculo longitudinal
(a)
(a)
del manto
Fibra circular (poco contenido mitocondri
Músculo protractor
Fibras radiales
Músculo retractor Músculo longitudinal Fibra (rico contenido mitocondrial)
Músculo circular (b) Fig u ra 13.3.
(b) L o c o m o c ió n de la lo m b riz.
(a) Las lom brices se m ueven utilizando ondas de contracción m uscular que actúan en conjunto con el esqueleto hidrostático. La contracción del m úsculo circular reduce el diám e tro del gusano y em puja el líquido celóm ico hacia adelante. La con tracción m uscular lo ngitudinal em puja los segm entos poste riores de los gusanos hacia adelante, (b) Este patrón de contracción m uscular se traduce en locom oción con ayuda de una serie de setas pilosas que sujetan los segm entos del g u sano al sustrato. La adherencia de las setas se encuentra bajo control m uscular. Los m úsculos protractores fuerzan a las se tas hacia afuera para sujetarse al sustrato. Los m úsculos re tractores tiran de las setas hacia el cuerpo, liberando la superficie. El m o vim ien to necesita de la coordinación de los m úsculos de la pared m uscular y de las setas.
m úsculo con bajo contenido m itocondrial está cubierta en el interior y el exterior por un a capa fina de células m usculares ricas en m itocondrias. El cala m a r utiliza estos complejos m úsculos del m anto p ara producir una propulsión p o r chorro. El agua p enetra en la cám ara in tern a cuando los m úsculos del m anto se relajan. D espués de la contracción, el agua es
F ig u ra 13.4.
P ro p u ls ió n p o r c h o rro d e l c a la m a r.
(a) Los calam ares producen la propulsión por chorro al forzar el agua desde la cavidad corporal a través de un sifón con fo r ma de tubo. El agua se m ueve dentro y fuera de la cavidad corporal en respuesta a las contracciones m usculares de las paredes del cuerpo o m anto, (b) El m anto está com puesto por com plejas capas entrelazadas de fibras m usculares. Las f i bras radiales controlan el grosor del m anto. El diám e tro del m anto está controlado por tres capas de m úsculos circulares.
expulsada rápidam ente fuera de la cavidad del m anto a través de un tubo, o sifón, que crea im tubo de agua que em puja al calam ar hacia adelante. En el Capítulo 5, com entam os cómo el axón gigante ase gura que la estim ulación eléctrica de los m úsculos del m anto ocurra sim ultáneam ente p ara m axim izar la fuerza de la expulsión de agua. La com plejidad a n a tóm ica de los músculos ha dificultado la asignación de papeles específicos a cada tipo de fibra muscular, pero en general, el calam ar puede utilizar estos m ú s culos en com binaciones que le perm iten regular la fuerza del chorro de agua, lo que le perm ite planear,
C A P ÍTU LO 13
navegar o salir velozm ente de un lugar a otro. La pota europea utiliza el chorro p a ra saltar h asta 3 m fuera del agua, y luego utiliza sus aletas laterales p ara deslizarse a velocidades superiores a 25 km /h.
Los peces utilizan dos o tres tipos de fibras para nadar Mucho de lo que conocem os sobre la im portancia de los tipos de fibras m u sculares procede de los p ri m ero s estudios sobre peces. Los fisiólogos com pa rativos se sien ten atraíd o s po r los peces po r dos razo n es p rincipales. En p rim e r lugar, la m orfología de los peces difiere am pliam ente po r razo n es que están vinculadas intuitivam ente con la locomoción. En segundo lugar, las fibras m usculares son relati v am ente sim ples en los peces en com paración con otros v erteb rad o s. La d iversidad n a tu ra l en a n a to m ía, ecología, com portam iento y biología evolutiva crea op o rtu n id ad es p a ra los fisiólogos que estudian los principios fun d am en tales de la función m uscu lar y la b ase m olecular de las diferentes estrategias de locom oción. O, dicho de o tra m an era, los es tudios que utilizan peces nos h a n ayudado a co m p ren d er los m úsculos, y los estudios sobre m ú s culos nos h a n ayudado a com prender la biología de los peces. Los peces construyen su m úsculo locom otriz a p artir de dos tipos principales de fibras m usculares: m úsculo rojo y blanco (Figura 13.5). Las fibras m us culares de los peces aú n están descritas por estos té r m inos coloridos, m ien tras que los m úsculos de los tetrápodos están m ás com únm ente designados por sus isom orfos de m iosina (p. ej., tipo I, lia, Ilb, IIx). El m úsculo blanco form a la m ayor p arte de la m asa m uscular de los peces, generalm ente cerca del 60% de la m asa corporal y aproxim adam ente el 85% del músculo. El músculo blanco es un tipo de fibra glucolítica responsable del nado a ráfagas de alta intensi dad. El músculo rojo está generalm ente confinado a im a cinta delgada que se extiende a lo largo del ani m al justo por debajo de la línea lateral. Tam bién se en cu en tran pequeños p arches de músculo rojo en la base de las aletas, donde se utilizan p a ra ap o rtar energía a los m ovim ientos de la aleta. El músculo rojo es im tipo de fibra oxidativa que sostiene la acti vidad de navegación lenta y estable. Muchos peces tienen un tercer tipo de músculo locom otor llam ado m úsculo ro sa que es un interm edio en cuanto a pro piedades contráctiles. El m úsculo rosa se suele en co n trar en la interfase entre los m úsculos blanco y rojo. Cada región del músculo locom otor es virtual-
Locom oción 579
Miotoma simple
Costilla
vertebral
Línea lateral
Figura 13.5.
M u s c u la tu ra d el pez.
El m úsculo blanco del pez está com puesto por más de 100 unidades que se repiten denom inadas m iotom as. Se extien den hacia atrás desde la colum na, doblándose hacia adelante a m edida que se aproxim an a la superficie exte rio r del pez. A lo la rgo de los laterales del pez se encuentran estrechas fra n jas de m úsculo rojo. El m úsculo rosa (que no se m uestra) sue le separar el m úsculo rojo del blanco.
m ente hom ogénea en cuanto a tipos de fibra. Esta organización anatóm ica es conveniente p a ra los investigadores que estudian los orígenes celulares y la función fisiológica de los diferentes tipos de fibras m usculares. La organización de los m úsculos de los peces retiene m uchas de las propiedades establecidas tem pranam ente en su desarrollo. Muchos de nosotros estam os fam iliarizados con la anatom ía m uscular de los peces po r nu estra experiencia en la comida. Un filete de pescado bien cocinado puede cortarse en capas paralelas de m úsculo blanco. Cada capa es un miotoma, uno de los segm entos originales estableci dos tem pranam ente en el desarrollo em brionario.
580 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Cada m iotom a contiene bloques de Abras m usculares b lancas paralelas, sep arad as por u n a capa delgada de tejido conjuntivo llam ado m iotabique. Cada m io tom a está sujeto a la región posterior del pez po r te n dones. La piel tam b ién actúa como u n a vaina que conecta los diferentes m iotom as, ayudando a inte g rar la fuerza de las diferentes unidades contráctiles. La contracción de u n m iotom a genera un a fuerza que se tran sm ite de form as com plejas a otras regiones del cuerpo. La fuerza se transfiere al siguiente m io tom a a través de m iotabiques, a la aleta caudal a tr a vés de tendones y a la piel. E stas fuerzas culm inan en el m ovim iento del tronco y la cola p a ra g en erar pro pulsión. La generación de fuerza en el m úsculo rojo tam bién depende de la piel y los tendones que se in se rtan en la cola. Esta disposición convierte la fuerza contráctil directam ente en movimiento del tronco y la cola.
Frecuencia de contracción (Hz)
(a)
El patrón de la contracción muscular locomotriz está controlado por neuronas motoras Las diferencias en las propiedades contráctiles del m úsculo oxidativo (rojo) y glucolítico (blanco) perm i ten al anim al producir diferentes tipos de movi m iento. A p esar de que se observa m ás fácilm ente en los peces, estas m ism as reglas generales se aplican a los tetrápodos. El músculo rojo m uestra su m áxim a producción de potencia a frecuencias m ucho m ás b ajas que el m úsculo blanco. Como consecuencia, los peces utilizan el m úsculo rojo p a ra el nado lento y el m úsculo blanco p a ra velocidades m ayores. Este p atró n de activación secuencial de la contracción m uscular, llam ada r e c lu ta m ie n to , está controlado en los peces vivos p o r n eu ro n as m otoras. La coordi nación de la activación m uscular dentro del sistem a locom otor está d eterm inada por un generador de patrones central ubicado en el interior del sistem a nervioso central. Los investigadores estudian el reclutam iento m uscular en peces vivos, colocándoles electrodos de electrom iógrafo (EMG) e induciéndoles a n a d a r a diferentes velocidades. El resultado del EMG m uestra que a velocidades de nado b ajas sólo el m úsculo rojo está eléctricam ente activo (Figura 13.6). A m edida que la velocidad de nado aum enta, tam bién aum enta la frecuencia de contracciones del músculo rojo. A velocidades aú n m ás ráp id as, el m úsculo blanco tam bién com ienza a contraerse. El m úsculo rojo conti n ú a contrayéndose a altas velocidades pero no puede g en erar m ucha fuerza.
Músculo------------------------------------- -WvWMH
blanco
1 longitud de cuerpo/seg
2 longitudes de cuerpo/seg
3 longitudes de cuerpo/seg
(b) Fig u ra 13.6.
La v e lo c id a d de nado y el r e c lu ta m ie n to
m u s c u la r.
(a) La producción de energía del m úsculo aislado puede valo rarse en una gran variedad de frecuencias de estim ulación eléctrica. El m úsculo rojo posee una energía m enor que el m úsculo blanco y genera su potencia óptim a a una frecuencia m enor, (b) La a ctividad eléctrica del m úsculo rojo y blanco en peces v ivo s puede m edirse por electrom iografia. Los diferen tes tip o s de fibras m usculares son seleccionadas a diferentes velocidades de nado. A bajas velocidades (una lo ngitud de cuerpo por segundo), sólo el m úsculo rojo se encuentra acti vo. A m edida que aum enta la velocidad, la frecuencia de las contracciones aum enta tam b ién. Una vez que la velocidad de nado excede el um bral (en este ejem plo, dos lo ngitudes de cuerpo por segundo) el m úsculo blanco se activa. El m úsculo rojo continúa contrayéndose pero la fuerza que genera co n tri buye poco a la locom oción a altas velocidades.
Los peces pueden n ad ir continuam ente durante horas a velocidades en las que sólo el m úsculo rojo está activo. A velocidades m ayores, cuando se recluta
C A P ÍTU LO 13
al m úsculo blanco, los peces pueden agotarse rá p id a m ente. La im portancia del control neuronal sobre el movim iento locom otor puede ilustrarse con la lam prea, u n pez primitivo que n ad a m ediante ondulacio nes tipo serpiente. Como otros peces, la lam prea tiene el m úsculo rojo superficial y el m úsculo blanco profundo organizado en aproxim adam ente 100 miotom as. Las raíces nerviosas del segm ento correspon diente a la m édula espinal inervan cada miotoma. Los nervios inervan los m úsculos a cada lado del pez. Cuando la lam p rea n ada, un lado del cuerpo se contrae m ien tras que el lado opuesto se relaja (Figura 13.7). Las contracciones com ienzan en la p arte an terio r y luego p asan a la posterior. Cuando u n a lam p rea n ad a en u n a línea recta, los nervios de u n lado se activan, m ien tras que los nervios contralaterales están latentes. El p atrón de activación alter nado de las n eu ro n as m otoras está coordinado por las in tern eu ro n as excitadoras e inhibidoras. Los n er vios a lo largo de la m édula espina se activan en ráp id a sucesión p ara estim ular u n a onda de contrac ción a lo largo del cuerpo. D espués de la activación de u n a n eu ro n a m otora, las interneuronas perm iten la excitación de las n eu ro n as m otoras que inervan el lado opuesto. La onda de contracción en un lado es seguida por una onda del otro lado. Cuando u n a lam p rea necesita n a d a r m ás rápido, aum enta su fre cuencia de activación. Esto ocasiona que el cuerpo de ondule con m ayor rapidez y frecuencia, pero el p atró n de cam bio de la form a corporal (una form a de
Lamprea Fig u ra 13.7.
L a m p re a n a d a d o ra .
La lamprea nada por m ovim ien to anguiliform e, por m edio de la utilización de ondas de contracción de los músculos del tro n co. Cada despliegue de actividad eléctrica en un registro de EMG significa una contracción muscular. Cuando los m úsculos de un lado del cuerpo se activan, los músculos en el lado opuesto quedan inhibidos. La form a de la onda se genera por la activación secuencial de los músculos a lo largo del cuerpo.
Locom oción 581
S) es el m ism o en todas las velocidades. La m édula espinal genera este p atrón intrincado de actividad nerviosa m otora como respuesta a las señales envia das desde el cerebro.
Los tetrápodos presentan una multiplicidad de tipos de fibras La locomoción de los peces m ediante el tronco y la cola es relativam ente simple en térm inos tanto de organización m uscular como de control neuronal. Sin em bargo, un a vez que los vertebrados hicieron la transición a la tierra, el movimiento requirió m úscu los locom otores y controles neuronales m ucho m ás complejos. M ientras que los peces pueden subsistir con dos o tres tipos de fibras m usculares, los tetrápo dos construyen m úsculos con m uchas com binaciones de tipos de fibras. La m usculatura de las extrem ida des de los tetrápodos es homologa en térm inos de evolución a la m usculatura de la aleta de los peces. Los tetrápodos p resentan u n a gran diversidad en el uso de sus extrem idades en movimiento, pero la orga nización de los m úsculos es sim ilar en los anfibios, reptiles, aves y m am íferos. Cada grupo de tetrápodos tom an grandes grupos de proteínas contráctiles m us culares p a ra crear diferentes tipos de fibras. Mucho de lo que sabem os de la función m uscular de los tetrápodos viene de los estudios de los m úscu los de las extrem idades posteriores que las ranas usan p a ra saltar. Como el m úsculo locom otor de los peces, el m úsculo saltador (extensor) de u n a ra n a es relativam ente puro en el tipo de fibra. Los investiga dores de varias disciplinas fisiológicas valoran la p re p aración de la extrem idad posterior de la ra n a como un a h erram ien ta experim ental. Los extensores de las ra n a s se retiran fácilm ente del anim al y perm anecen estables, lo que perm ite a los investigadores trab ajar con la p reparación durante periodos prolongados. Los investigadores biom ecánicos se centran en la extrem idad posterior debido a su actividad durante el salto. Cuando las ra n a s saltan con sus contraccio nes m ás fuertes, virtualm ente cada fibra de los m ús culos extensores es reclutada. Los biólogos celulares utilizan los extensores de las ran as porque pueden aislar fibras únicas que son m uy largas, facilitando el exam en de las propiedades celulares y genéticas. La diversidad en la com posición m uscular de los tetrápodos es evidente en varios niveles de organiza ción biológica. R ecordem os del Capítulo 6 que las células m usculoesqueléticas, o m iofibras, son células m ultinucleadas. Cada núcleo dentro de u n a única m iofibra, generalm ente expresa los m ism os genes
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Integrando sistem as fisiológicos
p a ra las p ro teín as contráctiles. Es decir, cada miofi b ra es g eneralm ente de u n tipo de fibra p u ra debido a que todos los núcleos del in terio r de la célula ex p resan el m ism o gen del isom orfo de cadena p esad a de m iocina. Sin em bargo, tam bién puede h a b e r fibras híb rid as, que se form an cuando los núcleos individuales del in terior de u n a m iofibra ex p resan diferentes genes de cadena pesad a de m io sina. Por lo tanto, incluso las m iofibras únicas p u e den ser de tipos de fibras heterogéneas. Cuando estas m iofibras se contraen, d em uestran propieda des que son in term edias en tre tipos de fibras puras. La h eterogeneidad tam bién es evidente cuando se contem pla el m úsculo completo, que es u n a colec ción de cientos de m iofibras individuales. La m ayo ría de los tetráp o d o s son m osaicos de diferentes tipos de fibras (Figura 13.8). Considerem os la com posición del m úsculo soleo de los tetrápodos, el m ús culo que conecta la articulación de la rodilla con el ten d ó n de Aquiles. El m úsculo soleo de la m ayoría de los tetráp o d o s está com puesto predom inante m ente de fibras de contracción lenta, pero h asta el 20% pueden ser de otro tipo de fibras. Otros m úscu los de las extrem idades posteriores son m osaicos de varios tipos de fibras m usculares. La com plejidad de los tipos de fibras m usculares de los tetrápodos es n ecesaria debido a que los m úsculos son utilizados en diferentes com binaciones p a ra realizar distintos estilos de m ovim iento. La ra n a utiliza los músculos
F ig u ra 13.8.
F ib ras de m o s a ic o s en e l m ú s c u lo
lo c o m o triz de los te trá p o d o s .
La m ayoría de los tetrápod os poseen m úsculos que son m o saicos de diferentes tip o s de fibras. En el m úsculo del diafrag ma de la rata que se m uestra arriba, los tip o s de fibras se distinguen por la in m un ohistoquím ica, utilizando anticuer pos fluorescentes que se unen a los isom orfos de cadena pe sada de m iosina. Las fibras de tip o I están indicadas en rojo, las de tip o lia en verde, las de tip o Ilb en azul y las de tip o Ilx/d en negro. (Im agen cortesía del Dr. Gary Sieck, M ayo Clinic).
de las extrem idades posteriores p a ra nadar, cam i n a r y saltar. Los m am íferos utilizan los m úsculos de sus extrem idades posteriores p a ra cam inar, trotar, nadar, correr a g ran velocidad y saltar. Los m úsculos del antebrazo perm iten a las aves utilizar sus alas p a ra b atirse en vuelo, p lan ear y realizar com plejas m aniobras aéreas. Los com plejos perfiles de tipos de fibras de los m úsculos son esenciales p a ra la v ersati lidad de utilización m uscular.
Los músculos locomotores están organizados en módulos locomotores y grupos funcionales La m ayoría de los tetrápodos se m ueven utilizando cam bios cíclicos en la posición de las extrem idades. Cuando u n a extrem idad se dobla en un a articulación, el movim iento se llam a flexión. La extrem idad se endereza d urante la extensión. La flexión y la exten sión se inducen como respuesta a la contracción de m úsculos antagonistas separados (Figura 13.9). Por ejemplo, cuando un prim ate dobla su brazo (flexión), el músculo bíceps se contrae m ientras que el tríceps se relaja. La extensión se produce cuando el tríceps se contrae m ientras que el bíceps está relajado. El m ovim iento de las extrem idades en apoyo a la loco moción, generalm ente involucra com plejas com bina ciones de m úsculos que funcionan juntas p a ra mover cada segm ento de la extrem idad de form a coordi nada. Considerem os los m úsculos utilizados en la extrem idad posterior de los m am íferos al cam inar. Un grupo extensor de m úsculos de la piern a trab aja sinérgicam ente p ara m over la pierna hacia adelante; u n grupo flexor de m úsculos trab aja sinérgicam ente p ara tira r de la pierna de nuevo hacia atrás. El grupo extensor incluye el soleo y los dos gemelos, que doblan el pie, el cuádriceps y el recto fem oral, que enderezan la rodilla, y el glúteo, que trab aja en la cadera y oscila la pierna hacia delante. El grupo fle xor com prende el tibial anterior, que m ueve el pie, el grupo de los tendones isquiotibiales, que dobla la rodilla, y el iliopsoas, que gira la pierna a la altura de la cadera. Estos grupos de m úsculos trab ajan de m an era antagónica; la contracción de un grupo m us cular requiere la relajación del otro grupo muscular. Adem ás de los m úsculos que m ueven la pierna, otros conjuntos de m úsculos participan en el movimiento. Los m úsculos finos de los pies trab ajan en conjunto con la inform ación sensorial recolectada po r los propioreceptores de la piel p ara h acer exactos ajustes graduales en la posición. Los m úsculos posturales de la espalda y el abdom en son reclutados p a ra m an
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Locom oción 583
En contraste con el sim ple control nervioso del nado de la lam prea, la coordinación del m ovim iento de las extrem idades en los tetrápodos requiere la integración de incontables nervios m otores, interneuronas y controles de retroalim entación superpuestos. Esta com plejidad puede hacer que sea m ás desafiante estudiar el control m otor en los tetrápodos. Por esta razón, los siste m as sim ples como la m usculatura de nado de los peces y los músculos exten sores de las ran as, perm anecen como herram ientas valiosas p a ra explorar el control neuronal de los m úsculos loco m otores de los vertebrados.
F ig u ra 13.9.
G rupos de m ú s c u lo s a n ta g o n is ta s .
Un m iem bro se endereza cuando los m úsculos extensores se contraen y se dobla cuando los m úsculos flexores se contraen. En las extrem idades delante ras de los prim ates, el bíceps es el m úsculo fle x o r principal y el tríceps es el m úsculo extensor principal.
ten er el equilibrio d u ran te el movimiento. Todos los m úsculos que son responsables de un tipo de m o vim iento están agrupados juntos en un módulo loco motor. La m usculatura de vuelo de las aves es otro ejem plo de u n m ódulo locomotor. La m usculatura que im pulsa el vuelo en las aves se deriva de la m ism a m usculatura de las extrem idades que soporta el movim iento de los antebrazos en los tetrápodos. Como en otros vertebrados, los m úsculos trab ajan en grupos antagonistas p ara im pulsar los m ovim ientos de las alas. El m úsculo pectoral im pulsa el recorrido descendente. Éste es u n m úsculo muy largo, que a m enudo alcanza el 35% de la m asa m uscular del ave. Está sujeto en u n extrem o a la quilla y en el otro extrem o al húm ero. El m úsculo supracoracoideo im pulsa el recorrido ascendente. Se sujeta a la quilla y al extrem o del húm ero. La m ayoría de las aves uti lizan este m úsculo p a ra girar el húm ero y devolver el ala a la posición correcta p a ra p re p a ra r el movi m iento descendente. Los tam años relativos de los m úsculos pectorales y supracoracoideos reflejan la form a en que un ave vuela (Figura 13.10). Las aves de vuelo cernido, como los colibríes, poseen m úscu los supracoracoideos m uy grandes p ara tira r del ala hacia arrib a rápidam ente. Más de 45 m úsculos dife ren tes contribuyen al control exacto del ala, incluida la posición de las plum as.
M etabolism o energético
La actividad m uscular dem anda una gran cantidad de energía, principal m ente en la form a de ATP. La actinom iosina ATPasa utiliza ATP p ara proporcionar la energía p a ra el ciclo de puente cru zado. La Na+/K+ ATPasa utiliza ATP p a ra restablecer los gradientes iónicos en la m em brana sarcolém ica después de cada potencial de acción. La Ca2+ ATPasa utiliza ATP p ara tran sp o rtar Ca2+ citoplasmático de nuevo al retículo sarcoplasm ático. Debido a que los músculos en activo tienen altos índices de recupera ción de ATP, explicaremos cómo las características únicas de las vías de m etabolism o energético están integradas en la estructura y función muscular.
La glicólisis y las mitocondrias sostienen diferentes tipos de locomoción La contracción m uscular es un proceso costoso en térm inos energéticos, y un déficit en la producción de energía puede com prom eter la locomoción. Los m ús culos cum plen con las dem andas de energía utili zando u n a com binación de fosfágenos preform ados y vías productoras de ATP. Los fosfágenos preform ados incluyen el grupo adenilato (ATP y ADP) así como los com puestos fosfoguanidina; los vertebrados utilizan fosfocreatína y los invertebrados utilizan u n a o m ás de las siguientes: fosfoarginina, fosfoglucociamina, fosfotaurociam ina o fosfolam bricina (véase el Capí tulo 2). Como estos grupos de energía preexistentes pueden apoyar la locomoción sólo durante periodos de tiem po m uy breves, otras vías de producción de
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Integrando sistem as fisiológicos
Húmero
Pectorales Quilla Supracoracoideo (a) Ave de vuelo batido
Movimiento ascendente
Movimiento descendente
Pectorales Supracoracoideo
Fig u ra 13.10.
M ú s c u lo s de v u e lo de las a ve s.
Las aves utilizan su m úsculo pectoral para im pulsar el recorrido descendente y su m úsculo supracoracoideo para el m o vim ien to ascendente, (a) Las aves que vuelan batiendo las alas, com o la gaviota, poseen un m úsculo pectoral m uy grande, (b) El vuelo cernido de los colibríes tam b ién necesita un m úsculo supracoracoideo fuerte debido a que la fuerza se genera ta n to en el m o v i m iento descendente com o en el ascendente.
ATP son cruciales. La m ayor p arte de la actividad locom otriz se ve apoyada por alguna com binación de glicólisis anaerobia y m etabolism o aerobio m ito condrial. Estas dos vías difieren en cinco puntos prin cipales que determ inan cómo soportan la actividad m uscular: (1 ) eficacia m etabólica, (2) índice de pro ducción de ATP, (3) dependencia del oxígeno, (4) tipos de com bustibles que pueden utilizar y (5) índice al cual los com bustibles pueden movilizarse. El Capítulo 3 p resen ta una explicación detallada sobre la regula ción m etabólica; aquí revisam os cómo sus propieda des distintivas influyen en su papel en la producción de energía p a ra la actividad muscular.
cum plir con las dem andas de energía en reposo y durante la recuperación de la actividad. Los m ú s culos que deben p erm anecer activos durante periodos de tiem po largos dependen casi exclusi vam ente del m etabolism o aerobio m itocondrial. Como vimos en la sección anterior, el músculo rojo de los peces es un ejemplo de tipo de fibra m uscular que utiliza la producción de energía m i tocondrial p a ra apoyar la locomoción a velocida des de nado que pueden ser sostenidas durante periodos prolongados. El principal beneficio del aum ento de eficacia es que el alm acenam iento de com bustible puede sostener la actividad durante m ás tiempo.
1. Eficacia metabólica. La fosforilación oxidativa es considerada como m ás eficaz que el metabolism o glicolítico ya que pueden producirse m ás m olécu las de ATP p o r m olécula de glucosa m etabolizada (36 frente a 2). Como resultado, todos los m úscu los dependen de la fosforilación oxidativa p ara
2. índice de producción de ATP. La glicólisis puede no ser tan eficaz como la fosforilación oxidativa, pero puede gen erar ATP a índices m ucho m ayo res. Cuando un anim al debe m overse rá p id a m ente, se debe producir ATP a índices que las m itocondrias no pueden alcanzar. Un guepardo
C A P ÍTU LO 13
persiguiendo u n a gacela depende de la glicólisis p a ra que le proporcione la ATP que le perm ite alcanzar altas velocidades en recorridos cortos. A p esar de la que glicólisis perm ite que el m ús culo produzca ATP m uy rápido, la lim itación de provisiones de glucógeno significa u n a vía glicolítica m enos eficaz que se queda sin combustible rápidam ente. Por lo tanto, el guepardo debe cap tu ra r su p resa en un periodo de tiem po corto o sus m úsculos se q u ed arán sin los com bustibles de carbohidratos necesarios p a ra soportar la carrera rápida. 3. Dependencia de oxígeno. La glicólisis puede p ro ducir grandes cantidades de ATP en ausencia de oxígeno y, p o r lo tanto, es la única vía disponible p a ra los m úsculos cuando el oxígeno se encuen tra por debajo de niveles críticos. D urante una actividad de alta intensidad, el oxígeno no puede ser sum inistrado al músculo lo suficientem ente rápido p a ra cum plir con las dem andas de ATP p o r el m etabolism o m itocondrial y el tejido se vuelve funcionalm ente hipóxico. Las lim itaciones de oxígeno fuerzan a los m úsculos a utilizar glu cógeno como el principal com bustible m etabó lico. Debido a la natu raleza de la glicólisis, el m úsculo hipóxico tam bién incurre en alteracio n es m etabólicas que deben ser rectificadas en la recuperación cuando vuelvan los niveles de oxí geno. Los m úsculos de la m ayoría de los v erte b rad o s y m uchos invertebrados producen lactato como producto final glicolítico d urante la hipoxia funcional. Después de norm alizarse los niveles de oxígeno, los m úsculos deben desechar el lac tato y reg en erar glucógeno. 4. Diversidad de combustibles. La glicólisis depende exclusivamente de los carbohidratos, m ientras que las m itocondrias pueden generar energía de la oxidación de los carbohidratos, lípidos (ácidos grasos) y aminoácidos. Los combustibles p ara la actividad m uscular pueden derivarse directa m ente de la dieta o ser movilizados a p artir de depósitos intram usculares o extram usculares. 5. índice de movilización. Los músculos poseen bajos niveles de com bustibles que pueden ser oxi dados inm ediatam ente (glucosa, ácidos grasos, glicerol, am inoácidos libres). Los músculos con sum en rápidam ente esos combustibles, po r lo que los anim ales deben movilizar los com busti bles alm acenados p ara sostener la actividad m us cular. Cada tipo de combustible metabólico puede ser movilizado a u n índice característico. Cuando
Locom oción 585
com ienza la actividad muscular, com ienza la hidrólisis de glucógeno en una fracción de segundo. Si la actividad m uscular continúa, se movilizan otros depósitos de combustible. Más adelante en esta sección am pliarem os el control de la selección de combustible en relación con la actividad muscular.
El contenido mitocondrial determina la capacidad aerobia muscular La fosforilación oxidativa es central p ara la energética de la m ayoría de los músculos y el contenido m itocon drial es un determ inante im portante de la capacidad aerobia muscular. Las m itocondrias m usculares están construidas de form a que alm acenan la m áxim a capa cidad m etabólica en un mínim o espacio. Muchos aspectos de la estructura y la función m itocondrial m uscular son sim ilares en todo el reino animal. A pesar que el contenido m itocondrial de los músculos puede variar m ucho entre los tipos de fibras m uscula res, las propiedades m itocondriales se conservan en gran m edida en las especies. Sin em bargo, algunas especies excepcionales m uestran especializaciones que reflejan los límites de la función m itocondrial y la evolución de la capacidad aerobia. Antes se pensaba que las m itocondrias existían como sim ples orgánulos ovalados, pero las m itocon drias m usculares están dispuestas en u n a red o retícula (véase la Figura 3.30). La retícula está espe cialm ente bien desarrollada en los m úsculos locomo tores de los organism os activos. Se extiende a lo largo de la célula, entretejiéndose dentro y fuera de la red m iofibrilar con regiones po r debajo de la m em b ra n a celular. La configuración de las m itocondrias en los m úsculos está activam ente rem odelada y con trolada p o r m uchos factores. En el caso de la m ayo ría de los anim ales, se piensa que la retícula perm ite a las m itocondrias funcionar como u n a red eléctrica m ás eficaz, lo que es beneficioso p a ra los anim ales activos. Sin em bargo, los peces antárticos, que tienen índices m etabólicos m uy bajos, tam bién tienen una retícula m itocondrial extensa. En esos anim ales, la retícula puede m ejorar la eficacia del sum inistro de oxígeno a la célula. Como el oxígeno se disuelve m ás rápidam ente en lípidos que en el agua, las m em bra nas m itocondriales interconectadas facilitan el sum i nistro de oxígeno en el interior de la célula. Éste puede ser un m ecanism o im portante p a ra facilitar el sum inistro de oxígeno en u n a célula, ya que m uchos de esos anim ales carecen de las proteínas hem oglo bina y m ioglobina portadoras de oxígeno.
586 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
La estructura de la m em b rana in tern a m itocon drial tam bién refleja la prioridad de un espacio intracelular. Las crestas, que poseen las enzim as p a ra la fosforilación oxidativa, están densam ente agrupadas p a ra com prim ir u n alto potencial catalítico en un espacio pequeño. Cada mililitro de m itocondrias tiene 20-40 m 2 de m em b ran a interna. Im aginemos 400-800 páginas de este libro dobladas en un espa cio del tam año de la yem a de su pulgar. Algunas especies “atléticas” poseen crestas m ás densam ente apretadas, algunas veces alcanzando 70 m 2/m l de m itocondrias. A esta alta densidad de crestas, ape n as hay suficiente espacio entre las crestas p a ra aco m o d ar dos m oléculas de u n a enzim a de u n a m atriz m itocondrial m edia. El contenido m itocondrial varía am pliam ente entre tipos y especies de m úsculos. Las m itocondrias esparcidas en las fibras m usculares glicolíticas sue len ocupar m enos del 2% del espacio intracelular m uscular. El contenido m itocondrial de los músculos oxidativos suele se r de tres a diez veces m ayor que el de los m úsculos glicolíticos del m ism o anim al. En los m úsculos de vuelo de los insectos y colibríes, que se contraen a frecuencias m uy altas, casi la m itad del volum en intracelular m uscular está ocupado por las m itocondrias. Adem ás, las m itocondrias de estos anim ales tam bién poseen u n a alta densidad de agru pación de crestas.
cola, el lucio acelera hasta 5 g, a grandes rasgos el equivalente de la aceleración de un caza a reacción. Si el lucio pierde su objetivo con el impulso inicial, la p resa puede escapar porque el lucio no puede m on ta r inm ediatam ente un segundo ataque. En lugar de eso, reg resa a su escondite y com ienza el largo y lento proceso de la recuperación m etabólica. P ara recuperarse del ejercicio brusco, los m úscu los pueden reabastecer los depósitos de energía, incluidos glucógeno, ATP y fosfocreatína. Tam bién deben reabastecer los gradientes iónicos, depósitos de Ca2+ y pH. Un elem ento im portante de la recupe ración es la elim inación del lactato que se produce por la glicólisis anaerobia. Al finalizar el ejercicio, el lactato puede te n e r varios destinos diferentes (Fi gura 13.11). Algunos m úsculos se sirven del lactato como com bustible p a ra reconstruir los depósitos de glucógeno. Otros m úsculos exportan el lactato p ara su procesam iento por otros tejidos. Parte del lactato de transm isión hem ática es oxidado por otros tejidos
El músculo debe recuperarse de la actividad de alta intensidad M ientras que las m itocondrias alim entan la actividad estable y a largo plazo, la glicólisis im pulsa la activi dad de alta intensidad a corto plazo. D urante la acti vidad súbita, los m úsculos glicolíticos dependen casi exclusivam ente de com bustibles intram usculares: prim ero, los grupos preform ados de fosfágenos, des p ués aum entados p o r la glicólisis. H orm onas como la epinefrina estim ulan la descom posición del glucó geno. Los depósitos internos de glucógeno se movili zan y se gastan rápidam ente. La glicólisis lleva a la producción de lactato y ocasiona u n a acidosis intracelular. El m úsculo queda exhausto por la com bina ción de déficits energéticos, alteraciones iónicas y desequilibrios de pH. Considerem os el ejemplo del lucio, un pez que vive en las aguas tem pladas del norte. P asa la m ayor p arte del tiem po escondiéndose en la m aleza esperando a que se acerquen presas desprevenidas. Cuando ve u n pez o u n a ra n a de poco tam año, el lucio utiliza su m úsculo blanco p ara m over la cola. Sólo con unos pocos m ovim ientos de la
F ig u ra 13.11.
M e ta b o lis m o d e l la c ta to d u ra n te la
r e c u p e r a c ió n de la a c tiv id a d .
El ejercicio de gran intensidad en los m úsculos glicolíticos provoca el aum ento de lactato. Cuando el ejercicio se detiene, el lactato se elim ina a través de diferentes vías. Parte del lac tato se utiliza para reslntetizar glucógeno en el m úsculo glico lítico. El lactato puede ser liberado a la sangre y recogido por el hígado, que lo utiliza para producir glucosa. Los tejid o s o x i dativos, com o el corazón y los m úsculos rojos, pueden oxidar el lactato com o un com bustible.
C A P ÍTU LO 13
aerobios, tales como el corazón. Si los m úsculos libe ra n lactato en sangre, deben im portar glucosa de la sangre p a ra reco n stru ir los depósitos de glucógeno m uscular. Muchos anim ales utilizan el ciclo del ácido láctico p a ra reab astecer el glucógeno m uscular. En esta vía, el lactato derivado de los m úsculos es im portado p o r el hígado, que lo utiliza p a ra resintetizar glucosa. La glucosa hepática es entonces liberada en la sangre y tom ada por los m úsculos, que pueden utilizarla p a ra producir glucógeno. La im portancia relativa de cada vía depende del tipo y especie del músculo. A p esar de que los anim ales pueden producir altos niveles de lactato rápidam ente, la recuperación m etabólica puede ser prolongada y costosa en térm i nos energéticos. Muchos anim ales, tales como el lucio, requieren m uchas h oras p a ra que sus m úscu los recu p eren el estado m etabólico previo al ejerci cio. Dado que la energía p a ra el m etabolism o de recuperación es provista po r la fosforilación oxida tiva m itocondrial, los anim ales que están recu p erán dose m u estran índices elevados de consum o de oxígeno m ucho tiem po después de h a b e r cesado el ejercicio (Figura 13.12). Este elevado consum o de oxígeno posterior al ejercicio (EPOC), a m enudo lla m ado deuda de oxígeno, refleja los costes metabólicos de la recuperación.
Ejercicio
Recuperación Tiempo (min)
F ig u ra 13.12.
Consum o d e l o x íg e n o p o s te rio r a l e je r c ic io
e le v a d o .
El ejercicio provoca un aum ento rápido en el Indice de con sum o de oxígeno. Una vez te rm in a d o el ejercicio, la respira ción desciende pero perm anece elevada por encim a del índice de reposo para perio dos prolongados. La duración del consum o de oxígeno poste rio r al ejercicio elevado, o deuda de oxígeno, depende d é la intensidad del ejercicio y varía en tre las especies.
Locom oción 587
Transiciones metabólicas que acompañan al ejercicio prolongado La actividad locom otriz p lantea desafíos únicos p ara los anim ales. D urante la actividad, las células m uscu lares deben producir ATP a índices altos. Los com bustibles metabólicos, principalm ente carbohidratos y lípidos, deben m ovilizarse desde los depósitos intracelulares o tejidos de alm acenam iento. Estos procesos m etabólicos deben ser coordinados con precisión p a ra asegurar que la síntesis de ATP coin cide con la dem anda de ATP. Considerem os los dos siguientes ejemplos. El colibrí p lan ead o r tiene uno de los índices m etabólicos con respecto a la m asa m ás altos del reino anim al. Debe volar p a ra alim en tarse y debe com er p a ra p o d er volar. Es un ejem plo extrem o del tipo de tran sicio n es m etabólicas a que la m ayoría de los anim ales se enfrenta al in teg rar el consum o de n u trie n te s con la actividad. Cada m a ñ a n a de verano el colibrí se d esp ierta y vuela de flor en flor, bebiendo néctar. En ocasiones, se com e un insecto. La m ayor p a rte de sus h o ra s de vigilia las p asa posado. Su dieta de n é c ta r es casi exclusivam ente sacarosa, po r lo que se p odría p e n s a r que su reg u lación m etabólica es sim ple. Sin em bargo, o b se r vando m ás aten tam en te, se d escu b rirá que se necesita un control m etabólico complejo p a ra aco m o d ar los cam bios diarios en la alim entación, vuelo y sueño. Cuando el colibrí está alim entándose acti vam ente de flores de verano, utiliza sus carb o h i drato s alim enticios como com bustible p a ra el m etabolism o de sus m úsculos de vuelo. A lm acena cualquier sa caro sa alim enticia extra com o glucó geno y lípidos. En la noche, el colibrí no puede ali m en tarse y debe d ep en d er de sus reserv as de energía p a ra so sten er sus d em an d as m etabólicas de reposo. Tam bién se vuelve hipom etabólico, p e r m itiendo que su te m p e ra tu ra corporal dism inuya p a ra red u cir las dem an d as m etabólicas. En la m añ an a, el colibrí soporta su p rim e r vuelo oxi dando ácidos grasos tra n sp o rta d o s desde los depó sitos de los tejidos. En cuanto obtiene su p rim e ra com ida de néctar, su m etabolism o p asa a la utiliza ción de carb o h id rato s y alm acenam iento de lípidos. Las transiciones en selecciones de com bustibles pu ed en controlarse m idiendo el índice de p ro ducción de C 0 2 respecto al consum o de 0 2, conocido como el cociente respiratorio o RQ (Figura 13.13). Recordem os del Capítulo 3 que cada com bustible m etabólico g en era u n RQ característico: 0,7 p ara lípidos, 1,0 p a ra carbohidratos. Este ciclo diario
588 SEG UN DA PARTE
1.2
Integrando sistem as fisiológicos
-
1.1 -
0,7 -
o------ Reposo
Tiempo en el vuelo (min) Fig u ra 13.13.
M e ta b o lis m o de v u e lo de los c o lib r íe s .
La respiración de los co lib ríe s fue c o ntrolad a por sensores de oxígeno y C 0 2 in co rp o ra d o s a un alim entador. El c o m bustib le m eta b ó lico que se oxida se refleja en el cociente re sp ira to rio (RQ), que es la p ro p o rc ió n de C 0 2 p roducido para el 0 2c onsu m ido. En reposo, las aves o xidan los c o m b u stib les de lípidos, com o lo in dica el RQ de 0,7. Una vez que com ienzan el vuelo y la a lim e n ta c ió n , el RQ aum enta rápid am e nte hasta un v o lu m e n cercano a 1, un in d ic a d o r de la o xidació n de carb o h id ra to s. (Fuente: A d apta do de Suárez e f al., 1990).
continúa a lo largo de la estación de alim entación, p ero a m ed id a que el invierno se aproxim a m uchas especies de colibríes reo rg a n iz an su m etabolism o p a ra p re p a ra rs e p a ra la m igración. Un paso im por ta n te es u n aum ento de sus depósitos de lípidos. Un colibrí de 3 g p u ed e en g o rd ar 2 g de g rasa an tes de su m igración. La m igración del salm ón del Pacífico b rin d a otro b u en ejem plo de tran sicio n es m etabólicas. El sal m ón vive varios años en el océano abierto, alim en tán d o se vigorosam ente, creciendo y p rep aran d o depósitos de en erg ía p a ra su m igración rep ro d u c tiva final. Cuando m ad u ran , los salm ones del Pací fico m ig ran del océano a los ríos p a ra repro d u cirse en sus lechos de desove n atales. A lgunas poblacio nes, tales como las del salm ón rojo del río Fraser, p u ed en viajar m ás de 1.000 kilóm etros a través de tram o s de co rrien tes ráp id as (Figura 13.14). Du ra n te su m igración los salm ones no com en, deben d ep en d er de sus depósitos de energía internos. G randes depósitos de g rasa alim entan la etapa m ás te m p ra n a de la m igración, p ero se agotan m ás ad e lante. Con la m ayoría de sus depósitos de com busti ble p rincipales reducidos, el salm ón no tiene otra
posibilidad que com enzar a descom poner p roteínas endógenas. El pez luego com ienza a descom poner sus m úsculos y tracto intestinal, liberando la e n e r gía quím ica alm acenada en los tejidos. El salm ón p rim ero descom pone el m úsculo blanco que ya no necesita p a ra u n nado de alta intensidad, pero deja el m úsculo rojo que utiliza p a ra el nado lento y cons tante. Algunos am inoácidos se oxidan en el m úsculo pero m uchos se convierten en glucosa en el hígado. Al final de la m igración, el glucógeno y la glucosa soportan la vigorosa actividad de desove. D urante el viaje com pleto, el salm ón coordina el m etabolism o corporal com pleto p a ra ten er com bustibles disponi bles p a ra los m úsculos en activo, m ien tra s que deja los tejidos reproductivos que necesita p a ra la p ro ducción de gam etos. P ara el m om ento en que el sal m ón desova, h a gastado sus depósitos de energía y digerido su propio tejido. Poco después, el salm ón m uere.
Las hormonas controlan la oxidación de combustible en los músculos La historia de vida de los salm ones es u n a versión extrem a de transiciones m etabólicas, pero todas las form as de actividad m uscular requieren un control complejo de la utilización de com bustibles m etabóli cos. La m ayoría de los anim ales dependen de una com binación de carbohidratos y lípidos p a ra la pro ducción de ATP muscular. Los carbohidratos pueden derivarse de los depósitos m usculares, principal m ente partículas de glucógeno, pero la glucosa circu latoria es tam bién im com bustible im portante. El m úsculo m antiene un depósito de lípidos en la form a de gotas de triglicéridos. La sangre tam bién pro p o r ciona lípidos a p artir de la descom posición de Upoproteínas. Como vimos en el Capítulo 3, la m ayor p arte de la energía p a ra la actividad m uscular se pro duce cuando las m itocondrias oxidan piruvato, de los carbohidratos, y ácidos grasos, de la descom posición lipídica. La vía p a ra el consum o de com bustible m etabólico m uscular se encuentra resum ida en la Figura 13.15. M uchos de los pasos de la descom posición de com bustibles cam bian como resp u esta al nivel de actividad. E stas transiciones m etabólicas están o rq u estad as p o r horm o n as que actú an sobre el m úsculoesquelético y tejidos de alm acenam iento de com bustible. D urante la actividad constante, los m úsculos son prom iscuos en sus preferen cias de com bustible y utilizan el com bustible que h aya en abundancia. Los niveles de com bustibles m etabóli-
F igura 13.14.
La m ig ra c ió n d el salm ón .
Durante su estancia en el mar, el salm ón estim ula sus reservas de energía para prepararse para la m igración. Aquellos que desovan en los lím ites superiores del río Fraser en el oeste de Canadá utilizan los lípidos alm acenados antes de d ig e rir sus pro pios te jid o s para obtener energía. Durante la m igración el glucógeno se esparce, o se renueva y se reserva para el ejercicio de gran Intensidad que se necesita para el desove.
eos en la san g re se d eterm in an por el equilibrio de acciones de m uchas h o rm o n as diferentes, tales como insulina, glucagón, catecolam inas y glucocor ticosteroides. Cada h o rm o n a tiene efectos sobre los tejidos de alm acenam iento que influyen sobre la producción o liberación de com bustibles. E stas h o r m o n as tam b ién p u ed en alte ra r la capacidad de los m úsculos locom otores p a ra utilizar los com busti bles al alte ra r los niveles de los tra n sp o rta d o re s y las actividades de las enzim as m etabólicas. D urante actividad baja a m o d erad a, la glucosa p erm anece como u n com bustible m etabólico im portante. La descom posición del glucógeno es estim ulada en los m úsculos y el hígado. La insulina y el cortisol actú an ju n to s p a ra prom over la descom posición de glucógeno hepático y la exportación de glucosa a la sangre. La in sulina m ejora la tom a de glucosa por p arte del m úsculo al estim u lar el m ovim iento de los tra n sp o rta d o re s de glucosa desde las vesículas in tracelu lares al sarcolem a. M ientras que los depó
sitos de glucógeno en el hígado y los m úsculos p u e den m ovilizarse ráp id am en te, los com bustibles lípi dos se m ovilizan m ás lentam ente. Si los niveles de actividad son sostenidos, los com bustibles lípidos se vuelven cada vez m ás im portantes. La m oviliza ción de triglicéridos en el m úsculoesquelético y tejido adiposo está regida po r las lipasas. En el tejido adiposo, la lipasa sensible a las horm onas, está controlada por la corticotropina, la epinefrina, la norep inefrina y el glucagón. E stas horm onas actú an a través de cascadas de señalización de AMPc p a ra activar la p ro tein cin asa A, que fosforila la lipasa. El m úsculo tam bién posee actividad de lip asa sensible a las horm o n as p a ra activar la libe ració n de ácidos grasos directam ente en el m ú scu lo. Al utilizar horm o n as que actú an en el m úsculo locom otor y en los sitios de alm acenam iento extram uscular, los anim ales son capaces de controlar el flujo de los su stra to s m etabólicos a la m aq u in aria p ro d u cto ra de ATP.
590 SEG UN DA PARTE
Fig u ra 13.15.
Integrando sistem as fisiológicos
Los c o m b u s tib le s m e ta b ó lic o s y el e je r c ic io .
El ejercicio es alim entado por una com binación de carbohidratos y lípidos. Parte del carbohidrato se almacena dentro del m úscu lo en form a de glucógeno. Los m úsculos tam b ién utilizan la glucosa de la sangre, que surge de la digestión de las reservas de g lu cógeno en el hígado La fuente principal de lípidos para el ejercicio son los ácidos grasos que surgen de la descom posición de triglicéridos. El m úsculo posee abundantes reservas de trig lic é rid o s en form a de gotas de lípidos. La sangre tam bién sum inistra trig licé rid o s al m úsculo en form a de com ple jos de lipoproteínas.
Perfusión y sum inistro de oxígeno a los músculos D urante la locomoción, los m úsculos deben ser abastecidos con com bustibles y lim piados de pro ductos finales. Los índices m etabólicos m usculares de algunos anim ales son ta n bajos que la simple difusión es insuficiente p a ra a seg u ra r un m ovi m iento adecuado de m etabolitos y gases dentro y fuera del m úsculo. Por ejemplo, los nem atodos y los p latelm intos son capaces de o btener un a adecuada difusión de gas en el tegum ento y no necesitan siste m as circulatorios especializados. Los anim ales acti vos u san sistem as cardiovasculares p ara dar servicio a los m úsculos, retirando los productos fina
les m etabólicos y C 0 2 y sum inistrando 0 2, com busti bles y horm onas al m úsculo. Los insectos activos, tales como las abejas y las langostas, utilizan la tr á quea p a ra sum inistrar oxígeno directam ente a los m úsculos de vuelo, y un corazón m uscular p a ra em pujar la hem olinfa a través de sistem as circulato rios con el fin de p roporcionar com bustibles m eta bólicos. El m úsculoesquelético de los vertebrados está repleto de redes circulatorias m ucho m ás com plicadas. En esos m úsculos, las arterias se ram ifican en arteriolas sucesivam ente m ás pequeñas, que se dividen en capilares de p ared es delgadas. La perfu sión de los m úsculos depende de la estru ctu ra de las redes capilares y de la cantidad de sangre que llega a los capilares.
C A P ÍTU LO 13
Las redes capilares llevan oxígeno a las fibras musculares de los vertebrados El sum inistro de oxígeno a los m úsculos está contro lado por características estructurales, tales como la densidad capilar, y por parám etros funcionales, tales como el tono vascular y la afinidad con el oxígeno de la hemoglobina. Al actuar en combinación con los siste m as respiratorio y cardiovascular, el músculo controla cuánta sangre llega a los lechos capilares intram uscu lares y cuánto oxígeno es extraído de la sangre. Una vez que la sangre entra en los lechos vascula res del músculo, el oxígeno puede ser liberado de la hemoglobina. Recordemos del Capítulo 10 que el oxí geno es liberado cuando el Po 2 es reducido o cuando las condiciones fisicoquímicas alteran la afinidad con el oxígeno de la hemoglobina. La actividad m uscular influye sobre la extracción de oxígeno de la sangre en varias m aneras. El metabolismo aerobio consum e O,, reduciendo el Po2. Los cambios en el pH de los eritro citos o los niveles de los m etabolitos reguladores, tales como el difosfoglicerato (DPG) y nucleótidos, puede hacer que la hem oglobina libere oxígeno al músculo. Una vez que el 0 2 es liberado de la hemoglobina, el índice de difusión desde los eritrocitos a las mitocon drias m usculares depende de la pendiente del gra diente y de la distancia de difusión. La distancia de difusión se determ ina en gran m edida por geometría capilar. Las distancias de difusión son cortas en los m úsculos aerobios, que tienen diám etros pequeños y abundantes capilares. Las distancias de difusión son m ayores en los m úsculos glicolíticos, que son m ás grandes en tam año y poseen m enos capilares. August Krogh fue el prim ero en m odelar la geo m etría capilar como un cilindro dentro de un cilindro (Figura 13.16). El cilindro interior representa el capi lar que b rinda servicio a un volumen de músculo,
representado por el cilindro externo. Su modelo supuso que (1) cada capilar es el único sum inistro de oxígeno de un cilindro de tejido circundante, (2) el Po 2 en la pared del vaso es igual al del la sangre, (3) no hay una dism inución de Po, en un capilar, (4) el oxígeno se difunde radialm ente desde el capilar y (5) el consumo es uniforme en el tejido. Utilizando este modelo, cal culó la dinám ica de la difusión de oxígeno bajo varias geom etrías de miofibras y condiciones fisiológicas. Algunos de los supuestos del modelo de Krogh eran necesarios en esa época p ara simplificar los cálculos. En años recientes, se h a establecido que m uchos de los cinco supuestos no son siem pre váli dos. Modelos m ás recientes se construyen a p artir del modelo de Krogh pero tra ta n sus constantes como variables experim entales. El modelo de Krogh y las variaciones m ás recientes perm iten a los investiga dores predecir el sum inistro de oxígeno en relación con la geom etría de las fibras y al índice metabólico. A hora sabem os que los capilares se entretejen hacia adelante y hacia atrás en el m úsculo (Figura 13.17). El grado de entram ado, o tortuosidad, aum enta el tiem po de tránsito p ara los hem atocitos, perm itiendo periodos m ás prolongados p a ra que se descargue el oxígeno del glóbulo. Tam bién sabem os que los nive les de oxígeno pueden dism inuir a lo largo del capi lar, ocasionando que algunas regiones del músculo se vuelvan hipóxicas (Figura 13.18). A dem ás, una
F ig u ra 13.17.
F ig u ra 13.16.
M o d e lo de Krogh de p e rfu s ió n .
El m odelo de Krogh de difusión sugiere que cada capilar pue de proporcio nar el oxígeno adecuado para el volum e n de te ji do circundante, representado por un cilindro.
Locom oción 591
T o rtu o s id a d c a p ila r .
Las fibras de los m úsculos in dividuales se encuentran rodea das por redes de capilares que se entretejen hacia adelante y hacia atrás en la superficie de la m iofibra. La im agen que se muestra aquí es la estructura capilar del m úsculo de una rana. Los capilares se conservan m ientras que la preparación corroe el m úsculo. (Foto cortesía de N icholas Hudson y Craig Franklin, U niversidad de Queensland).
592 SEG UN DA PARTE
F ig u ra 13.18.
Integrando sistem as fisiológicos
La te n s ió n d e l o x íg e n o d is m in u y e con
lo n g itu d c a p ila r .
A lo la rgo del capilar, el nivel de oxígeno dism inuye. Esto re duce el volum e n del m úsculo que puede obtener el oxígeno adecuado. Algunas áreas se vuelven hipóxicas salvo que otro capilar esté lo suficientem ente cerca com o para proporcio nar oxígeno.
región de m úsculo puede ser abastecida po r m últi ples capilares así como p o r arteriolas m enores. La organización de los capilares y la regulación de la co m en te sanguínea son determ inantes im portantes de la capacidad del m úsculo p a ra em prender una actividad aerobia.
Los agentes vaso activo s regulan el d iá m e tro de los vasos sanguíneos M ientras c[ue los capilares su m inistran oxígeno a las células m usculares, las arteriolas controlan qué capi lares reciben sangre. Cuando un anim al está en reposo, no todos los capilares m usculares están perfundidos. Las arteriolas que alim entan los capilares sufren u n vasom ovim iento, al realizar ciclos regula res de constricción y dilatación. Cuando las condicio n es d em an d an u n aum ento de la corriente sanguínea al m úsculo, las arteriolas perm anecen abiertas d u ran te periodos m ás largos y aum enta la co m en te sanguínea total a los capilares en ese músculo. Como vimos en el Capítulo 9, los agentes vasoac tivos alteran la contractilidad del m úsculo liso que cubre las arteriolas y, p o r lo tanto, determ ina la p e r fusión a través de los capilares. Algunos agentes vasoactivos, tales como la insulina, son horm onas endocrinas producidas en sitios distantes y liberadas en la circulación. Otros factores neurohorm onales se producen localm ente, surgiendo de los nervios, m ús culo liso vascular, el endotelio o el m úsculo m ismo. Los productos finales del m etabolism o muscular, tales como pH, oxígeno y C02, tam bién ejercen efec tos sobre los lechos capilares. El diám etro arteriolar
está determ inado por un equilibrio entre los agentes de vasoconstricción y vasodilatación. A p esar de que nos centram os en los cam bios de la perfusión que surgen como respuesta a la actividad, la corriente sanguínea m uscular tam bién se altera como res puesta al estado de nutrientes. El m úsculo es un destructor im portante de glucosa después de una com ida alta en glucosa. La insulina produce aum en tos en la corriente sanguínea m uscular como parte de un m ecanism o p a ra m ejorar la tom a de glucosa m uscular y alm acenam iento de glucógeno. Los m úsculos tam bién alteran su perfusión al inducir las vías de angiogénesis, que llevan a la sínte sis de vasos sanguíneos adicionales. La angiogénesis se activa como respuesta a u n a hipoxia regional p er sistente que surge cuando las dem andas de oxígeno superan el sum inistro de oxígeno. Cuando las células endoteliales sufren hipoxia, aum entan los niveles del factor de inducción de hipoxia (HIF) proteico. Este factor de trascripción activa la liberación del factor de crecim iento endotelial vascular horm onal (VEGF) en las paredes de los vasos sanguíneos. Cuando los receptores en las células del m úsculo liso vascular se unen al VEGF, las células proliferan y penetran en el tejido circundante. El crecimiento de vasos sanguí neos en regiones hipóxicas aum enta la perfusión del m úsculo activo. La m ism a ru ta es utilizada p a ra aum en tar la perfusión de las regiones m usculares con vasos sanguíneos dañados o bloqueados.
La m io g lo b in a ayuda en el s u m in is tro y utilización del oxígeno Como vimos po r prim era vez en el Capítulo 10, la m ioglobina es u n a proteína hem o que se une al oxí geno de los m úsculos aerobios. El gen de la mioglo bina surge de form a tem p ran a en la evolución de los m etazoos y aparece en la m ayor p arte de los taxones de metazoos. La mioglobina tiene dos papeles im portantes dentro de las células m usculares: alm acenam iento de oxígeno intracelular y tran sp o rte de oxígeno. Muchos m úsculos utilizan mioglobina como un depósito de oxígeno. Cuando los niveles de oxígeno de los tejidos dism inuyen, la mioglobina libera su oxígeno p a ra ser utilizado po r las m itocondrias m usculares. Las con centraciones de mioglobina son altas en los músculos de anim ales que regularm ente sufren condiciones hipóxicas. Por ejemplo, los m am íferos m arinos, como las ballenas y las focas, se p re p a ra n p ara sum ergirse saturando de oxígeno los depósitos de m ioglobina. Durante la inm ersión, el oxígeno se
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libera de la m ioglobina p a ra soportar la actividad muscular. Una vez que el oxígeno cruza la m em brana celu lar m uscular, es enlazado rápidam ente por la mioglobina. Al reducir la concentración de oxígeno libre dentro de las células, la m ioglobina ayuda a m ante n er el gradiente de oxígeno necesario p a ra la difu sión de oxígeno. El oxígeno unido a u n a m olécula de m ioglobina puede ser transferido de la m ioglobina a otra m olécula p a ra facilitar la difusión de oxígeno a las m itocondrias. Debido a este papel de facilitar el sum inistro de oxígeno, la concentración de mioglo bin a m uscular a m enudo es paralela al contenido m itocondrial del músculo. La im portancia de la mioglobina p ara facilitar el sum inistro de oxígeno aún es polém ica. Los investi gadores que utilizan m odelos m atem áticos de movi m ientos m oleculares de m ioglobina sostienen que la difusión de oxígeno sólo m ejora en un pequeño por centaje. En un esfuerzo por explorar la im portancia de la m ioglobina en los m úsculos, los investigadores en la década de los noventa genom anipularon líneas de rato n es transgénicos con el gen de la m ioglobina desactivado. Sorprendentem ente, descubrieron que esos rato n es sin m ioglobina podían ejercitarse tan bien como los rato n es salvajes. Al principio, estos resultados parecieron estar en contra del papel de la m ioglobina en apoyo de la actividad muscular. E stu dios posteriores revelaron que los ratones sin m io globina p resen tab an g randes cam bios en la vascularización de los músculos. Sin mioglobina p ara facilitar el sum inistro de oxígeno, sus m úsculos se ad ap tab an aum entando la capilaridad muscular. Desde u n a perspectiva evolucionista, los anim ales producen m ioglobina p a ra reducir los gastos de construir y m an ten er la vascularización. Los peces del antártico son los que m ejor ilustran este in ter cam bio ya que carecen totalm ente de m ioglobina. La falta de m ioglobina es tolerada en esas especies debido a su bajo índice m etabólico y al alto contenido de oxígeno de las frías aguas polares. Esta caracterís tica h a surgido m uchas veces en taxones m uy distan tem ente relacionados y por diferentes m ecanism os. En algunas especies el gen de la m ioglobina no se transcribe, m ien tras que otras especies expresan el gen pero no trad u cen el mRNA en proteína.
Sistem as esqueléticos La contracción m uscular puede proporcionar la fuerza p a ra la locomoción, pero ésta requiere alguna
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form a de esqueleto p a ra m over las diversas form as de extrem idades. Im aginem os un m úsculo aislado que se contrae sobre un banco. Tiene la libertad de contraerse y relajarse, pero sin conexiones con alguna form a de esqueleto, la contracción m uscular se reduce a un cambio de form a. Previam ente en este capítulo tratam os cómo los invertebrados como los gusanos eran capaces de a rra stra rse utilizando m ú s culos que actúan sobre cám aras llenas de líquido que constituyen un esqueleto hidráulico. Sus músculos se contraen p a ra producir un cam bio en la distribución de líquidos p a ra m over el cuerpo. Los esqueletos hidráulicos tam bién son im portantes en otros an im a les. Algunas especies de ara ñ a s utilizan un esqueleto hidráulico como sustituto p a ra un grupo de m úsculos antagonistas. E xtienden sus p atas con u n a infusión de líquido hidráulico, funcionalm ente reem plazando a un grupo extensor de músculos. Un esqueleto sólido es im portante en la locom o ción de todos los cordados y m uchos invertebrados, tales como equinoderm os, artrópodos y moluscos. Los esqueletos externos de los invertebrados, o exoesq u eletos, pueden cubrir com pletam ente al ani m al, como en el caso de los insectos, o sólo parcialm ente, como en los moluscos. Los esqueletos internos, o en d oesq u eletos, son m ás com unes entre los vertebrados. Los endoesqueletos que se encuen tra n entre algunos grupos de invertebrados, tales como esponjas y equinoderm os, se utilizan p a ra p ro tección y soporte, no p a ra locomoción. Los endoes queletos de los vertebrados están com puestos de cartílago o hueso producido por células especializa das. Los esqueletos duros son centrales p a ra las estrategias locom otrices de los anim ales, ya que actúan como soporte estructural p a ra las extrem ida des, como dispositivos de alm acenam iento elásticos o como palancas biom ecánicas.
Los esqueletos duros están constituidos de secreciones celulares La m ayoría de las células secretan conjuntos de m acrom oléculas que conform an la m atriz extracelu lar. En los tejidos blandos, la m atriz extracelular es el pegam ento que m antiene unidas a las células. Los esqueletos se derivan de u n a m atriz extracelular especializada producida por células secretoras. Pue den estar constituidas de diversos m ateriales que varían en propiedades biofísicas tales como rigidez, flexibilidad, durabilidad y laxabilidad. La m ayoría de los invertebrados poseen una capa superficial externa que ayuda a proteger al ani
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m al del entorno. El exoesqueleto de los insectos, conocido como la cutícula, está com puesto por el car Cutícula bohidrato quitina, proteínas tales como esclerotina, m oléculas de agua y com puestos fenólicos. La cutí cula se produce a p artir de secreciones de u n a capa de células que está por debajo de la cutícula m ontada sobre la m em b ran a basal. E stas células hipodérm iCélula Unión de glandular miotendón cas secretan largas h eb ras de quitina que se incrus ta n en u n a m atriz proteica compleja. Después de que F ig u ra 13.19. C u tíc u la d e ! in s e c to . las secreciones de quitina y p roteínas se ensam blen, El exoesqueleto del insecto es una m atriz extracelular m o d i la cutícula incorpora com puestos fenólicos oxidados. ficada de células hipoderm ales subyacentes. Los m úsculos se encuentran sujetos al exoesqueleto por las uniones de los El paso final del ensam blaje del exoesqueleto, lla m iotendones. m ado esclerotización, hace m ás rígida la cutícula. Los m úsculos de los insectos están conectados al exo m ueven cuando se contraen los m úsculos de vuelo, esqueleto a través de uniones de m iotendones deform ando el tergum . Cuando se relaja, la tensión (Figura 13.19). Las células m usculares en la m uscu elástica alm acenada en el exoesqueleto ayuda a colo latu ra de vuelo en tran en contacto con células epite car las alas nuevam ente en posición (Figura 13.20). liales p a ra producir la cutícula. Los dos tipos de Los m úsculos directos se encuentran en insectos p ri célula se u n en entre sí a través de receptores de la mitivos, como los ortópteros (langostas), coleópteros m em b ran a celular, como las integrinas. A m edida (escarabajos) y odonatos (libélulas). Los insectos m ás que las conexiones celulares m aduran, la región derivados, como los dípteros (moscas) e him enópteform a la unión de m iotendón. ros (abejas), utilizan m úsculos de vuelo indirecto Las estrategias locom otrices son bastante com p a ra im pulsar el vuelo, a p esar de que em plean los plejas en los insectos y el exoesqueleto se utiliza de m uchas m an eras diferentes p a ra p e r m itir que estos anim ales salten, cam i n en y vuelen. Las alas de los insectos están com puestas de cutícula, a p esar de que tienen una com posición dife ren te que la cutícula del exoesque leto. Las p atas de los insectos son una serie de tubos huecos de exoesque leto. Los m úsculos internos actúan a través de las uniones p ara que la pata se doble. El vuelo de los insectos es (a) Músculos directos controlado por u n a serie de m úsculos torácicos de vuelo, ya sean directos, Músculo indirectos o am bos. Los m úsculos de contraído vuelo directos se sujetan m ediante ligam entos a la b ase del ala. La con tracción de u n grupo de m úsculos (elevadores) m ueve el ala hacia Músculo II ■ — f Músculo arrib a. La contracción de u n grupo de contraído \ H B / relajado m úsculos antagonistas (depresores) m ueve el ala hacia abajo. Los m úscu (b) Músculos indirectos los indirectos no se sujetan directa m ente al ala, sino que cam bian de Fig u ra 13.20. M ú s c u lo s de v u e lo d ire c to s e in d ire c to s . posición el ala al alterar la form a del Los m úsculos directos están sujetos a la base del ala, m ientras que los m úsculos exoesqueleto torácico. Tanto las alas indirectos se sujetan al tórax. Los insectos prim itiv o s , com o la langosta, poseen únicam ente m úsculos directos. Los insectos más avanzados, com o los califóridos, como los m úsculos de vuelo se suje utilizan los m úsculos in directos para potenciar el vuelo, a pesar de que los m úscu ta n a la región superior del tórax los directos pueden utilizarse para los finos m o vim ien tos de las alas necesarios conocido como el tergum . Las alas se para la m aniobrabilidad.
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m úsculos directos p a ra controlar los m ovimientos finos de las alas que perm iten la m aniobrabilidad.
Los esqueletos de los vertebrados están compuestos de calcio mineralizado La m ayoría de los vertebrados poseen endoesqueletos com puestos de com binaciones de hueso y cartí lago. Los esqueletos cartilaginosos se encuentran en peces antiguos, incluidos los agnatos (lam prea, mixino) y condrictios (tiburones, rayas). Los peces m ás recientes y todos los tetrápodos poseen esquele tos de hueso y cartílago. Los cam bios esqueléticos fueron esenciales cuando los prim eros vertebrados com enzaron la transición a la tierra. Sin el soporte del agua, los pri m eros anim ales terrestre s necesitaron esqueletos m ás fuertes y u n a m usculatura especializada p ara sostenerlos contra la fuerza de gravedad. Las aves y m urciélagos redujeron secundariam ente sus esque letos p a ra facilitar el vuelo. Las propiedades del endoesqueleto están controladas por los condrocitos, las células que producen cartílago, y los osteo b lastos, las células que producen hueso. Los condrocitos com ienzan en proceso de sínte sis de cartílago tem prano en el desarrollo em briona rio. Secretan p roteínas y proteoglucanos, como sulfato de condroitina, en el espacio extraceluiar. E stas m acrom oléculas conform an la m atriz extrace luiar de los condrocitos. Muchos condrocitos diferen tes com binan sus m atrices extracelulares p ara producir cartílago. La m ayoría de los huesos de los vertebrados com ienzan como cartílago. A m edida que el anim al crece y m ad u ra, el cartílago se descom pone y es reem plazado por hueso. Los anim ales m aduros m antienen cartílago en algunos lugares del interior del esqueleto, la m ayor p arte cerca de los extrem os de los huesos largos donde el cartílago blando ayuda a m ejorar el rendim iento de las articu laciones. El hueso m aduro es u n tejido vivo, que constante m ente sufre rem odelaciones. El hueso en sí mismo es u n grupo de múltiples células, secreciones celulares y sales m inerales, todos rodeados por im a vaina fibrosa llam ada periostio. Los osteoclastos secretan enzim as hidrolíticas p ara crear túneles en el hueso o cartílago (Figura 13.21). Estos túneles perm iten que los vasos sanguíneos p enetren en la m atriz extraceluiar. Cuando los osteoblastos invaden el túnel, secretan fibras de colágeno que acabarán sirviendo como m arco p a ra el hueso. Estas fibras de colágeno ayudan a organizar la sedim entación de m inerales, principal-
F ig u ra 13.21.
B a se c e lu la r d e l hueso.
El hueso está com puesto por una matriz osificada extraceluiar de células productoras de hueso: osteoblastos y osteocitos. Los osteoclastos segregan enzimas digestivas que descom ponen el hueso. Esto perm ite a la vascularización y a los os teoblastos in vadir el hueso. Los osteoblastos segregan su m atriz extraceluiar. G radualm ente, el nuevo hueso se osifica.
m ente ap atita de fosfato de calcio, com enzando el pro ceso de osificación. Una vez que el osteoblasto está rodeado por una m atriz extraceluiar osificada, no puede dividirse m ás y se llam a osteocito. A lo largo de la vida del anim al, los osteoclastos continúan digi riendo las regiones del hueso, creando túneles que son reparados por los osteoblastos. Esta capacidad de rem odelación continua form a parte del proceso de crecimiento y reparación de los huesos. Al regular el crecimiento óseo y la osificación, los anim ales pueden controlar las propiedades físicas del hueso, tales como dim ensiones y densidad. Por ejemplo, estas células construyen los huesos livianos que requieren los an i m ales voladores, así como los huesos m ás pesados de los grandes m am íferos terrestres herbívoros. Los ligam entos y tendones m antienen unido el sistem a m usculoesquelético. Los ligam en tos unen los huesos unos con otros. Son un tipo de tejido con juntivo producido cuando los fibroblastos situados cerca de los extrem os de los huesos secretan largas fibras paralelas de colágeno unidas a proteoglucano. Los ten d o n es sujetan los m úsculos al esqueleto. E stán com puestos de tejido conjuntivo sim ilar en estructura a los ligam entos. En el extrem o del te n dón, el tejido conjimtivo se une al hueso. En el otro extrem o, el tendón se une en varios puntos a lo largo del vientre del músculo. Los tendones conectan am bos extrem os de los m úsculos a los huesos. Los ligam entos y tendones tienen im portantes papeles en la locomoción. Interconectan los diferen tes elem entos del sistem a musculoesquelético. Asegu-
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ra n que los m úsculos estén correctam ente ubicados y estirados a la longitud de sarcóm ero apropiada. Tam bién ayudan a transm itir fuerzas entre elem entos músculoesqueléticos.
Los componentes esqueléticos actúan como palancas mecánicas Los huesos largos individuales en los apéndices loco m otores de los vertebrados se encuentran y articulan en las articulaciones. Las articulaciones a m enudo están b añ ad as de líquido sinovial p a ra reducir el grado de fricción entre dos huesos que se oponen. Las articulaciones difieren en estructura en for m as que determ inan el rango de movimiento. Por ejemplo, la cad era y el hom bro son articulaciones de enartrosis: el extrem o de u n hueso es redondeado o convexo y el hueso opuesto es cóncavo. E stas articu laciones proporcionan el rango m ás grande de movi m iento. La rodilla y el codo son articulaciones de gínglimo y perm iten el movim iento en un solo plano. Los m úsculos trab ajan en com binación con los huesos p a ra crear palancas. Cuando se contrae un m úsculo suelto, tira de su extrem o hacia su m itad p a ra g en erar u n movim iento de com presión lineal. Cuando el m úsculo está sujeto a un hueso, la geom e tría del hueso y la posición de la articulación lim itan el rango n atu ral de movim iento del músculo. El m ús culo que se contrae tira del hueso haciendo que gire p o r u n arco. Este m ovim iento perm ite que el hueso sea utilizado como u n a palanca. Todas las palancas m ecánicas o biom ecánicas tienen tres elementos: un fulcro, un peso y u n a fuerza. El fulcro es el punto de rotación, que en el contexto de la locomoción es la articulación. El peso es la fuerza ejercida po r el objeto a mover. La fuerza se genera por la contrac ción muscular. Si se dobla el brazo p a ra levantar una roca, el fulcro es el codo, la roca es el peso y el m ús culo bíceps g en era la fuerza. La m ecánica de la acción de palanca depende de la posición relativa de los tres elem entos, así como de las distancias entre los elem entos. La región entre la fuerza y el fulcro es el brazo de fuerza. En el ejemplo del brazo, el brazo de fuerza es la distancia entre el codo y el punto de inserción del m úsculo bíceps. La región entre el fulcro y el peso es el brazo de peso. La ventaja m ecánica (MA) de u n a palanca se expresa como la relación de las longitudes del brazo de fuerza (Lfa) y del brazo de peso (¿WA). Las palancas se distinguen según la posición rela tiva de los tres elementos (Figura 13.22). Una barreta es u n ejemplo de una palanca de clase I. La palanca es
(a) Palanca de clase
^-wa ¿-FA
(b) Palanca de clase II
O ...........
FA
(c) Palanca de clase III F ig u ra 13.22.
P a la n c a s .
Se distinguen tres clases de palancas por las posiciones rela tiva s de tres elem entos: el fulcro, el peso a le vantar y el punto en el que se aplica la fuerza. La parte de la palanca entre el fu l cro y el peso es el brazo de peso. El brazo de fuerza es la parte de la palanca entre el fu lc ro y el punto en el que se aplica la fuerza. La relación entre el brazo de fuerza (/.FA) y el brazo para el peso (/^,A) es la ventaja mecánica.
larga (IFA larga) y el fulcro está cerca del peso (IWA corta). Por lo tanto, este tipo de palanca tienen una ven taja m ecánica im portante: una m ínim a cantidad de fuerza puede utilizarse p ara levantar un peso grande. Una carretilla es un ejemplo de una palanca de clase II. El peso está entre el fulcro y la fuerza. Podemos levan tar bastante peso utilizando una carretilla, pero una palanca de clase II no tiene una ventaja mecánica tan grande como una palanca clase I. La m ayoría de las palancas en la locomoción anim al son palancas de clase III. En el ejemplo del brazo, el bíceps (fuerza) se inserta entre el codo (fulcro) y la m ano (peso). A dife rencia de otros tipos de palanca, una palanca de clase III no tiene ventaja m ecánica porque la LFAes siempre m enor que la I WA. Como consecuencia, las palancas de clase III son las m enos efectivas en traducir la fuerza
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m uscular en acción de palanca. Estas palancas son valiosas no por una ventaja m ecánica, sino debido a que pueden aum entar el rango y velocidad del movi miento. Una cantidad m oderada de fuerza ejercida a corta distancia desde cerca del fulcro hace que el extremo móvil de la palanca se mueva rápidam ente por una distancia mayor. En térm inos del brazo, cuando el bíceps se acorta aproxim adam ente sólo 2 cm, hace que la m ano rote a lo largo de u n arco de 50 cm.
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La posición de la inserción del músculo en el hueso, con respecto a la articulación, tiene repercusio nes biomecánicas im portantes. Las longitudes relati vas del brazo de fuerza y del brazo de peso determ inan la eficacia con que la fuerza m uscular puede traducirse en acción de palanca y movimiento. La im portancia de estas relaciones se com prende m ejor al considerar la m orfom etría de las patas de los anim ales especializa dos p ara diferentes estilos de vida. Un guepardo está concebido p ara la velocidad, m ientras que el león es m ás lento pero m ás fuerte. Cuando las patas delanteras son llevadas a una escala similar, las diferencias en m orfom etría de las patas son m ás obvias (Figura 13.23). El teres m ayor es el músculo que tira la p ata delantera hacia atrás, un movi miento que se utiliza al correr y en la captura de presas. El teres m ayor sujeta m ás longitud desde la articula ción del hom bro en un guepardo que en un león. Como resultado de esas diferencias en ventajas mecánicas, el guepardo puede mover su pata delan tera m ás rápido, m ientras que el león m ueve su pata delantera con m ás fuerza.
Los esqueletos pueden almacenar energía elástica
(a) Hombro (fulcro)
Hombro (fulcro)
(b) Figura 13.23.
P o s ic ió n m u s c u la r d el hueso.
La geom etría de los m úsculos y los huesos determ ina la relación entre la fuerza generada por el m úsculo y el tip o de m o v im ie n to resultante, (a) En la pata delan tera del guepardo el m úsculo se inserta más cerca de la articulación que en la pata del león, cuando es llevado a la m ism a escala, (b) Al m odelarse com o una palan ca, la pata delantera del guepardo puede m overse más rápido, a través de un arco más largo, pero la pata del león puede generar m o vim ie n to s más fuertes.
Otra form a en que los anim ales utili zan el esqueleto en movim iento es a través del alm acen am ien to de en erg ía elástica. Cuando el m ús culo se contrae, p arte de la fuerza utilizada p a ra estirar el tejido con juntivo y doblar los huesos es alm a cenada como depósito de energía elástica. Cuando el m úsculo se relaja, la energía puede liberarse p a ra ayu d ar al m úsculo a que se estire. Los vertebrados se benefician del alm a cenam iento de energía elástica en la locomoción, a p esar de que algunos anim ales se benefician m ás que otros. El canguro, del que ya h ab la m os en el Capítulo 2, utiliza el alm a cenam iento de energía elástica p ara m ejorar la eficacia de locomoción. Cuando el em pieza a saltar por p ri m era vez, los m úsculos extensores
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son utilizados p ara levantar al anim al del suelo. Cuando aterriza, algo de la fuerza se utiliza p a ra dis ten d er el m úsculo y el tejido conjuntivo, creando un alm acenam iento de energía elástica a corto plazo. D espués del retroceso, estos elem entos elásticos g en eran fuerza que puede aplicarse en el próximo salto. Más adelante en este capítulo tratarem os cómo los anim ales utilizan los m úsculos de la espalda como alm acenam iento de energía elástica cuando corren. La im portancia del alm acenam iento de energía elástica es m ucho m ás obvia en la locomoción de los artrópodos, especialm ente p a ra saltar y volar. En algunos casos, las estru ctu ras elásticas reem plazan funcionalm ente a los m úsculos antagonistas. Por ejemplo, m uchas ara ñ a s p resen tan articulaciones en las patas que carecen de m úsculos extensores. Unas porciones de las placas exoesqueléticas llam adas escleritos ab arcan la articulación (Figura 13.24). La contracción m uscular deform a los escleritos durante la flexión. Cuando el m úsculo se relaja, los escleritos retroceden p a ra extender la pata. Esas estru ctu ras elásticas fueron u n a im portante innovación evolutiva en los artrópodos. La m ayoría de los invertebrados se m ueven con la ayuda de esqueletos hidráulicos. Como se h a indicado an te riorm ente en este capítulo, m uchas arañ as actuales utilizan m ovim ientos de líquido y presión hidráulica p a ra ay u d ar a la extensión de las patas, aum entando el alm acenam iento de energía elástica. Sin em bargo, u n a estrategia que depende de la presión hidráulica p a ra la locomoción tiene varias lim itaciones p a ra los anim ales que se m ueven rápido. La m asa de estruc tu ras elásticas es peq u eñ a en relación con la m asa de líquido hidráulico que sería necesaria p a ra extender las patas. Por lo tanto, si las patas dependen de estru ctu ras elásticas, pueden ser m ás pequeñas, lo que ah o rra energía a u n anim al que se m ueve. Tam bién al anim al le cuesta energía m etabólica em pujar los líquidos hidráulicos hacia la pata. Utilizar un líquido extracelular p a ra g en erar presión hidráulica tam bién puede com prom eter la difusión de m etaboli tos y gases resp irato rio s en el sistem a circulatorio. Por lo tanto, las estructuras que dependen del alm a cenam iento de energía elástica perm iten a los a rtró podos eludir algunas de las restricciones im puestas p o r los esqueletos hidráulicos. En este apartado, hem os explicado cómo los sis tem as locom otores son los productos de la com bina ción de músculo, m etabolism o, perfusión y el esqueleto. La in terdependencia del sistem a es quizás m ás claram ente d em ostrada por aquellas especies que se m ueven de form a que son m arcadam ente
endereza la pata (a) Heterometrus (araña de la selva asiática)
(b) Eremopus (araña solífuga) Figura 13.24.
Patas de la s arañas.
La extensión de las patas en las arañas se produce por varios m ecanismos. A lguno s utilizan los m ovim ien tos de los líqui dos hidráulicos para extender la pata (no mostrados). Más co m únm ente, las arañas utilizan (a) los m úsculos extensores o (b) las estructuras de alm acenam iento elástico que extienden la articulación de la pata. Cuando las articulaciones están flexionadas, el esclerito elástico se deform a. Cuando el m úsculo se relaja, el esclerito retrocede para extender la pata hacia adelante. (Fuente: Sensenig y Schultz, 2003).
diferentes a sus parientes cercanos. Los investigado res se in teresan po r los anim ales que corren, vuelan o n ad a n m ás rápido que todos los dem ás. En la p re sentación anexa (Caja 13.1) exploram os la fisiología de estos anim ales atletas p a ra com prender la n a tu ra leza de las especializaciones anatóm icas complejas que perm iten que estos anim ales se m uevan m ás rápido que sus parientes.
Traducir la contracción en m ovim iento La función m uscular en la locomoción anim al varía enorm em ente y todos los niveles de organización bio lógica contribuyen a esta diversidad. Recordemos del Capítulo 6 las m uchas m aneras en que estas variado-
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nes de las propiedades m oleculares y celulares de los m úsculos estriados contribuyen a la diversidad m us cular: propiedades de las neuronas motoras, frecuen cia de contracción, organización de la placa m otora term inal, túbulos T y propagación de potenciales de acción, estructura de retículo sarcoplasm ático, am orti guadores de Ca2+, isomorfos poteicos de filamentos delgados y gruesos, disposición de las miofibras en un músculo y propiedades m ateriales del tejido conjun tivo y el esqueleto. Cada uno de estos factores afecta a la dinám ica del músculo, pero tam bién debem os con siderar cómo los músculos están integrados en la an a tom ía del anim al completo, y cómo esto afecta a la conversión de la contracción m uscular en movimiento.
Los m úscu lo s están especializados para ge ne rar fuerza o energía En un anim al complejo, los músculos locomotores sir ven p ara varios propósitos. Consideremos dos m ús culos alternativos de igual m asa que difieren en su form a. Un músculo es corto y grueso y el otro es largo y delgado. El músculo corto y grueso tiene sus sarcó m eros dispuestos en paralelo m ientras que el otro tiene sus sarcóm eros dispuestos en serie. Debido a su área de sección tran sv ersal mayor, el músculo m ás grueso puede g en erar una gran cantidad de fuerza con u n acortam iento relativam ente pequeño. Recor dem os del Capítulo 6 que este tipo de contracción es u n a contracción isom étrica. El músculo largo y del gado no puede g en erar ta n ta fuerza pero es capaz de sufrir cam bios m ás grandes en longitud, lo que pro duce u n a contracción isotónica mayor. A hora im aginem os cómo esos m úsculos diferen tes pueden disponerse en un esqueleto p a ra conducir diferentes tipos de movim iento. El m úsculo corto y grueso puede utilizarse en com binación con una palanca. Cambios pequeños en la longitud m uscular pueden ser am plificados por la palanca p a ra inducir u n arco de movim iento m ás amplio. El m úsculo nece sitaría g en erar u n a g ran cantidad de fuerza p a ra com pensar las ventajas m ecánicas negativas asocia das con u n a palanca de clase III. Por el contrario, el m úsculo largo y delgado sería capaz de m axim izar cam bios de longitud. El cambio rápido de longitud actúa en com binación con la fuerza p a ra producir en erg ía m ecánica. En térm inos m atem áticos, la energía m ecánica (P) se calcula como P = F XV donde F es la fuerza y V es la velocidad de acorta m iento.
Locom oción 599
Un anim al puede alterar la generación de en e r gía de un m úsculo cam biando ya sea la generación de fuerza o la velocidad de acortam iento. Considere m os el siguiente ejemplo p a ra com prender los in ter cam bios entre estos p arám etros y cómo afectan a la energía. Se puede tira r un balón contrayendo el m ús culo tríceps en la p arte posterior del brazo. La fuerza puede m axim izarse al in ten tar tira r un a pelota extre m adam ente pesada. El brazo puede g en erar una gran cantidad de fuerza pero la pelota es ta n pesada que el brazo no puede m overse (acortar el tríceps). Por poner otro ejemplo, se puede m axim izar la velo cidad del acortam iento. La m an era de m over el brazo m ás rápidam ente es elegir un balón extrem ada m ente liviano. Cualquier fuerza desviada p a ra m over el balón com prom etería la velocidad de acorta m iento. N inguna de estas situaciones genera una energía significativa debido a que en cada situación uno de los parám etros, fuerza o velocidad de acorta m iento, se acerca a cero. La energía es m ayor a una velocidad interm edia (Figura 13.25). La m ayoría de los m úsculos generan la energía m áxim a cuando la velocidad de contracción es el 40-50% de la m ayor velocidad de acortam iento.
Figura 13.25. Potencia frente a velocidad de acortam iento. La capacidad del m úsculo para generar la energía depende de la fuerza generada por el m úsculo y la velocidad a la que el m úsculo se acorta {aquí, distancia por segundo). La potencia se acerca a cero cuando la velocidad de acortam iento { V) es m ínim a o m áxim a, l/e s m uy baja cuando el m úsculo se en cuentra excesivam ente cargado y no puede acortarse, l/es m áxim a cuando no hay ninguna carga. Sin carga, toda la energía liberada en el ciclo de puente cruzado es utilizada para acortar el m úsculo y no se genera ninguna fuerza. La energía está al m áxim o cuando el m úsculo se carga de m ane ra que su contracción más rápida es aproxim adam ente la m i tad de su velocidad m áxim a.
600 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 13.1 Sistem as de métodos y modelos A nim ales atletas Una de las tesis básicas de la fisiología ani mal com parativa es el principio de August Krogh: Para cada problem a biológico existe un organism o sobre el cual puede ser estudiado más adecuadam ente. En este capítulo, tratam os varios m odelos con propiedades que conducen a la experim entación, tales com o las fibras m usculares de los peces con sus tipos de fibras hom ogé neas y los m úsculo de salto de las ranas. Cuando se estudia fisiología lo com otriz integradora, los animales atletas son m odelos útiles para estudiar los lím ites de la actividad aero bia. Cada taxón animal tiene algunas especies que repre sentan algún aspecto de rendim iento lo com o tor aerobio. Los abejorros y colibríes baten sus alas a frecuencias excepcionalm ente altas, lo que les perm ite realizar un
Figura B.
Tiburón peregrino.
vuelo cernido. Los caballos pura sangre y el berrendo corren más rápido que la mayoría de los animales terres tres. Los atunes y los tiburones peregrinos (Figuras A y B)
La form a corporal es m uy im portante para los animales
nadan más rápido que otros peces. Para exam inar las
acuáticos. El cuerpo hidrodinám ico y fusiform e del atún
características fisiológicas que acompañan al rendim iento
está construido para m overse eficazm ente en el agua.
locom otriz aerobio excepcional, considerarem os la fisiolo
M uchos otros peces tienen una form a hidrodinámica gene
gía del atún.
ral, pero el atún es lo más cercano a una perfecta lágrima que cualquier otro pez. La form a de la aleta caudal tam bién es inusual, con su pedúnculo caudal estrecho y aleta caudal delgada y lunifom e. Los atunes tam bién m uestran un estilo de nado fuera de lo com ún. Incluso a altas velocidades hay poco m ovim iento del tronco. La aleta caudal apenas se dobla adelante y atrás en el pedúnculo caudal. A pesar de que el tronco no se m ueve durante el nado, los m úsculo del tronco entero contribuyen a forzar generación para la aleta caudal. La fuerza se transfiere del m úsculo a la aleta caudal a través de los m iotabiques, la piel y los tendones. El m úsculo rojo del atún es poco com ún en dos aspectos im portantes que influyen sobre la generación de fuerza. La mayoría de las especies de peces tienen una cuña de mús culo rojo que se dispone a lo largo del pez, ju sto debajo de la línea lateral. Sin embargo, el m úsculo rojo del atún no está
Figura A.
Atún.
La energía m ecánica es el parám etro m ás im por tan te en la m ayoría de las form as de locomoción. Los anim ales aplican la energía g enerada po r un m ús culo en el entorno p a ra g en erar movimiento. El brazo arro ja u n a pelota transfiriendo la energía generada por la contracción a un movimiento hacia adelante de dicha pelota. La energía que se genera con u n a contracción de una p iern a perm ite saltar. La contracción debe ser fuerte y ráp id a o no se levan
distribuido de manera hom ogénea sino que se encuentra
ta rá del suelo. Muchos músculos se construyen, dis ponen y utilizan p a ra m axim izar la salida de energía.
Los bucles de tra b a jo m uestran el e q u ilib rio entre el tra b a jo p o sitivo y el tra b a jo ne ga tivo La energía tam bién puede expresarse en relación con el trabajo (W). Recuérdese que P = F x V. Ya que
C A P ÍTU LO 13
concentrado a m itad del cam ino a lo largo del pez. También
Locom oción 601
agrupadas que en otras especies. Por lo tanto, las enzimas
se encuentra m uy en el interior cuerpo, cerca de la columna.
m itocondriales necesarias para la producción de energía se
En este capítulo vim os com o la ubicación superficial del
producen en altas actividades. La capacidad mitocondrial
m úsculo rojo de los peces es ideal para forzar la generación.
alta es característica de todos los animales atletas, que
En esta posición, tiene la palanca para doblar la pared corpo
pueden poseer una densidad del volum en m itocondrial y
ral. Entonces, ¿cómo impulsa el m úsculo rojo profundo del
densidad de agrupación de las crestas excepcionales. Los
atún su nado de alta velocidad? Estudios recientes han
atunes tam bién son diferentes a la mayoría de los peces en
m ostrado que el centro del m úsculo rojo profundo es capaz
su fisiología térm ica. Estos peces son endoterm os regiona
de acortarse más que el m úsculo blanco que lo rodea. Los
les; son capaces de retener el calor m uscular en el centro
tendones del m úsculo rojo se conectan directam ente con la
del cuerpo. Estas tem peraturas elevadas aum entan la ciné
aleta caudal, lo que perm ite una generación de fuerza más
tica de las contracciones y del m etabolism o energético. La
eficaz. Debido a estos tendones eficaces, el m úsculo rojo
fisiología térm ica de los atunes se trata con más detalle en
anterior puede realizar contribuciones im portantes a la
el Capítulo 14.
potencia de los m ovim ientos de la cola, incluso si la parte anterior del pez no se dobla durante el nado.
Los atunes son sorprendentes animales que han brin dado inform ación im portante sobre las restricciones estruc
El atún cum ple con las dem andas energéticas del nado
turales y fisiológicas de la actividad locomotriz. Los orígenes
rápido con especializaciones de los sistem as respiratorio,
evolutivos y de desarrollo de estas especializaciones aún
cardiovascular y locom otor. Las branquias tienen una gran
deben ser explorados. Curiosam ente, los tiburones peregri
área superficial y los epitelios branquiales delgados, carac
nos, que incluyen el marrajo y los grandes tiburones blan
terísticas estructurales que m ejoran el índice de intercam
cos, m uestran grandes sim ilitudes con los atunes. Ya que
bio de oxígeno. La sangre tiene una alta capacidad para
estas especies están sólo relacionadas de form a lejana, las
transportar oxígeno, debido a un hem atocrito más alto y
notables sim ilitudes entre los atunes y los tiburones pere
m ayores concentraciones de hem oglobina. Los atunes tie
grinos son ejem plos de evolución convergente.
nen una circulación coronaria extensa que sum inistra san gre arterial oxigenada al corazón, al contrario que la mayoría de los corazones de los peces, que deben extraer oxígeno
R eferencias
de la sangre venosa que pasa a través de la cámara car
• Altringham, J. D., and B. A. Block. 1997. Why do tuna maintain ele vated slow muscle temperatures? Power output of muscle isolated from endothermic and ectothermic fish. Journal o f E xperim ental Bio lo g y 200:2617-2627.
diaca. La densidad capilar del m úsculo rojo puede ser hasta cuatro veces m ayor que en otros peces. El contenido de m ioglobina m uscular tam bién es alto en los atunes. Cada una de estas características parece m ejorar la capacidad del pez para extraer oxígeno del agua y sum inistrarlo a las m itocondrias del m úsculo en activo. El m úsculo en sí m ism o tiene una alta capacidad aerobia. A pesar de que el contenido m itocondrial es sim ilar al de otras especies (aproxim adam ente el 35% del volum en celular), las crestas m itocondriales están dos o tres veces más densam ente
V es igual a la distancia (D) po r unidad de tiem po (t), entonces P = F X D /t El trab ajo (W) es el producto de la fuerza (F) y la distan cia (D). Si ex presam os la fuerza en térm inos de trab ajo , obtenem os que F = W/D. Por lo tanto, la en erg ía tam b ién pu ed e ex p resa rse como trabajo
• Bernal, D., K. A. Dickson, R. E. Shadwick, and J. B. Graham. 2001. Analysis of the evolutionary convergence for high performance swimming in lamnid sharks and tunas. C om parative B ioch e m istry a n d Physiology, P art A : M ole cu la r a nd Integrative P hysiology 129: 695-726. • Donley, J. M., C. A. Sepulveda, P. Konstantinidis, S. Gemballa, and R. E. Shadwick. 2004. Convergent evolution in mechanical design of lamnid sharks and tunas. N ature 429: 61-65.
p o r unid ad de tiem po (P = W /t). E sta nueva dispo sición tam b ién pone de relieve la diferencia im p o rta n te en tre trab ajo y energía. Se req u iere ap roxim adam ente la m ism a cantidad de trabajo p a ra lev an tar u n objeto despacio o rápido. Por lo tanto, las dem an d as de en erg ía m etabólica son sim ilares. Sin em bargo, se necesita m ucha m ás energía p a ra lev an tar el m ism o peso en u n periodo de tiem po m ás corto.
602 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Los investigadores pueden calcular la cantidad de trabajo realizado por u n m úsculo al m edir la fuerza y la longitud d u ran te los ciclos de contracción y relajación. El experim ento com ienza cuando el músculo está en su longitud m áxim a, donde genera la fuerza m áxim a (Figura 13.26). Cuando se contrae, el m úsculo se acorta y la fuerza dism inuye h asta que el m úsculo alcanza su longitud m enor. El áre a debajo de esta curva descendente refleja el trabajo realizado por el m úsculo d u ran te la contracción y se denom ina trabajo positivo. D urante la relajación, el m úsculo se alarga. A p esar de que el m úsculo alargado aún puede ejercer algo de fuerza, suele ser m enor que la fuerza ejercida en la m ism a longitud del mism o m ús culo d u ran te la contracción. El área debajo de la curva ascendente es el trabajo negativo. El trabajo neto realizado por el m úsculo es la diferencia entre el trabajo positivo y el trabajo negativo. Gráficamente, se refleja en el área entre las dos curvas, conocida como bu cle de trabajo. En la m ayoría de los casos, la curva descendente (durante la contracción) se encuentra p o r encim a de la curva ascendente (durante la relajación). Si se siguen las coordenadas de la fuerza y la longitud alrededor del gráfico durante dicho experim ento, se m overá alrededor del bucle de trabajo en dirección de izquierda a derecha. Esto significa que el ciclo de contracción y relajación g enera u n trabajo positivo neto. No todas las m iofibras generan trabajo positivo. Los músculos isom étricos no cam bian de longitud, no generan energía y, por lo tanto, no realizan trabajo neto durante la contracción. Tam bién es posible tener una situación donde u n músculo no cam bia de longi tud pero produce trabajo negativo neto. Se realiza m ás trabajo durante la relajación que durante la con tracción, o, en otras palabras, el músculo en realidad absorbe energía durante la contracción. Estos m úscu los no están actuando como generadores de energía sino m ás bien como am ortiguadores. De form a expe rim ental, un músculo que actúa como am ortiguador m uestra el bucle de trabajo que funciona de derecha a izquierda, lo que significa trabajo negativo neto. No hay n ad a inusual sobre las propiedades celulares del músculo que produce esta relación. Al contrario, el trabajo negativo neto surge debido a la m an era en que el músculo está dispuesto en el sistem a m usculo esquelético y a la natu raleza de la relación anatóm ica con otros m úsculos durante el m ovimiento. Si, por ejemplo, las fuerzas externas hacen que un músculo se com prim a en el m om ento en que se contrae, el músculo genera m ucha m enos fuerza de la que puede. Muchos de los m úsculos que controlan los
Longitud relativa Figura 13.26.
Bucles de trabajo.
La representación del bucle de trab ajo se genera cuando la fuerza y la lo ngitud de un m úsculo se controlan durante un c i clo de contracción y relajación. El m úsculo está en su lo n g i tu d m ayor antes de la contracción. La fuerza m áxim a se genera cuando se Inicia la contracción. A m edida que el m ús culo se acorta, la fuerza dism inuye a un m ínim o. El área deba jo de la curva descendente que m uestra la fuerza frente a la lo ngitud, refleja el trab ajo positivo realizado por el m úsculo. Una curva ascendente se produce cuando la fuerza y la lo n g i tud son controladas durante la relajación. El área bajo esta curva es el trab ajo negativo. La diferencia entre el trab ajo po sitivo y el negativo es el trab ajo neto, descrito por el área den tro del bucle. La dirección del bucle refleja si se realizó un trab ajo positivo neto (de Izquierda a derecha) o un trab ajo ne gativo neto (de derecha a Izquierda).
finos m ovim ientos de los insectos voladores producen fuerza negativa neta. Ejercen sus efectos al utilizar la contracción p ara cam biar sus propiedades m ecáni cas, alterando el m odo en que otros músculos y el exoesqueleto afectan al sistem a de vuelo.
I M overse en el medio El sistem a musculoesquelético perm ite a un anim al generar la fuerza p ara mover su cuerpo y apéndices. Que esta actividad se traduzca en locomoción o no depende de cómo el anim al interactúa con el entorno físico. Los dos factores am bientales dominantes que influyen sobre la locomoción son la gravedad y las pro piedades de los líquidos. En la siguiente sección trata rem os de las restricciones a la locomoción anim al en térm inos de estos factores ambientales. Utilizamos este enfoque en lugar de describir la locomoción en térm i
C A P ÍTU LO 13
nos de estilos de movimiento, tales como nadar, saltar, correr, cam inar y volar. La fisiología de la locomoción tiene m ucho que ver m ás con el entorno físico que con el patrón de movimiento de los apéndices. Por ejemplo, las moscas, ran as y canguros saltan, pero las fuerzas que rigen su movimiento son completamente diferente debido a su tam año y los efectos de la gravedad. A la inversa, la biomecánica de nadar y volar son bastantes similares. Tanto el aire como el agua son fluidos y obe decen a las m ism as leyes de la dinámica de los fluidos. Los sistem as locomotores perm iten a los animales moverse de u n lugar a otro, superando las constriccio nes físicas im puestas por el entorno.
Gravedad y flotabilidad La gravedad es el elemento del entorno físico que tiene las m ayores consecuencias sobre las estrategias de locomoción. Ningún anim al puede escapar a la grave dad, pero algunos se encuentran m enos afectados por ella que otros. La gravedad ejerce sus m ayores efectos sobre los anim ales terrestres, que utilizan sus m úscu los p ara resolver los problem as biomecánicos relacio nados con sus movimientos en la tierra bajo el peso completo de la gravedad. La gravedad tiene mucho m enos efecto sobre un anim al que posee im a densidad corporal que se acerca a la del entorno. Los animales acuáticos pueden reducir los efectos de la gravedad m anipulando su composición corporal.
La co m p o sició n c o rp o ra l in fluye sobre la densidad boyante Un objeto que se sum erge en el agua tiende a flotar si es m enos denso que ésta. La tendencia a flotar es la flotabilidad, una fuerza ascensional que contrarresta el efecto de la gravedad. La densidad corporal está determ inada por la composición del cuerpo. Cada com ponente posee u n a densidad característica, m edida como gravedad específica (Tabla 13.1). El agua es la molécula m ás abundante en muchos anim ales, y por lo tanto la densidad corporal generalm ente se acerca a la densidad del agua. Los huesos y los cartíla gos poseen la densidad m ás alta en los anim ales. Las proteínas son levem ente m ás densas que el agua, m ientras que los lípidos son ligeram ente m enos den sos que el agua. Los gases poseen la m enor densidad. Una visita a la piscina local m ás cercana revela cómo la composición del cuerpo influye sobre los efec tos de la gravedad. Los que se hunden se quejan de que n ad ar es cansado debido a que pierden considerable
Tabla 1 3 .1 .
Locom oción 603
D e n s id a d e s p e c ífic a de los b io m a te ria le s .
Su stan cia biológica
Gravedad e sp ecífica (g/m l)
Hueso
3
Cartílago
2
Proteína
1,6
Agua de mar
1,024
Agua pura
1,0
Triglicéridos
0,90
Escualeno
0,86
Oxígeno
0,00143
energía sólo p ara m antenerse a flote. Los que flotan van a la deriva alegrem ente por la superficie, ap aren tem ente sin gastar energía. Es mucho m ás fácil flotar cuando los pulmones se encuentran llenos de aire. La sutil diferencia en la composición corporal que influye en nuestra flotabilidad, tam bién afecta a la flotabilidad de los anim ales acuáticos e influye en la energética del m ovimiento en los sistem as acuáticos. Pero no todos los anim ales necesitan flotar. Los anim ales que viven en el fondo del ecosistema acuático, conocidos como anim ales bentónicos, tienden a ser m ás densos que el agua que los rodea. Esto les perm ite m antenerse en contacto con el fondo sin gastar energía. Sin embargo, la m ayoría de los anim ales acuáticos posee una com posición corporal que induce la flotabilidad neutra o positiva, que les perm ite moverse a través de la columna de agua. Estos animales reducen su densidad total mediante el aum ento de la proporción de compo nentes m enos densos, típicam ente lípidos y gases.
El alm a ce n a m ie n to de lípido s aum enta la flo ta b ilid a d del zoo plancto n y de los tib u ro n e s A p esar de que todos los anim ales poseen algunos lípi dos en las m em branas y depósitos de energía, algunos anim ales acuáticos acum ulan altas concentraciones de lípidos que aum entan la flotabilidad. Muchas espe cies de zooplancton poseen grandes gotas de lípidos, generalm ente en form a de ésteres de cera. Un éster de cera, que es u n a larga cadena de ácidos grasos esterificados a una larga cadena de alcohol graso, es metabólicam ente activo. El zooplancton puede alterar su densidad de flotabilidad al sintetizar o degradar los ésteres de cera, perm itiendo a estos anim ales alterar lentam ente su flotabilidad p ara cam biar su posición en la colum na de agua (Figura 13.27).
604 SEG UN DA PARTE
Figura 13.27.
Integrando sistem as fisiológicos
Gotas de lípidos en el zooplancton.
M uchas especies de anim ales planctónicos, com o el copépodo calanolde que se ve aquí, poseen gotas de lípidos que ayu dan a la flota b ilid a d . (Foto cortesía de Rob Cam pbell y John Dower, U niversidad de Victoria).
Los condrictios (tiburones y rayas) tam bién utili zan los lípidos p a ra au m en tar su flotabilidad. Acu m ulan altos niveles del com puesto esteroide escualeno en su hígado. La cantidad de lípidos es m ayor en los tiburones pelágicos, que pueden p re sen tar u n a flotabilidad n eu tral y m enor en las rayas bentónicas, que p resen tan im a flotabilidad ligera m ente negativa. Otros anim ales acuáticos con altos niveles de lípidos en sus tejidos se benefician de su flotabilidad, a p esar de que se acum ulan con otros propósitos. La acum ulación de triglicéridos en el hígado de los peces es principalm ente im portante p a ra el m etabolism o energético. El lípido que se encuentra en la gruesa capa de grasa de los m am ífe ros m arinos sirve como aislante. Sin em bargo, estos considerables depósitos de lípidos tam bién contribu yen a la flotabilidad, en consecuencia reduciendo la cantidad de energía necesaria p a ra perm anecer en la colum na de agua.
Las ve jig a s na tatoria s son bolsas llenas de gas que au m entan la flo ta b ilid a d En el Capítulo 10 aprendim os sobre la vejiga natato ria de los peces. Aún no se sabe si la vejiga natatoria surgió prim ero como im pulm ón primitivo o im órgano de flotabilidad. M ientras que la utilización de la vejiga n atato ria como pulm ón aparece en m uchos taxones de peces, la función de flotabilidad tiene lugar sólo en los peces actinopterigios. Esto sugiere que las vejigas n atato rias probablem ente hayan sur
gido prim ero como un pulm ón primitivo y de form a secundaria como un órgano de flotabilidad. La vejiga n atato ria (Figura 13.28) deriva de un apéndice del tracto gastrointestinal que aparece tem pranam ente en el desarrollo de los peces. El gas acum ulado en estos globos internos es suficiente como p a ra com pensar la flotabilidad negativa del resto del cuerpo. Las p ared es de la vejiga natatoria son flexibles, lo que perm ite al órgano contraerse y expandirse. Los cristales de guanina incluidos en la vejiga n atato ria reducen la perm eabilidad a los gases de la vejiga natatoria. P ara que el pez pueda utilizar la vejiga n atato ria como un órgano de flota bilidad, debe controlar el volum en de gas del interior del órgano. Los peces fisóstom os son los que m antie n en u n a conexión entre el tracto gastrointestinal y la vejiga natatoria. A um entan el volum en de la vejiga n atato ria al tra g a r aire atm osférico y lo em pujan a través del conducto neum ático que conecta el intes tino con la vejiga natatoria. De la m ism a m anera, reducen el volum en de la vejiga n atato ria abriendo el conducto neum ático y liberando aire al intestino,
Al corazón
Al hígado
de gas
(b) Figura 13.28.
Vejigas natatorias.
M uchas especies de peces poseen vejigas natatorias llenas de gas que proporcionan flo ta b ilid a d positiva, (a) La vejiga natatoria está ubicada en la cavidad corporal, ju s to debajo de la colum na, (b) El rete es una región de gran densidad capilar ubicada cerca de la glándula de gas. Los gases liberados de la sangre en esta región inflan la vejiga natatoria. Los gases es capan la corriente sanguínea en la ventana del oval.
C A P ÍTU LO 13
de donde se rá expulsado fuera del anim al. Los peces fisoclistos h an perdido esta conexión directa entre el intestino y la vejiga n atatoria. Estos peces inflan la vejiga n atato ria en u n a región vascularizada del órgano llam ada glándula de gas. La sangre llega a la glándula de gas con el oxígeno cargado en la hem o globina. Cuando un pez necesita au m en tar el volu m en de la vejiga, la glándula de gas induce una acidificación, lo que h ace que la hem oglobina libere oxígeno. Cuando im pez reduce el volum en de la vejiga n atato ria, el oxígeno puede fluir hacia la sa n gre en im a región se p ara d a vascularizada denom i n a d a oval. Las vejigas n atato rias llenas de gas reducen el gasto del nado, pero no poseen lim itaciones funcio nales. El volum en de la vejiga n atato ria se m odifica en resp u esta a la p resión hidrostática. A m edida que au m en ta la p resión hidrostática, el volum en de la vejiga n atato ria se encoge. Cuando la presión se libera, la vejiga n atato ria se expande. Las vejigas n atato rias son m ás útiles p a ra los peces que p erm a necen dentro de un estrecho límite de profundida des, pero p u ed en p erjudicar al pez pelágico en su m ovim iento rápido hacia a rrib a y abajo en la colum na de agua. Si u n pez batipelágico sube a la superficie m uy ráp id am en te, el volum en de su vejiga n atato ria au m en ta ta n rápido que el pez queda inca pacitado. Muchos peces activos h an perdido su vejiga n a ta toria y en su lugar expanden la energía m uscular p ara m an ten er su posición en la colum na de agua. A p esar de que esto es m ás costoso energéticam ente que u n a vejiga n atato ria, le perm ite al pez cam biar rápidam ente la profundidad sin sufrir im cambio rápido en el volum en de la vejiga.
Locom oción 605
El nú m e ro de R eynolds de te rm in a el flu jo tu rb u le n to o la m in a r Una form a simple de com enzar n u estra explicación acerca de la m ecánica de los fluidos es considerar las fuerzas que actúan sobre un objeto, como un rem o de un a canoa, que se m ueve por el agua a diferentes velocidades y orientaciones (Figura 13.29). Cuando se m ueve el rem o po r el agua m uy lentam ente, el líquido fluye por la superficie de la pala en capas su a ves, condición denom inada flujo lam inar. Si se rep i tiera este movim iento a velocidades m ayores, se llegaría a un punto en que el p atrón de flujo se volve ría m enos ordenado, lo que provocaría un flujo m ás turbulento. El gasto de locomoción aum enta enor m em ente en condiciones de flujo turbulento. La tran-
I
Flujo lento
M ecánica de los fluidos Un objeto que se m ueve a través de un fluido crea un p atró n de flujo complejo. Las norm as que describen el movim iento de u n fluido, denom inadas m ecánica de los fluidos, se aplican tanto al aire como al agua. Los anim ales son capaces de m overse a través de fluidos rigiendo la vía de los fluidos que los rodean. Algunos anim ales deben a p a rta r los fluidos del cam ino p a ra perm itir u n movimiento eficaz. Los flui dos im piden el movim iento hacia adelante. Otros ani m ales controlan los m ovim ientos de los fluidos p ara ayudar a la locomoción. En esta situación, el movi m iento de los fluidos em puja al anim al hacia ad e lante o lo conduce hacia arriba.
(b) Flujo turbulento Figura 13.29.
Flujo lam inar y turbulento.
Cuando un objeto com o el rem o de una canoa se m ueve en el agua, el líquido es forzado alrededor de la pala, (a) El flu jo perm anece la m inar a velocidades bajas, (b) A velocidades m ayores el flu jo puede volverse caótico, produciendo una turbulencia en la estela del objeto. Esto aum enta los costes del m ovim ien to.
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
sición desde el ñujo lam inar hacia el flujo turbulento depende de las propiedades del líquido (viscosidad, densidad), del objeto (tam año, forma) y del movi m iento (velocidad, dirección). La relación entre estos p arám etro s se describe por m edio de la ecuación de Reynolds. El núm ero de R eynolds (Re) se calcula de la siguiente m anera: Re = VLp/\í donde V es la velocidad del movimiento, L es la dim ensión lineal del objeto, p es la densidad del líquido, y p, es la viscosidad del líquido. El núm ero de Reynolds perm ite a los investigadores predecir, por ejemplo, con qué facilidad un objeto puede deslizarse a través de im líquido o cuándo un movimiento a tr a vés de u n líquido puede ser turbulento. N uestra ap re ciación intuitiva de los factores biológicos que influyen en la locomoción puede rem ontarse a los p arám etro s de la ecuación de Reynolds. En n uestro ejemplo de m over el rem o de una canoa por el agua a diferentes velocidades, la expli cación m atem ática p a ra el aum ento de la turbulencia está relacionada con el efecto V en Re. La influencia de L en Re puede describirse cam biando la orienta ción del rem o. Moverlo por el borde del agua prim ero es m ás fácil que cuando el rem o se m ete prim ero de cara. En la orientación de cara, la superficie del remo que encuentra prim ero con el líquido es m ás amplia. En el cálculo de Re, esta diferencia se refleja en los valores de L (Figura 13.30). P ara apreciar el im pacto de la densidad, es preciso com parar el esfuerzo de rem ar en el aire y en el agua. Un objeto que se m ueve a través del aire posee un Re m ás bajo debido a que el aire posee m enor densidad (p,). El último parám etro en la ecuación de Reynolds, la viscosidad (p.), necesita m ás explicación. Los líqui dos difieren en su capacidad p a ra fluir alrededor de u n objeto. Cuando u n a solución se m ueve a través de u n a superficie, la capa m olecular m ás cercana a la superficie se adhiere a la superficie y se m ueve con ella. La siguiente capa de líquidos in teractúa con la capa de líquido que está en contacto con la superficie. Cuanto m ayor es la distancia desde la superficie, m enor es la influencia de la superficie sobre el movi m iento del líquido. La capa límite es la capa m olecu la r de líquido que se ve influida por la superficie del objeto alrededor de la que se m ueve (Figura 13.31). Algunos líquidos son m ás viscosos que otros, una propiedad física que reconocem os como el “espesor” de la solución. Por ejemplo, percibim os que la miel es m ás espesa que el agua. La viscosidad influye sobre
(b) Figura 13.30.
O rientación y flujo turbulento.
La orien tación de los objetos puede in flu ir sobre la fo rm a ción de turb ulen cia. A m edida que la dim en sión lineal que se encuentra con el flu id o (L ) aum enta, la turb ulen cia tam b ién aum enta, (a) Cuando el rem o de la canoa m ueve el borde pri m ero, el valor L bajo produce m enos turb ulen cia, (b) M over la pala del rem o p rim ero aum enta la L y fom e nta la tu rb u lencia.
(a) Viscosidad baja
Capa limítrofe
(b) Viscosidad alta Figura 13.31.
(a) Cuando
Capas lim ítrofes.
un objeto se m ueve a través de una solución de baja viscosidad, cada capa de flu jo la m inar se m ueve a la m is ma velocidad, com o lo indican los vectores de igual longitud. (b) En soluciones de m ayor viscosidad, la capa de flu jo la m i nar en contacto con el objeto se m ueve más despacio debido a las interacciones con el objeto. El im pacto del objeto se re duce más lejos del objeto. La capa lim ítro fe es la capa m icros cópica de líquido que es retrasada por el objeto.
C A P ÍTU LO 13
el m ovim iento de u n objeto a través de u n líquido debido a la m an era en que el líquido in teractúa con el objeto p a ra crear u n a capa límite. Si se retira el dedo de u n recipiente con agua, éste ten d rá u n leve recubri m iento de agua. Si retira un dedo de u n recipiente con miel, u n a capa m ucho m ás gruesa se p eg ará al dedo. Cada vez que alguien m ueve su dedo a través de u n líquido, se llevará con sigo esa capa de líquido. Cuesta en e r gía adicional tran sp o rtar esa capa de m iel a través de la m iel restante, conocida como la fase volum étrica. Obsérvese que la viscosidad de un líquido afecta a la locomoción de un anim al, pero los anim ales no tienen que enfrentarse a los cambios en la viscosidad am biental. La viscosidad del aire y el agua varía m uy poco bajo m uchas condiciones. Por lo tanto, p ara el Re de u n anim al en su entorno, los factores m ás im portantes son V y L.
Locom oción 607
Número de Reynolds Domina la viscosidad Figura 13.32. anim al.
Ambos efectos son importantes
Domina la inercia
Influen cia del número de Reynolds sobre la locomoción
El núm ero de Reynolds refleja las propiedades de un líquido y el tam año y form a del anim al. Los anim ales más grandes tienen un núm ero de Reynolds m ayor que los anim ales más pequeños. Los nadadores tienen un núm ero de Reynolds m ayor que los voladores del m ism o tam año. Cuanto más grande el núm ero de Reynolds, más im portantes son los efectos de la inercia sobre la locom oción. Los efectos de la viscosidad dom in an cuando los núm eros Reynolds son bajos. (Fuente: Adapta do de Nachtigall, 1977).
La im p o rta n cia relativa de los efectos de la visco sid a d y la inercia de te rm in a n el Re El espesor de la capa límite es u n a propiedad del líquido y no del objeto en movimiento. La capa límite de agua es igual de g ru esa sobre un a ballena que sobre u n pequeño invertebrado acuático, como un copépodo. La ballena consum e relativam ente poca energía p a ra tra n sp o rta r el agua adicional debido a que la capa de agua es insignificante en com paración con el tam año de la ballena. Sin em bargo, el gasto p a ra u n copépodo es significativo. E stas capas de líquidos ejercen m ayores efectos en la locomoción de anim ales pequeños y lentos. La m agnitud de estos efecto s v isco so s depende de la viscosidad del líquido, la velocidad del m ovim iento, y las propieda des de la superficie del anim al que interactúa con el líquido. E stas propiedades incluyen la form a del cuerpo y el áre a de superficie, la com posición física de la superficie y la natu raleza de las extrem idades. Los anim ales m ás g randes y m ás rápidos se ven m enos influidos p o r los efectos viscosos debido a sus proporciones m ucho m enores del área de superficie con respecto de la m asa (Figura 13.32). Cuando un copépodo deja de nadar, los efectos viscosos detienen su avance. Cuando u n a ballena deja de m over su
cola, tiene suficiente impulso p ara su p e rar los efectos viscosos. Estos efecto s de la in ercia, que dependen de la m asa corporal, dom inan el movim iento de los anim ales m ayores en el aire y el agua. Sin em bargo, el alto Re en los anim ales m ás grandes crea otro p ro blem a potencial: la turbulencia.
El p e rfil d in á m ico reduce la resistencia P ara que un objeto se m ueva por un fluido, debe su p e rar las fuerzas que se oponen su avance. Estas fuerzas se denom inan conjuntam ente resistencia. Al m over objetos se encuentran dos tipos de resisten cias. La resistencia de fricción surge de la interacción entre la superficie y el fluido. Depende del área de la superficie que interactúa con el fluido, como tam bién de la viscosidad. La resistencia de presión es la fuerza necesaria p a ra redirigir el fluido alrededor de u n objeto en movimiento. Cuanto m ás denso el fluido, m ayor es la resistencia de presión. La form a de un objeto es un determ inante im por tante de la resistencia de presión. Consideremos cómo tres form as diferentes influyen en el flujo de los líquidos (Figura 13.33). E stas form as poseen la m ism a altura (I). Un plato ancho y plano redirige el
608 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
=íf5co
O O f>
f'
L
(a) ID Resistencia de presión Resistencia de fricción
___________ Plato
Esfera
L grima
(b) Figura 13.33.
Dinam ia y resistencia.
Tres objetos se m ueven a través de un líquido a la m ism a ve locidad. Tienen los m ism os perfiles de sección transversal, com o lo in dica un valor de L constante. El núm ero de Rey nolds para cada objeto es idéntico. La form a de los objetos in flu ye sobre la cantidad de presión y resistencia de fricción. El objeto dinám ico tiene la m enor cantidad de resistencia de presión, a pesar de que su masa es m ucho mayor. A unque el objeto dinám ico tiene una resistencia de fricción mayor, deb i do a su área superficial mayor, la resistencia total es m ucho m enor que en el caso del plato o la esfera.
flujo de casi todo el líquido que encuentra. Como el líquido es forzado alrededor del objeto, u n a región de turbulencia se d esarrolla tras de él. En estas condi ciones, existe u n a g ran cantidad de resistencia de presión. Sin em bargo, no hay dem asiada resistencia de fricción debido a que el áre a de superficie que encuentra el líquido es considerablem ente pequeña.
Cuando u n a esfera se m ueve por un líquido, tiene une efecto m enos alterador en el flujo lam inar (m enor resistencia de presión), a p esar de que el área de superficie en contacto con el líquido es m ayor (más resistencia de fricción). Sin em bargo, la resis tencia total es m enor p a ra la esfera que p ara el plato. La form a dinám ica de la lágrim a tiene el m enor efecto en el flujo lam inar, lo que provoca la cantidad de resistencia de presión m ás baja. A p esar de que la resistencia de fricción adicional está asociada con la form a dinám ica, la resistencia total es la m enor de las tres formas. La form a dinám ica reduce la cantidad de en er gía que los anim ales necesitan p a ra vencer la resis tencia de presión. A p esar de que cada uno de los objetos p resentados en la Figura 13.33 posee un valor sim ilar de L, tienen m asas m uy diferentes. Esto significa que el gasto p a ra su p e rar la resisten cia en los anim ales dinám icos de m ayor tam año es sim ilar al gasto que tienen los anim ales dinám icos m ás pequeños. La m ayoría de los voladores y n a d a dores m ayores poseen cuerpos dinám icos que re d u cen la resistencia. Adem ás de la dinam ia, m uchos de los voladores y nadadores m ás rápidos tam bién han modificado las superficies de sus cuerpos p ara reducir la resis tencia de fricción. Esta m ayor eficacia es fundam en tal p ara un anim al como el delfín, que puede n a d a r p or el agua a 40 km /h. La superficie del delfín se encuentra m ontada sobre un a capa de pilares dim i nutos que cam bian fácilm ente de form a cuando el agua se m ueve sobre la superficie. Cuando la piel se com prim e en respuesta a u n a turbulencia pequeña y localizada, la resistencia de fricción se m inim iza m ientras que los líquidos se m ueven suavem ente por la superficie. Otra propiedad de la piel de los delfines perm ite a este anim al evitar un problem a que inco m oda a los navegantes recreativos y a la m arina. Los percebes se adhieren a la superficie de las em barca ciones, reduciendo drásticam ente la eficacia del m ovim iento por el agua. Los percebes no pueden adherirse a la piel de los delfines debido a curvas m icroscópicas de su superficie. Este terreno en nanoescala im pide que los percebes form en un sello fuerte en la superficie y m antiene a los delfines libres de percebes d urante toda su vida.
Aerodinam ia e hidrodinam ia Gracias a que el aire y el agua com parten p ropieda des sim ilares, los nad ad o res y voladores se enfren
CAPÍTULO 13
ta n a desafíos sim ilares al m overse po r el entorno. Los n ad ad o res y voladores deben su p e ra r la fuerza de la gravedad p a ra m an ten er su posición vertical. Sus estrateg ias de locom oción deben ser consisten tes con las pro p ied ad es físicas del fluido, especial m ente con la densidad. Los nad ad o res y los voladores se benefician del perfil dinám ico y utilizan los apéndices p a ra controlar el movim iento de los líquidos del cuerpo.
Las sup erficies ae rod iná m ica s e h id ro d in á m ica s generan la elevación Cuando u n objeto se m ueve po r un líquido, el líquido se desvía alred ed or del objeto. Este m ovi m iento, así como los cam bios de p resión que gene ran , son los resp o n sab les de desafiar la gravedad y g en erar el m ovim iento de avance o propulsión. Las alas y las aletas son las estru ctu ras utilizadas por los anim ales p a ra co n tro lar el curso del movim iento del fluido. La m ayoría de estas estru ctu ras poseen u n a estru ctu ra tran sv ersa l sim ilar a la que se observa en la Figura 13.34. É sta es la form a general de u n a superficie aerodinám ica, o, en el agua, u n a superficie hidrodinámica. La superficie superior es curva. La superficie inferior es ap lanada, el frente es red o n d ead o y la p arte tra se ra es afilada. La form a es fund am en tal p a ra p roducir la fuerza n ece sa ria p a ra g en erar u n a fuerza hacia arrib a denom i n a d a elev ació n . T ratarem os el funcionam iento de la elevación utilizando u n a superficie aerodinám ica como ejem plo, pero el m ism o principio se aplica a las superficies hidrodinám icas.
Cuando la superficie aerodinám ica se m ueve hacia adelante, el aire choca con el borde principal y provoca un aum ento en la presión de aire. El aire se desliza hacia a rrib a y se com prim e en el aire sobre la superficie hidrodinám ica. La corriente de aire continúa fluyendo hacia atrás. La p arte superior de la superficie hidrodinám ica se curva hacia abajo, apartándose de la corriente de aire. Esto da lugar a u n a región de baja presión de aire. En la base de la superficie hidrodinám ica, el aire continúa suave m ente a lo largo de la m ism a. Debido a las diferen cias en la corriente de aire existe u n a diferencia en las presiones del aire sobre la superficie h id ro d in á m ica. E sta diferencia de presión equivale a una fuerza. Parte de la fuerza eleva la superficie hidrodi nám ica hacia arrib a. Parte de la fuerza se pierde como la resistencia. El equilibrio entre el com ponente de elevación y la resistencia depende de m uchos factores: la veloci dad del aire, la densidad del aire, el área del ala y un coeficiente específico de cada superficie aerodiná m ica. Tanto el coeficiente de elevación (C,) como el coeficiente de resistencia (Cd) están determ inados po r m edidas directas. Son propiedades del tam año del objeto y la dim ensión. Otro parám etro que influye en la elevación y la resistencia es el ángulo de ataque, que es el ángulo con el que la superficie hidrodiná m ica se enfrenta a la corriente de aire que viene en dirección contraria (Figura 13.35).
Elevación baja
Elevación
Superficie más corta
Figura 13.34.
Ala de ave
Flujo más lento
Superficies aerodinámicas e hidrodinámicas.
M uchas alas y aletas tienen la form a de una superficie aerodi námica o hidrodinám ica. M ostradas en sección transversal, la superficie superior de la superficie aerodinám ica es curva y afilada hacia abajo, m ientras que la superficie Inferior es pla na. El líquido debe m overse más rápido a m edida que se m ueve por la superficie supe rior más larga. Esto produce un área de presión baja, lo que ocasiona una fuerza neta hacia arriba conocida com o elevación.
Locomoción 609
Elevación ^ ^ ^ ^ ^ a lta
(a) Forma de superficie aerodinám ica
(b) Ángulo de ataque Figura 13.35. Forma de la superficie aerodinám ica y ángulo de ataque. ía) La form a de la superficie hidro diná m ica Influye sobre la cantidad de elevación generada por la m ism a. Cuanto más larga la superficie curva, más grande la elevación. La supe rfi cie aerodinám ica de elevación alta tam bién tiene una alta re sistencia debido a la m ayor área superficial, (b) El ángulo de la superficie hidrodinám ica en relación a la horizontal, cono cido com o el ángulo de ataque, influye sobre el patrón del flu jo de flu id o y, por tanto, en la elevación.
O SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
El planeo utiliza la elevación p o r corriente s de aire naturales para sup era r la gravedad Al tra ta r el m ovimiento a través del aire, es im por tante distinguir el vuelo en sí del deslizamiento. En el vuelo verdadero, los anim ales utilizan las alas p ara elevarse del suelo y siguen transportados por el aire durante largos periodos. Los vuelos verdaderos inclu yen el vuelo batido y el vuelo cernido, donde los movi m ientos de las alas generan movimientos de fluido que perm iten al anim al controlar la altitud y la veloci dad. El vuelo verdadero tam bién incluye el planeo, en donde el anim al utiliza las alas estacionarias p ara g en erar la elevación y m antenerse aerotransportado. El vuelo verdadero p arece h ab er surgido sólo cuatro veces durante la evolución del anim al (véase la Caja 13.2). El deslizam iento, como el planeo, depende de estructuras fijas p ara alterar los movim ientos de los fluidos, pero a diferencia de la acción de planear, el anim al inevitablem ente desciende hacia el suelo. El deslizam iento está m ucho m ás extendido en los ani m ales debido a que requiere m ucha m enos especialización anatóm ica y fisiológica que el vuelo verdadero. Cualquier estructura que aum ente el áre a de super ficie puede m ejorar la habilidad p ara deslizarse. Existen m uchos ejemplos de m am íferos (ardillas, pri m ates) y reptiles (serpientes, lagartijas) que extienden alerones de la piel de su cuerpo p a ra deslizarse (Figura 13.36). El pota europea y los peces voladores, que en realidad no vuelan, utilizan aletas p ara desli zarse sobre la superficie del agua. En cada caso, la form a u orientación de la estructura de planeo pro duce algo de elevación, pero no la suficiente como p a ra perm anecer en el aire indefinidam ente. De todos los anim ales voladores, sólo las aves pla nean. En algunas aves grandes, como en el albatros y el cóndor, la estructura de las alas es m ás apropiadas p ara el planeo que p ara el vuelo batido. La eficacia p ara el planeo se amplía por medio de estrategias que se capitalizan en los movimientos naturales del aire. Muchas aves em prenden el planeo en pendiente, al subirse a las corrientes que se desvían hacia arriba a lo largo de la topografía de la superficie. Muchas aves m arinas, como los pelícanos, utilizan los movimientos del aire en la superficie del agua (Figura 13.37). Las aves terrestres utilizan las corrientes de aire que fluyen desde las cordilleras p ara reducir el gasto del vuelo. Las aves planeadoras pueden tam bién subirse a las surgencias de aire templado, denom inadas termales. Las aves m igratorias pueden subir a una burbuja de aire ascendente p ara obtener m ás altura, y luego pla n ear desde allí hacia la próxima corriente térm ica. El
(b) Figura 13.36.
A nim ales deslizantes.
ía) Las ardillas voladoras y los (b) peces voladores son de las m uchas especies capaces de deslizarse que no son aves.
planeo en pendiente y el planeo térmico reducen am pliam ente los gastos del vuelo. Muchas aves migran por rutas que les perm iten aprovechar las corrientes de aire sobre las características naturales de la topo grafía, cubriendo distancias que no sería posible cubrir sin los ahorros metabólicos del planeo.
Los m o v im ie n to s de los flu id o s pueden ge ne rar la p ro p u lsió n Las alas de las aves poseen el tam año, la form a y la orientación p a ra g en erar la elevación si el anim al se m ueve en la m ism a dirección que el aire. Si el anim al no se m ueve hacia adelante a través del aire, no se produce la elevación. Si el movim iento del fluido en relación con anim al es necesario p a ra g enerar la
CAPÍTULO 13
Locomoción 611
Planeo térmico
Figura 13.37.
Planear en corrientes de aire.
Las aves pueden planearen corrientes de aire ascendentes. Los terrenos en pendiente com o las cordilleras pueden d irig ir el aire hacia arriba. Burbujas de aire tib io , llam adas term ales, se elevan sobre la tierra calentada por el sol.
fuerza ascensional, entonces ¿cómo despegan o vue lan estacionariam ente los anim ales, com portam ien tos que parecieran d escarta r la generación de la elevación? En otras palabras, ¿cómo generan los ani m ales las fuerzas de propulsión necesarias p ara los m ovim ientos de avance? Los nadadores y los voladores mueven sus apén dices p ara generar corrientes de aire con el fin de pro ducir la fuerza de propulsión o empuje. M ientras la elevación vence el peso corporal y los efectos de la gra vedad, el empuje vence la resistencia. Como con otras reglas de la dinám ica de fluidos, los m ecanism os del empuje son sim ilares en los nadadores y en los vola dores. P ara entender cómo las alas y las aletas gene ran el empuje comencemos por considerar una analogía. Imaginem os una pelota flotando inmóvil en u n a piscina de agua. Si m oviéramos la m ano suave m ente sobre la superficie de la pelota, la haríam os girar. De la m ism a m anera, cuando la aleta caudal de
un pez se m ueve por el agua, provoca que el líquido forme rem olinos en un patrón circular denominado vórtice. Al m over la aleta en un a dirección se produce u n vórtice en el sentido de las agujas del reloj y al m overla en la dirección opuesta se form a un vórtice en sentido contrario. Estos vórtices de movimiento de líquido son consecuencia de la transferencia de fuerza desde la aleta al medio. A m edida que el pez se mueve por el agua, la aleta caudal al batirse deja una serie de vórtices interconectados tras de sí (Figura 13.38). Estos movimientos de líquidos finalmente aportan la fuerza que propulsa al pez hacia adelante.
- Nado hacia adelante
(a) Vista lateral Cada movimiento de la cola arroja un vórtice de líquido
Figura 13.38.
Vórtices y m ovimiento en los líquidos.
Cuando un pez m ueve su aleta caudal, genera un patrón circular com plejo de flu jo de líquido llam ado vórtice. La actividad de nado induce una serie de vórtices que se pueden ver en (a) una vista late ral o una (b) una vista dorsal. Cada vórtice parece una rosquilla. (c) Los líquidos se m ueven desde el centro de la rosquilla hacia el borde y vuelven hacia el centro. Estos patrones de m o vim ien tos de líquidos revelan com o la cola interactúa con el agua durante la pro pulsión. (Fuente: Adaptado de J. Ñauen y G. Lauder, 2002).
(b) Vista dorsal
(c) Movimiento de vórtice de líquido
612 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
Caja 1 3 . 2
E v o lu c i ó n y d iv e r s id a d L o s o r í g e n e s d e l v u e lo
El vuelo verdadero ha surgido por lo menos cuatro veces desde los orígenes de los metazoos. Los prim eros voladores fueron insectos derivados de un antepasado terrestre com ún que prim ero voló hace apro xim adamente 350 millones de años. Hace 290 m illones de años, este grupo se había diversificado en más de 15 órde nes de insectos. Los pterosauros, o los dinosaurios volado res, surgieron hace aproximadamente 290 millones de años atrás. Las aves probablemente surgieron de pequeños dino saurios terópodos hace aproximadamente 180 m illones de años. Los murciélagos aparecieron aproximadamente hace 50 m illones de años. Los registros geológicos nos muestran que, en cada uno de estos periodos, las concentraciones de oxígeno atm osférico fueron inusualmente altas. Un alto nivel de oxígeno tiene dos efectos sobre la locomoción animal. En prim er lugar, la mayor disponibilidad de oxígeno perm itió a los animales producir ATP a índices mayores. En segundo lugar, un aum ento del nivel de oxígeno atm osférico aum entó la densidad del aire. Esto perm itió a los animales generar una mayor elevación a partir de las m ismas estructuras. El vuelo no es posible sin alas, pero la función original de las estructuras que se convirtieron en alas probablemente no tenía nada que ver con el vuelo. Las alas de los insectos, que están estructuralmente relacionadas con su cutícula, pueden haber surgido para mejorar la eficacia de intercambio ga seoso. El m ovim iento de las alas habría aumentado el m ovi m iento de gases alrededor del los espiráculos de los insectos e inducido una form a de bom beo torácico para aum entar la respiración. La presencia de alas en los antepasados acuáti cos de los insectos puede haber perm itido un tipo de m ovi m iento que finalm ente dio origen al vuelo. Algunas perlas modernas, por ejemplo, utilizan sus alas para impulsarse a sí m ismas a través de la superficie del agua. La tensión superfi cial las m antiene sobre el agua y el m ovim iento de las alas las empuja a lo largo de la superficie. Para los voladores verte brados hay un debate continuo acerca de si prim ero volaron desde los árboles (arbóreos) o desde el suelo (cursoriales). En la hipótesis arbórea, los animales treparían a los árboles o acantilados y utilizarían sus alas para deslizarse suavemente hacia la tierra. Esta misma estrategia puede verse en varios vertebrados modernos. Las ardillas voladoras y lagartijas vola doras extienden aletas de piel para aumentar la capacidad para planear. En la hipótesis cursorial, los animales usarían sus alas para elevarse del suelo al aire. Las aves modernas tales com o la codorniz utilizan sus alas para trepar a los árbo les. Corren verticalm ente hacia arriba de los árboles, ale teando de form a que generan una elevación inversa que las empuja contra el árbol para una m ejor tracción de las patas. Las plumas son m uy im portantes en el vuelo de las aves, ya que ayudan a guiar el flujo de aire a través de la superficie del ala. El fósil de ave más antiguo, el arqueopterix, tiene plu mas pero debido a su estructura esquelética probablemente no volaba. Las primeras plumas surgieron en varias líneas de reptiles tipo ave com o aislación. Las estructuras necesarias para volar en los animales modernos, com o las alas, múscu
los y plumas, pueden haber surgido para otros propósitos, pero la evolución les ha perm itido ajustarse para volar. Las alas de los vertebrados son modificaciones de extre midades anteriores y manos, pero los orígenes de las alas de los insectos son m enos obvios. En un m om ento de la evolu ción, antes de que surgiera el vuelo, los insectos y crustáceos compartían un antepasado artrópodo común. Este antepa sado tenía extremidades adicionales que evolucionaron de diferentes maneras en cada línea. En la línea de los crustá ceos, las extremidades se convirtieron en epípodos, estructu ras alargadas que asistían en el intercambio gaseoso. En la línea de los insectos, los apéndices adicionales se convir tieron en alas. Los m ism os genes que originaron el vuelo de los insectos hace 350 millones de años, controlan el desarro llo de los epípodos de los crustáceos modernos y de las alas de los insectos. Los insectos muestran muchos ejemplos de transiciones evolutivas en las alas y el vuelo. La mayoría de las especies de hormigas tienen ejemplares con y sin alas de ambos sexos. La capacidad de vuelo es un elemento impor tante de la casta social y biología reproductora de las espe cies. Las castas si alas surgen cuando los genes necesarios para el desarrollo de las alas están reprim idos en intervalos de desarrollo críticos. Los m ecanismos que controlan estos genes en las especies y las razones para las diferencias entre las especies, se han comenzado a estudiar hace poco, utili zando tecnologías de microchips de DNA. Algunas especies de insectos pueden cambiar el desarrollo de sus alas com o respuesta a las condiciones ambientales. La estrategia de vida de muchos insectos se ve influida por la competencia por la comida. La abundancia de comida es detectada por claves hormonales vinculadas al m etabolismo energético. Cuando existe un abarrotamiento, los receptores del tacto en las patas de los insectos se activan por los insectos circundantes. Estas claves sensoriales que alteran el desarrollo son la maquinaria para volar. Las langostas, por ejemplo, puede des arrollar una forma migratoria marrón cuando la comida es escasa o una forma solitaria verde cuando la comida es abun dante. Un chiche Jadera Haematoloma que vive con dema siados chiches de su especie m antiene fuertes músculos de vuelo y alas largas, que le permiten volar. Cuando viven en lugares donde la comida es abundante, este insecto puede descomponer su aparato volador, histolizando la musculatura para reutilizar la energía para la reproducción.
Referencias • Brodsky, A. K. 1994. The evolution of insect flight Oxford: Oxford University Press. • Dudley, R. 2000. The evolutionary physiology of animal flight: Paleobiological and present perspectives. Annual Review of Physiology 62: 135-155. • Marden, J. H., B. C. O'Donnell, M. A. Thomas, and J. Y. Bye. 2000. Surface-skimming stoneflies and mayflies: The taxonomic and mechani cal diversity of two-dimensional aerodynamic locomotion. Physiological and Biochemical Zoology73\ 751-764.
CAPÍTULO 13
La m ism a teo ría del vórtice an u lar se aplica a los anim ales voladores, pero los m ovim ientos son m ucho m ás com plicados que los m ovim ientos de las aletas. Las alas deben m overse de m an era que gene ren tanto la fuerza de avance como la fuerza ascen sional. La elevación es u n a fuerza que surge de la form a del ala (superficie hidrodinám ica) sólo cuando el fluido fluye p o r encim a de la superficie hid ro d in á mica. La elevación es suficiente como p ara m an ten er a u n ave p lan ead o ra en el aire, pero la situación es m ucho m ás com pleja cuando un ala se m ueve en el espacio. A dem ás, si el anim al no está m oviéndose hacia adelante, ¿cómo puede gen erar la elevación p a ra p erm an ecer en el aire? Muchos insectos m ue ven sus alas en un p atró n que no les perm ite g en erar elevación fácilm ente. En lo m ás alto del recorrido, el ala está casi vertical sobre el insecto. El ala se m ueve ráp id am en te hacia abajo, po r debajo de un plano horizontal, to rsionándose m ientras se m ueve. La com binación del recorrido descendente rápido y el m ovim iento de torsión g enera un g ran vórtice de m ovim iento de aire en el borde principal del ala. Estos m ovim ientos de aire p erm iten al insecto gene ra r am b as fuerzas, ascensional y de avance. La situación es en esencia sim ilar en las aves y en los m urciélagos. Los m ovim ientos descendentes gene ra n vórtices que p u ed en ser utilizados p a ra p e rm a n ecer en el aire y p ro p u lsar al anim al hacia adelante. A dem ás, los insectos y los colibríes pueden g en erar m ovim ientos de fluidos favorables d urante el ascenso, que les que perm ite em prender un vuelo cernido. A p esar de que los investigadores poseen varias técnicas p ara visualizar los vórtices que se d esarro llan d u ran te el vuelo, las fuerzas exactas en juego siguen siendo inciertas. El estilo del movim iento, la form a de los apéndices y la velocidad del movim iento influyen en la estela y en las fuerzas que rigen el movimiento.
La fo rm a de las aletas y alas in flu ye sobre los m o v im ie n to s de flu id o s En las secciones anteriores hem os descrito cómo los atributos de la form a del cuerpo, las alas y las aletas influyen sobre los m ovim ientos de fluidos. La diversi dad de estas estru ctu ras dentro del reino anim al refleja los efectos de las propiedades biológicas y del entorno físico cuando actúan en conjunto. A p e s a r de que los insectos, los m urciélagos y las aves vuelan, la form a de sus alas es notablem ente diferente. Las alas de los insectos difieren am plia
Locomoción 613
m ente en form a y apariencia, pero com parten m uchas características. G eneralm ente, el borde principal del ala es u n a estru ctu ra rígida, m ientras que la m ayor p arte del ala es u n a m em b ran a flexible reforzada por un arm azón interno. D urante el vuelo, el ala del insecto se deform a, creando complejos m ovim ientos de fluidos que perm iten el vuelo. Las alas de los m urciélagos, como las alas de los insec tos, son m em branosas, pero los huesos que actúan como arm azón del ala se encuentran unidos. Los m úsculos finos dentro del ala perm iten al m urcié lago cam biar la form a de ésta, lo que se traduce en u n a m ayor m aniobrabilidad que la observada en los insectos. Con la elasticidad de la m em brana, el m u r ciélago es capaz de cam biar las dim ensiones del ala h asta un 20% sin in cu rrir en cam bios en la tensión de la m em brana. Las plum as de las alas de las aves poseen form as y posiciones específicas que perm iten al ala controlar m ejor el paso del aire sobre su superficie. Debido a que las plum as se superponen y p ueden deslizarse u n a sobre la otra, las aves pueden cam biar la geom etría del ala sin com prom eter la h abilidad de ésta p a ra actu ar como u n a superficie aerodinám ica. M ientras que la g eom etría del ala de las aves es sim ilar en las d istin tas especies, las sutiles d iferen cias en la form a tien en im p o rtan tes rep ercu sio n es p a ra el vuelo. C onsiderem os p rim e ro la relación en tre el tam añ o del ala del ave y la m asa corporal. Puesto que el aire fluye sobre to d a la superficie del ala, u n a com binación de la extensión del ala (6) y el á re a de superficie (S ) influye sobre la elevación. O bviam ente, los p ájaro s m ayores n ecesitan alas de m ás tam añ o p a ra g e n e ra r la elevación p a ra p e rm a n e c e r elevados. Sin em bargo, ¿qué es m ás efectivo, las alas m ás largas o las m ás an ch as? Las aves del o rd en P rocelariform es, que incluye a los alb atro s y a los petreles, difieren en tam añ o 400 veces. Com p a rte n sim ilares estilos de vida, plan ean d o largas d istan cias sobre el m a r abierto. Cuando se dibujan estas aves con la m ism a escala de e n v erg ad u ra de alas, la im p o rtan cia de la form a del ala re su lta evi dente (Figura 13.39). Las aves m ayores poseen alas m ás larg as y estrech as. M atem áticam ente, la form a se describe com o el índice de relación en tre dim ensiones (A), que se calcula de la siguiente m an era: A = b2/S La form a de las aletas de los peces, que son m ucho m ás variables en form a que las alas de las aves, les p erm ite n ex p erim en tar diversos estilos de
614 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
Albatros viajero
Albatros ojeroso
Pardela gorgiblanca
Damero de El Cabo
Paíño de Wilson
Figura 13.39.
Relación entre dim ensiones de las alas.
Las aves que se m uestran en esta im agen tienen casi 8 veces más de envergadura de ala, pero están llevadas a la m ism a envergadura de ala para m ostrar las diferencias en la form a de las alas. La barra horizontal representa la envergadura de las alas relativa. Las aves más pequeñas tienen alas relativa m ente anchas. (Fuente: M odifica do de Pennycuick, 1992).
(c) Pez zorro Figura 13.40.
Formas de aletas caudales.
Las aletas caudales de los tiburone s varían en fo rm a desde casi sim étricas (hom ocercales) a fuertem ente asim étricas (heterocercales).
V id a te rre s tre nado. Si restrin g im o s n u e s tra com paración al pez n a d a d o r m ás veloz, v erem o s la im p o rtan c ia de la form a de la aleta en las estrateg ias de nado. Los n ad a d o re s súbitos, com o el paiche, posee p ed ú n cu los caudales g ruesos con aletas caudales red o n d e a das con u n a relació n en tre dim ensiones baja. Los n ad a d o re s ráp id o s y estables, como el atún, poseen p edúnculos caudales delgados con caudales luniform es con u n a relació n en tre dim ensiones alta. Cada u n a de estas aletas caudales es homocercal o sim étrica sobre y p o r debajo de la línea m edia. M uchos tib u ro n e s po seen aletas caudales asim é tri cas. E stas aletas caudales heterocercales son m ucho m ás altas en el lado do rsal que en el lado v en tral (Figura 13.40). Con cada m ovim iento, se g en era m ás em puje en la p a rte dorsal, lo que fuerza al tib u ró n hacia abajo ro tan d o la p a rte an terio r hacia a rrib a , y provocando que la n ariz m ire hacia arrib a. Los tib u ro n es m ás veloces, como el m arrajo , po seen aletas caudales hom ocercales pero en los tib u ro n e s pelágicos de crucero se en cu en tran p ro n u n ciad as aletas caudales heterocercales. Como en el caso de todos los tib u ro n es, las aletas p e c to ra les ríg id as g en eran la elevación e im piden que el tib u ró n gire.
En los comienzos de la historia evolutiva de los m etazoos, todos los anim ales vivían en ecosistem as acuá ticos. La invasión de la tierra sucedió po r lo m enos en dos oleadas. Hoy en día, los m etazoos de los ecosiste m as terrestre s están representados po r diversos taxones de invertebrados y vertebrados. Muchos m uestran vestigios de sus antepasados acuáticos en estilos de vida sem iacuáticos y en etapas de d esarro llo acuáticas. Cada línea se enfrentó a sus propios desafíos con la vida terrestre. En capítulos anteriores hem os com entado como esta invasión requirió estra tegias fisiológicas p a ra h acer frente a los desafíos osmóticos y respiratorios. En este apartado conside ram os cómo los anim ales terrestre s se enfrentan al opresivo desafío de la gravedad.
Los an im a les acuáticos in va d ie ro n la tie rra varias veces Los invertebrados invadieron la tierra m uchas veces, pero el grupo m ás exitoso fue el de los artrópodos, sobre todo los arácnidos (p. ej., arañas), m iriápodos (p. ej., ciempiés) y hexápodos (p. ej., insectos). Los prim eros invertebrados fueron probablem ente detritívoros, que revolvían el suelo y com ían m aterial
CAPÍTULO 13
vegetal parcialm ente hidrolizado. Los herbívoros y los carnívoros surgieron m ás adelante en la evolu ción de los invertebrados. Cada estilo de vida requiere u n tipo distinto de aparato locom otor p a ra afro n tar los desafíos del complejo m undo terrestre. A ntiguam ente los vertebrados fueron encontra dos sólo en ecosistem as acuáticos, cuando los p a n ta nos gran d es y poco profundos dom inaban el paisaje. Después, hace cerca de 370 m illones de años, comenzó la invasión de la tie rra po r p arte de los ver tebrados. M uchas especies diferentes de peces ya h ab ían desarrollado fuertes aletas que les perm itían m overse a través de la vegetación sum ergida. E stas modificaciones en la locomoción ayudaron a los p ri m eros peces anfibios a m overse en la tierra, facili tando la transición a un m undo terrestre. El celacanto, u n pez com pletam ente acuático, está ínti m am ente ligado a los prim eros invasores terrestre s y anatóm icam ente sim ilares. Muchos peces no relacio nados poseen estru ctu ras de aletas que les facilitan la vida sem iterrestre. Estos prim eros invasores utiliza b an p ares de aletas pectorales y pélvicas p a ra desli zar el cuerpo, pero el tronco se encontraba en contacto directo con el suelo. La evolución de la m us culatura de las extrem idades y el esqueleto aportó m ovilidad a los anim ales, ya que las extrem idades soportaban la m ayor p arte del peso del anim al. Las m ejoras en la m usculatura de las patas, los cambios en los m úsculos posturales, la reorientación de los esqueletos y la fortificación ósea contribuyeron a la colonización de la tierra y a la diversificación de los anim ales terrestres. La v ariedad de especies de ani m ales sem iacuáticos ilustra el tipo de modificaciones fisiológicas necesarias p a ra u n a vida terrestre. Los anim ales anfibios que deben m overse tanto en la tierra como en el agua se enfrentan al desafio de utilizar el m ism o ap arato locom otor bajo dos con diciones diferentes. Las anguilas y las serpientes uti lizan los m ovim ientos del tronco p a ra n a d a r en el agua y re p ta r sobre la tierra. Los patos y las tortugas utilizan sus p atas p a ra cam inar en la tie rra y rem ar en el agua. Se utilizan los m ism os m ódulos de loco m oción en am bos entornos, pero un anim al puede u sa r su m usculatura de m an era que sea específica p a ra cada entorno. Por ejemplo, cuando los patos y las tortugas se en cu en tran en el agua, no necesitan utilizar los m úsculos de las patas p a ra soportar la m asa corporal. En su lugar, la m usculatura de la pata puede extenderse y contraerse con m ayor frecuencia d u ran te el nado. Las anguilas y las serpientes utilizan el m ism o movim iento ondulatorio tanto en el agua como en la tierra. Sin em bargo, el movim iento en la
Locomoción 615
tie rra requiere m ás energía debido a los efectos de la gravedad. Por lo tanto, la ondulación de la anguila en la tie rra puede se r con la m ism a frecuencia que en el agua, pero en la tie rra utiliza el m úsculo blanco m ás potente y en el agua, el m úsculo rojo, m ás eficaz. Conjuntam ente, los anim ales anfibios utilizan com bi naciones de reclutam iento y patrones m otores p ara utilizar el m ism o módulo de locomoción p ara m overse en am bos m undos.
La m e ta m o rfo sis rem o de la la anatom ía y la fis io lo g ía para la lo co m o ció n te rre stre Muchos anim ales com ienzan sus vidas en el m undo acuático y luego experim entan un a rem odelación evolutiva de la anatom ía y la fisiología p a ra especiali zarse en u n a vida terrestre. Estam os m ás fam iliari zados con el desarrollo de los anfibios, donde los renacuajos com pletam ente acuáticos se convierten en ra n a s sem iacuáticas y sapos terrestres. Esta tra n sición evolutiva, de anim ales acuáticos a terrestres, tam bién es m uy com ún en los insectos. Estos anim a les constituyen ejemplos claros de las diferencias anatóm icas y fisiológicas en los patrones de locomo ción entre los anim ales terrestre s y los acuáticos. Los órdenes de insectos ortópteros (libélulas, caballitos del diablo), efem erópteros (efímeras), plecópteros (perlas) y dípteros (moscas, quironóm idos, m osquitos) incluyen especies que ponen huevos y al principio se desarrollan en el agua. Las form as jóve nes acuáticas, denom inadas ninfas, ocupan diversos nichos dentro del entorno acuático. Las libélulas, efí m eras y perlas rep tan por el fondo de arroyos y ríos. Estos anim ales poseen u n a poderosa arm ad u ra que los protege contra depredadores m ayores. Las larvas de los m osquitos flotan en la superficie del agua estancada, tom ando oxígeno desde la capa superfi cial oxigenada del agua. Los quironóm idos son larvas de m osquitos pequeños que h abitan en los sedim en tos de los lagos, generalm ente en ausencia de oxí geno. Cada u n a de estas larvas posee delicadas estrategias fisiológicas p a ra sobrevivir en nichos específicos. Sin em bargo, estas especializaciones acuáticas son abandonadas cuando los anim ales experim entan su últim a transición evolutiva a adul tos voladores. Las form as jóvenes de las ra n a s y sapos, conoci dos como renacuajos (Figura 13.41), n ad an a través del agua como im pez que utiliza su cola y tronco p a ra g en erar el em puje. En las últim as etapas del desarrollo de la larva, los cam bios en los niveles de la horm ona tiroides d isparan la rem odelación del apa-
616 SEGUNDA PARTE
Figura 13.41.
Integrando sistemas fisiológicos
M etam orfosis del renacuajo.
Las ranas larvales com pletam ente acuáticas (renacuajos) na dan utilizando sus colas. Las patas com ienzan a crecer duran te la m etam orfosis: prim ero las extrem idades anteriores y luego las extrem idades posteriores. Una vez que la cola se re absorbe, la rana m adura se aventura en la tierra utilizando sus patas para cam inar y saltar.
rato locomotor. El brote de las extrem idades surge del tronco del cuerpo y crece h asta convertirse en p atas delan teras y traseras. En la m adurez, la anato m ía de las p atas tra se ra s se especializa p a ra un tipo de m ovim iento que les perm ite n a d a r y saltar, a p esar de que, a diferencia de los m am íferos, la m us culatura de los m iem bros no soporta el peso com pleto del anim al.
Las aves que no vuelan e vo lu cio n a ro n dond e no había depre dad ore s terrestres P ara m uchos anim ales, la m ecánica de locomoción debe perm itir el movim iento en m ás de un entorno. A p esar de que el vuelo es el modo m ás eficaz de tra n s p orte p a ra las aves, la m ayor p arte de las aves tam bién p asan u n tiem po im portante en el suelo. En un
extrem o se encuentran las aves ratites no voladores, que incluyen el avestruz actual, el em ú y el kiwi, así como tam bién los extintos m oa y ave elefante (2,5 m de alto y 450 kg de peso). A p esar de que los ances tros evolutivos de estos anim ales son desconocidos, es probable que las líneas no voladoras surgieran hace 40 millones de años. Los ratites m odernos, como el avestruz, utilizan las alas p a ra equilibrarse m ientras corren y como p arte de los rituales de cor tejo. E stas aves poseen la m usculatura de las patas bien desarrollada, lo que perm ite a m uchas especies correr a altas velocidades. Otras especies de aves no voladoras se d an en todo el m undo. Las alas de los pingüinos pueden ten er el m ism o aspecto que las ale tas del tiburón o las aletas de las focas, pero los p in güinos utilizan sus alas p ara “volar” po r el agua. D arwin m encionó u n a vez que no existe m ayor anom alía en la n atu raleza que un ave que no puede volar. Puede h a b e r razones p a ra la p érdida evolutiva del vuelo. Las dos ventajas m ás evidentes del vuelo son la evasión de los depredadores y la capacidad p a ra m igrar hacia entornos m ás favorables. M uchas aves no voladoras surgieron donde no había grandes predadores terrestre s. Existen poblaciones de aves no voladoras en las Islas Galápagos, que carecen de grandes dep redadores terrestre s. El avestruz vive en u n a región con m uchos grandes depredadores, pero sus patas poderosas y de gran tam año, con las que dan patadas, disuaden a m uchos depredadores. Ya considerem os la variación m acroevolutiva (especies no voladoras) o la variación m icroevolutiva (pobla ciones no voladoras de u n a especie), la transición desde estrategias voladoras o no voladoras debe pro porcionar ahorros de energía. La energía que de otra m an era sería consum ida en construir y m an ten er los m úsculos de las alas puede ser derivada a otros sis tem as.
Los an im a les de ge om e tría s im ila r deben ser capaces de salta r las m ism as alturas El salto es un a form a de locomoción peculiar de los anim ales terrestres, con u n a anatom ía especializada. Los anim ales deben utilizar un a única contracción m uscular p a ra elevar toda la m asa del suelo. Los buenos saltadores difieren de los no ta n buenos en la geom etría de las p atas y la fuerza de los m úsculos del salto. Los saltos m ás altos son posibles cuanto m ás largas sean las patas. Algunos anim ales poseen seg m entos de patas adicionales que participan en el salto, como los huesos del tarso alargados de las ranas. E stas p atas m ás largas m ejoran el salto
CAPÍTULO 13
debido a que los huesos se m ueven a través de un arco m ayor p a ra un ángulo determ inado de rotación. Los saltadores deben ser capaces tam bién de con tra e r los m úsculos rápidam ente. Cuanto m ayor sea la velocidad en el despegue, m ás lejos podrá saltar el anim al. Los anim ales de diferente tam año deben ser capaces de saltar las m ism as alturas. Una geom etría sim ilar significa que las dim ensiones totales de las patas son sim ilares, y la m asa de los m úsculos del salto es u n a proporción constante de la m asa corpo ral. Con u n a m asa m uscular constante proporcional, la velocidad de despegue se rá sim ilar y, por lo tanto, anim ales pequeños y grandes podrán saltar las m is m as alturas (Figura 13.42). El punto de referencia al h ab lar de los efectos de la gravedad es el punto verti cal medio de la m asa del anim al, el centro de grave dad. A p esar de que u n anim al pequeño no pueda alcanzar la m ism a altura que un anim al grande, es capaz de elevar su centro de gravedad la m ism a dis tancia. Esta relación depende del supuesto de la geo m etría similar. Al com parar especies diferentes,
Locomoción 617
entran en juego variaciones en la morfología, la fisio logía y la composición, que contribuyen a las diferen cias en la habilidad p a ra saltar. Las pulgas son generalm ente consideradas como saltadoras excep cionales debido a que pueden saltar alturas cientos de veces m ayores que su propia altura. Los anim ales sal tadores de poco tam año, como las pulgas, se enfren ta n a varios desafíos que son m enos im portantes para los anim ales m ayores. En prim er lugar, los efectos viscosos son m ás im portantes p ara los anim ales pequeños. Una pulga que salta por el aire se enfrenta a u n a fuerza de resistencia sim ilar a la que un anim al m ayor pudiera enfrentarse saltando po r el agua. En segundo lugar, los anim ales saltadores necesitan m over sus patas lo suficientem ente rápido p ara alcanzar la velocidad de despegue. Las patas de las pulgas son ta n pequeñas que ninguna combinación m usculoesquelética convencional puede alcanzar la velocidad de contracción requerida. Las pulgas elu den este problem a utilizando un m ecanism o inusual. Los músculos im pulsan el salto de la pulga sólo indi rectam ente. En el prim ero de los dos pasos, el m ús culo de la pierna tira de un resorte interno y lo trab a en la posición de carga. A continuación, un segundo m úsculo libera el resorte, provocando que la pierna se extienda rápidam ente y la pulga salte. El resorte vuelve a su posición de descarga m ás rápido de lo que cualquier músculo podría inducir un a contracción.
Los anim a les terrestres necesitan huesos m ás fue rte s y m uscu la tu ra postural
Altura
Altura
Figura 13.42.
Antílope saltador.
Los anim ales de geom etría sim ila r deberían ser capaces de elevar su centro de gravedad a la m ism a distancia vertical en un salto. El anim al más grande alcanza una altura m ayor de bido a que su centro de masa com ienza a una distancia m ayor del suelo. [Fuente: A daptado de Pennyculck, 1992).
El desafío principal en la locomoción terrestre es la gravedad. En el m undo acuático, la densidad natu ral del cuerpo im parte algún grado de flotabilidad que reduce am pliam ente la influencia de la gravedad. Sin em bargo, los m oradores terrestre s son m ucho m ás densos que el aire, el fluido que los rodea. Los anfi bios y reptiles generalm ente se tienden directam ente sobre el suelo, reduciendo los gastos de la lucha con tra la gravedad. Sin em bargo, las aves y m am íferos, así como los extintos dinosaurios, utilizan los m úscu los de sus extrem idades p a ra elevar el cuerpo del suelo. Esta estrategia requiere de inversiones anató m icas y fisiológicas. Los huesos deben ser m ás grue sos p a ra reubicar la fuerza de gravedad aum entada. La m usculatura de las extrem idades debe ser m ás extensa p a ra soportar y m over las extrem idades. La actividad m uscular es n ecesaria en todo el cuerpo p a ra m an ten er activam ente la postura. Aun el pro ceso de quedarse quieto requiere considerable activi dad m uscular. En la próximo sección, tratarem os los
618 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
factores energéticos que rigen la locomoción animal. A p esar de que estas consideraciones se aplican a todos los anim ales, tienen especial relevancia en los anim ales terrestres.
La e n e rg é tica del m o v im ie n to La locom oción es costosa, y m uchos estudios de fisiología locom otriz co m parativa se cen tran en las form as en que la an ato m ía y la fisiología se utilizan p a ra m inim izar los gastos del m ovim iento (véase la Caja 13.3). A dem ás de los consum os a largo plazo de co n stru ir y m an te n e r los tejidos locom otores, los anim ales in cu rren en consum os a corto plazo cuando u tilizan esa m aq u in aria p a ra m overse. Los gastos de la locom oción, que d ependen de m uchos factores biológicos y físicos, pu ed en ex p resa rse en vario s térm in o s diferentes. Los costes m ecánicos del trab ajo p u ed en ex p resa rse en unid ad es de julios (o calorías). El gastos m etabólicos del trab ajo se ex p resan m ejor como u n recam bio de ATP (moles de ATP p o r m inuto). Se pu ed e o b ten er u n a estim a ción del recam bio de ATP a p a rtir el consum o de oxígeno, p ero sólo cuando el anim al se está m oviendo lo suficientem ente despacio com o p a ra justificar el supuesto de que la fosforilación oxida tiva está pro p o rcio n an d o el ATP. La producción de CO,, m ed id a en relación con el consum o de oxígeno, p ro p o rcio n a inform ación im portante acerca de la selección de com bustible m etabólico. Lo m ás im p o rtan te, estos d iferentes índices de gastos de locom oción se p u ed en convertir con facilidad. El consum o de oxígeno (Vo2), el p arám etro m ás fácil de m edir, p uede trad u cirse en unid ad es m etabóli cas (ATP) y u n id ad es de trab ajo (julios). Por ejem plo, u n an im al que consum e 1 m i de oxígeno genera casi 20 J de energía. Los gastos del m ovim iento d ep en d en de m uchos factores, tanto am bientales como funcionales.
Las dem andas de m o v im ie n to pueden expresarse co m o gastos to ta le s o relativo s a la masa Existen v arias form as de evaluar la energía que se necesita p ara la locomoción. Cada parám etro especí fico tiene en cuenta u n grupo diferente de considera ciones que son ap ro p iad as p a ra la situación. El cálculo de cada parám etro incluye suposiciones lógi cas que deben ten erse en cuenta p a ra in terp retar correctam ente las observaciones experim entales.
Considerem os algunos ejemplos. Un fisiólogo ecolo gista puede estar interesado en la energética de un ave m igratoria específica. La cuestión principal es la relación entre la energía acum ulada y la acción loco m otriz. El experim ento puede ser tan simple como p esar las aves antes y después de la m igración. Pue den utilizarse análisis de los tejidos corporales p ara evaluar cómo determ inados depósitos de alm acena m iento de energía cam bian como resultado de la actividad. E stas m edidas pueden incluir la m asa de tejido adiposo y los contenidos de lípidos y glucógeno del m úsculoesquelético. Por ejemplo, el investigador puede concluir que volar de un sitio a otro cuesta x julios de energía, basándose en la diferencia en los depósitos de peso y com bustible. Un fisiólogo m ás orientado hacia la biom ecánica puede estar m ás interesado en cómo la velocidad del m ovim iento afecta el consum o metabólico. Los estu dios de laboratorio pueden im plicar hacer volar a estas especies de aves en un túnel de viento p a ra eva lu ar el consum o energético de volar a diferentes velo cidades. Se pueden colocar m áscaras de gas a las aves que aporten oxígeno y capturen C02. Las dem andas m etabólicas del ejercicio se tra ta n en el contexto de un parám etro específico denom inado g a s to d e tr a n s p o r te (COT). La pregunta central en este estudio form ula cuánta energía necesita un ani m al p a ra m overse hacia u n a distancia en particular. El COT total (C0Ttotal) se calcula como el índice m eta bólico dividido por la velocidad de locomoción. COT,otai = (mi de O, por min) / (m por min) = m i de 0 2 po r min El cálculo del C0Ttotal no tiene en cuenta el índice m etabólico del anim al en reposo. Debido a que un anim al tam bién consum e energía cuando se encuen tra en reposo, el m ejor cálculo del COT es el COT neto, que se calcula utilizando la diferencia entre el índice m etabólico total y el índice m etabólico en reposo. Los cálculos del COT perm iten a los investi gadores determ inar la velocidad a la que un anim al puede m overse p a ra cruzar u n a distancia determ i n a d a econom izando lo m ás posible. Cada uno de los ejemplos anteriores considera la energética del movimiento en anim ales específicos, pero en m uchos casos los investigadores están intere sados en las com paraciones entre diferentes anim a les. El tipo m ás com ún de com paración considera los efectos del tam año del cuerpo sobre el COT. Los ani m ales m ayores utilizan m ás energía p a ra moverse,
C A P ÍTU LO 13
sim plem ente porque son m ás grandes y poseen dem andas m etabólicas m ayores. Al ten er en cuenta el im pacto del tam año del cuerpo es com ún norm alizar los p arám etro s de locomoción al tam año del cuerpo. Por ejemplo, las m edidas del índice metabólico pue den expresarse en relación con la m asa corporal p ara com parar las diferencias en dos anim ales de diferen tes tam años. Adem ás, los estudios sobre la locomo ción de los peces suelen expresar las velocidades no en térm inos absolutos (m etros por segundo), sino como las longitudes corporales por segundo. Cada uno de estos p arám etros energéticos es útil e im portante en contextos específicos. Sin em bargo, los m atices de cada parám etro son consideraciones cruciales. E xpresar los valores po r anim al en lugar de p o r gram o de anim al proporciona inform ación m uy diferente acerca de la energética. Del mismo modo, cada m edida tiene supuestos im plícitas acerca de la bioquím ica subyacente. A p esar de que estos cálculos tienen la intención de b rin d ar inform ación sobre los m úsculos que subyacen en el sistem a loco motor, es im portante reconocer que otros sistem as fisiológicos, como los sistem as respiratorio y cardio vascular, tam bién in cu rren en un consum o durante la locomoción.
La ve lo cid a d del m o v im ie n to in flu ye en los gastos de la lo co m o ció n Como m encionam os en el apartado anterior, la velo cidad del movim iento influye sobre el índice m etabó lico (milím etros de 0 2 p o r minuto), así como tam bién sobre la eficacia del movimiento, expresada como COT (milím etros de O, p o r m etro). De m an era experi m ental, estas relaciones se estudian por medio del control de la respiración de un anim al que se está m oviendo a diferentes velocidades. Esos estudios h an sido llevados a cabo en anim ales acuáticos, aéreos y terrestres. A baja velocidad, un anim al con sum e oxígeno a un nivel cercano al índice metabólico de descanso. El aum ento de la velocidad aum enta la dem anda m etabólica en u n patrón que difiere en fun ción del anim al, el estilo del m ovim iento y el entorno. Cuando se utilizan estos datos del índice metabólico p ara calcular el COT, generalm ente resulta en u n a curva con form a de U, con un COT m ínimo, a una velocidad interm edia entre las velocidades m ás len ta s y las m ás ráp id as posibles utilizando ese estilo de movimiento. Gran parte, pero no la totalidad, de la energía uti lizada por u n anim al en movimiento es utilizada por los músculos del sistem a locomotor. Por lo tanto, en
Locom oción 619
muchos casos se supone que el mínim o COT refleja la velocidad a la que los músculos prim arios se encuen tra n trabajando dentro del rango óptimo p ara la gene ración de fuerza. Por ejemplo, la velocidad óptim a de vuelo de un ave se produce cuando los músculos de las alas pueden contraerse a un a frecuencia específica, tal vez a una que se corresponda con la generación óptim a de energía de los músculos de vuelo. Si se les da la opción, los anim ales tienden a m overse a u n a velocidad específica denom inada velocidad preferida. P robablem ente haya experi m entado esto usted m ism o, si cam inó con alguien que es m ás bajo o m ás alto. Por ejemplo, u n a persona alta que cam ina con un niño pequeño encontrará desafiante cam inar al ritm o del niño. N otablem ente, la velocidad preferida generalm ente es cercana a la velocidad a la que el COT es m ínimo. La relación entre la velocidad preferida y el COT m ínim o plantea cuestiones interesantes acerca de la evolución de la fisiología. El hecho de que esos ani m ales escojan u n a velocidad cercana al COT sugiere que los anim ales pueden detectar las condiciones que resultan en una eficacia óptima. Los m ecanism os sensoriales de realim entación responsables de la relación entre la velocidad preferida y el COT no están aún del todo claros. Se supone que existe una ventaja evolutiva del com portam iento que conduce a un anim al a m overse m ás despacio de lo que podría de otra m anera. Los beneficios inm ediatos son el ahorro de energía, pero tam bién puede h ab er benefi cios a largo plazo en térm inos de evitar daños en los m úsculos. Cuando los anim ales se m ueven cerca de la velocidad m áxim a posible, los m úsculos pueden sufrir estrés isom étrico. Al utilizar los m úsculos por debajo de sus capacidades, el anim al reduce el riesgo de debilitar el daño del músculo.
Los anim a les cam b ia n el estilo del m o v im ie n to para a lte rar los gastos de la lo co m o ció n Muchos anim ales utilizan diferentes estilos de movi m iento en diferentes grados de velocidades. Un famoso estudio que surgió del laboratorio del fallecido Dick Taylor utilizó ponis p ara dem ostrar cómo los anim ales pueden cam biar el modo de an d ar p ara alterar la interacción entre la velocidad y la energé tica. Como m uchos anim ales terrestres, los ponis pre sentan distintos estilos de movimiento o m odos de andar. Van al paso a u n a velocidad lenta, al trote a u n a velocidad interm edia y al galope a m áxim a velo cidad. El grupo de Taylor midió el índice m etabólico
620 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 13.3 Genética y genómica Selección artificia l del ratón doméstico
Durante cientos de años, los hum anos han
activos pueden haber tenido m ayor sensibilidad a los
utilizado la selección artificial para personali
beneficios positivos y eufóricos de correr, o alternativa
zar la fisiología lo com otriz de los animales con el fin de que
m ente, una m enor sensibilidad a los efecto s negativos y
se adecúen a nuestras necesidades de ganado y deportes.
dolorosos de la actividad prolongada. En cualquier caso,
Por ejem plo, los caballos pura sangre y los galgos, am bos
m uchas otras características de com porta m iento se rela
notables corredores, son producto de siglos de selección
cionaban con los niveles de actividad voluntaria. Los rato
artificial. Los investigadores han em pezado hace m uy poco
nes de las líneas seleccionadas m ostraban niveles m ucho
a diseñar experim entos de selección artificial específica
m ayores de com porta m iento depredador agresivo hacia
m ente para explorar los m ecanism os por los cuales evolu
los grillos. Estudios siguientes m ostraron que la región del
cionan los sistem as locom otores, explorando los vínculos
cerebro que controla el com porta m iento predatorio, el
entre los sistem as fisiológicos.
hipotálam o lateral, tam bién estaba más activa en los rato
A principios de los noventa, Ted Garland desarrolló un
nes seleccionados. Las diferencias subyacentes en la acti
experim ento de selección a largo plazo con los ratones
vidad de CNS se reflejaron en la respuesta a los agentes
dom ésticos, con el fin de explorar la evolución de los niveles
neurofarm acológicos. Cuando los ratones de cada una de
de ejercicios aerobios. Cada ratón tuvo libre acceso a una
las líneas fueron inyectados con Ritalin, un fárm aco utili
rueda giratoria, con el núm ero de revoluciones controlado
zado para reducir la hiperactividad en los niños, las diferen
por ordenador. Se perm itió que los ratones que corrían más
cias entre las líneas dism inuyeron en gran medida. A pesar
rápido fueran los padres de la siguiente generación. Des
de que los in vestigadores reconocieron que la variación en
pués de solo 16 generaciones de dicha selección, los rato
los niveles de actividad voluntaria era atribuible en última
nes seleccionados generalm ente corrían aproximadamente
instancia a la m otivación para correr, los expe rim en tos de
2,7 veces más y dos veces más rápido que los controles de
selección tam bién aportaron un punto de vista sobre la
cría aleatorizada. A pesar de que el interés inicial del experi
fisiología locom otriz subyacente necesaria para soportar
m ento era sobre los sistem as respiratorio y m usculoesque
altos niveles de actividad aerobia. A pesar de que el
lético,
ím petu para correr puede reflejar procesos en el sistem a
estos
estudios
tam bién
revelaron
cóm o
otros
sistem as fisiológicos evolucionaron conjuntam ente con los
nervioso central, la capacidad para correr depende de la
niveles de actividad, a menudo de manera sorprendente.
fisiología locom otriz, en conjunto con otros sistem as fis io
El objetivo de estos estudios de selección fu e evaluar las relaciones entre la propensión y la capacidad locom otri ces. La característica utilizada com o la base de la selección
lógicos. Si
se examinan dos especies altam ente relacionadas
fu e una característica de com porta m iento: cuánto corrían
que difieren en niveles de actividad, sería razonable prede cir las diferencias en los índices de rendim iento de ejercicio
los ratones por propia voluntad. La razón de la variación de
y m etabolism o muscular. S orprendentem ente, los ratones
correr voluntariam ente entre los ratones de la población
seleccionados y de control no eran distinguibles en té rm i
original, perm anece sin esclarecer. Los individuos más
nos de índice m etabólico basal, índice respiratorio m áxim o
de los ponis m ientras se m ovían a diferentes ritm os increm entando la velocidad (Figura 13.43). Cuando los ponis cam inan a su velocidad preferida de 1-1,5 m /s, consum en alrededor de 300 J/m . Si se los hiciera cam inar m ás despacio o m ás rápido utili zando el m ism o m odo de cam inar, su COT aum enta ría. Lo m ism o ocurría con los ponis al tro ta r o galopar. Las d em andas energéticas a la velocidad escogida eran de 300 J/m , sin im portar el modo de andar. Al forzarlos a m overse m ás rápido o m ás des pacio que su velocidad preferida aum entaron las dem andas de energía. En otras palabras, los valores
m ínim os del COT eran los m ism os en cada m odo de a n d a r m ientras el anim al pudiera m overse a la ve locidad preferida. Un poni que cam ina, trota o galopa u n a distancia de 1 km consum irá alrededor de 300 kJ de energía. Al galopar el poni utilizará la energía m ás rápidam ente pero cubrirá la distancia en un periodo m enor de tiempo. El m odo de a n d a r alte ra los consum os de en e r gía al cam biar la m a n e ra en que se utilizan los siste m as locom otores. D entro de cada m odo de andar, el poni utiliza los m ism os grupos m usculares en u n a am plia gam a de velocidades. U na vez que el poni
C A P ÍTU LO 13
Locom oción 621
(Vmax)' m áx¡ma velocidad en carreras cortas o capacidad de resistencia. Los ratones seleccionados presentaban dife
frecuencia de m úsculos gem elos de poco tam año. Estos
rencias en algunos aspectos: transporte de glucosa m uscu
tica que los m úsculos mayores, agrupados en un m úsculo
lar, dim ensiones de los huesos, expresión de la proteína de
más pequeño más resistente a la fatiga. El fen o tip o del
"s ú p e r m inim úscu los" tenían la m ism a capacidad enzimá
choque térm ico y capacidades antioxidantes del hígado.
m inim úsculo era raro en las cuatro líneas de control y dos
A sim ism o, las actividades de las enzimas m itocondriales
de las líneas seleccionadas. El gen o los genes responsa
que soportan el m etabolism o energético m uscular eran un
bles de este fen o tip o poco com ún aún se desconocen,
poco m ayores en los m úsculos de los animales selecciona
pero la diferencia entre líneas revela dos conceptos im por
dos. Al principio, no estaba claro cuáles de estas diferen
tante s en fisiología evolutiva. Primero, la variación gené
cias entre las líneas seleccionadas y de control eran debido
tica den tro de poblaciones representa un conjunto de
a la variación genética fren te a sim ples efectos de entrena
soluciones alternativas a problem as aún no encontrados.
m iento. Por ejem plo, ¿las enzimas m itocondriales eran
El fen o tip o del m inim úsculo era relativam ente extraño en
más altas en los animales seleccionados debido a que sus
las poblaciones originales y sólo sufrió selección positiva
m úsculos habían sido remodelados com o respuesta a nive
en el c o ntexto de este experim ento. Sin em bargo, no es
les de actividad más altos? Esta pregunta se respondió en
difícil im aginar cóm o un cam bio en el entorno podría ta m
un experim ento donde se im pidió que los ratones corrie
bién prem iar este feno tip o de un m úsculo más pequeño y
ran. En estas condiciones, las líneas seleccionadas m antu
más resistente a la fatiga. En segundo lugar, estos estu
vieron m ayores actividades enzimáticas que las líneas de
dios ilustran que anim ales gen éticam ente sim ilares (pero
control. Ésta es una indicación de que las diferencias genó-
no idénticos) pueden resolver desafíos fisiológicos de dife
micas reales, al contrario que los efecto s de entrena
rentes maneras.
m iento, subyacían a las variaciones observadas en la fisiología m uscular entre las líneas. Uno de los descubrim ientos más interesantes de estos estudios de selección fu e la variabilidad entre los replica dos de líneas. Cuando com enzaron los expe rim en tos a principios de los noventa, los in vestigadores prim ero divi dieron los ratones en ocho poblaciones, lo que resultó en cuatro seleccionadas para correr y cuatro para criarse alea toriam ente y servir com o líneas de control. M ientras que las líneas seleccionadas desarrollaron niveles sim ilares de correr voluntariam ente en la rueda, las líneas de replicados variaban en m uchas form as. Por ejem plo, dos de las cua tro líneas de ratones seleccionados m ostraron una m ayor
alcan za u n u m b ral de velocidad en particular, cam b ia el m odo de a n d a r y selecciona diferentes com bi naciones de m úsculos p a ra im pulsar los diferentes m ovim ientos de las p atas. La coordinación de los m ovim ientos de las p atas tam bién difiere entre los m odos de andar. Cuando cam inan, los ponis m u e v en las p a ta s diagonales en sincronía. Cuando los ponis tro tan , m ueven sus p atas izquierdas en sin cronía. Cuando los ponis galopan, m ueven sus patas tra se ra s en sincronía, m edio ciclo desfasados de las p atas delan teras. El p atró n del movim iento de las p atas de los ponis al g alo p ar utiliza m ejor la energía
Referencias • Gammie, S. C., N. S. Hasen, J. S. Rhodes, I. Girard, and T. Garland Jr. 2003. Predatory aggression, but not maternal or intermale aggres sion, is associated with high voluntary wheel-running behavior in mice. Hormones and Behavior 44: 209-221. • Garland, T. Jr. 2003. Selection experiments: An under-utilized tool in biomechanics and organismal biology. In Vertebrate Biomechanics and Evolution, edited by V. L. Bels, J.-P Gasc, and A. Casinos, 23-56. Oxford: BIOS Scientific. • Rhodes, J. S., T. Garland Jr., and S. C. Gammie. 2003. Patterns of brain activity associated with variation in voluntary wheel-running behavior. Behavioral Neuroscience 117:1243-1256.
elástica alm acenada. Cuando el poni p lan ta sus p a ta s traseras, tam bién dobla su lomo, creando u n a tensión elástica de alm acenam iento en los huesos y los tendones. Esta liberación de la energía alm ace n a d a m ueve las p a ta s d elan teras hacia adelante. La energía de alm acenam iento en los huesos y m úscu los del lomo perm ite a los anim ales conservar la energía al galopar. La flexión del lomo m ientras corren es m enos evidente en u n poni que en otros anim ales. El guepardo, po r ejemplo, dem u estra u n a curva p ro n u n ciad a en el lomo d u ran te las carreras cortas.
622 SEG UN DA PARTE
Figura 13.43.
Integrando sistem as fisiológicos
dad de a rrib a abajo reduce la energía disponible p a ra h a c e r av an za r al anim al. En com paración con alguien que cam ina, un ciclista puede m overse m ás rápido y cubrir la m ism a distancia utilizando m enos energía. Una ra z ó n es que la bicicleta soporta el centro de g ravedad y se puede utilizar m ás energía p a ra avanzar. Del m ism o m odo, volar es m ás eficaz que cam in ar debido a que los efectos de la g ravedad se en cu en tran m inim izados po r la elevación. Los n ad ad o res son los que tien en m ejor rendim iento debido a que a m enudo se aproxim an a la flotabilidad n eu tra, donde la com posición del cuerpo anula el efecto de la gravedad. Los anim ales n ad ad o res necesitan m enos energía que los que vuelan p a ra m overse a u n a velocidad d eterm inada, p ero los voladores se pueden m over m ucho m ás rápido. A g ran d es velocidades la viscosidad y la resisten cia del agua son obstáculos in su p erab les p a ra un nadador. El entorno afecta a la relación entre la velocidad y el índice m etabólico (Figura 13.45). Los anim ales
El modo de a n d ary el gasto energético.
M uchos anim ales, com o los ponis, pueden m overse con dife rentes estilos o m odos de andar. Cada estilo de correr tiene una velocidad opcional a la cual los gastos de la locom oción son m ínim os. [Fuente: D. F. H o y ty C . R .Taylor, 1991).
El e n to rn o de te rm in a los gastos energéticos El gastos en la locomoción difiere am pliam ente en los nadadores, vola dores y corredores, m oviéndose cada uno a su velocidad óptim a (Figu r a 13.44). Los gastos son m enores p a ra los nad ad o res y m ayores p a ra los corredores. P ara viajar 1 km, un pez de 1 kg consum irá alrededor de 100 kcal, u n ave de 1 kg, alrededor de 300 kcal, y u n m am ífero de 1 kg m ás de 1.000 kcal. Las razones de estas diferencias se relacionan con la efi ciencia del m ovimiento. Com encem os p o r co nsiderar cómo se m ueven los an im ales en la tie rra . Cuando u n an im al cam ina o corre, la en erg ía debe lu ch ar contra el efecto de la gravedad. Cuando un an im al m ueve u n a p ie rn a h acia ad e lante, su centro de g rav ed ad baja. Se n ecesita trab ajo m u scu lar p a ra ra le n tiz a r el descenso. El centro de gravedad au m en ta cuando las p atas tra se ra s se m ueven hacia adelante. Se n ecesita m ás trab ajo m uscular p a ra elevar el centro de gravedad. El gasto de m over el centro de grave-
Reptadores, Vola corredores dores Insectos
Nadadores
0 ®
Peces Reptiles
•
Aves
□
Mamíferos
-6
-5
-
4
-
3
-
2
-
1
0
1
□
■
A
A
2
3
Registro masa (kg) Figura 13.44.
Gastos de la locom oción en el aire, agua y tierra.
Los gastos de la locom oción son m enores para los nadadores y m ayores para los corredores. En cada entorno, los gastos de la locom oción relativos a la masa dis m inuyen a m edida que el tam año del anim al aum enta. {Fuente: V. A. Tucker, 1975, con m odificaciones).
C A P ÍTU LO 13
Locom oción 623
Resistencia alta
(a) Nadador Figura 13.45.
(b) Volador
(c) Corredor
Curvas de trabajo para nadadores, voladores y corredores.
La form a de la relación entre trab ajo y velocidad difiere en gran m edida entre anim ales, debido a la naturaleza del entorno y al sistem a lo co m o to r del anim al, (a) Los nadadores generalm ente m uestran una relación exponencial, a m edida que la resistencia se vuelve cada vez más im portante a velocidades mayores, (b) La naturaleza de la curva en las aves difiere am pliam ente entre las especies. M uchas, com o la Carolina, tienen una curva en fo rm a de U. Las abejas y algunas especies de aves com o la urraca, tie nen curvas planas que sugieren que el trab ajo es casi equivalente en todas las velocidades. Asim ism o, el trab ajo en cada veloci dad difiere am pliam ente: a pesar que la curva es s im ila r para las palom as y las Carolinas, en la m ayoría de las velocidades las palom as gastan más energía para volar, (c) La m ayoría de los anim ales corredores m uestran un aum ento del trab ajo con la velo cidad del m ovim ien to. (Fuente: Datos para (a): L. Pettersson y A. H endenstrím , 2000; datos para (b): Tobalske e ta l., 2003).
terrestre s que poseen u n único m odo de an d ar au m en tan el índice m etabólico de form a lineal con la velocidad. La energía n ecesaria p a ra g en erar los m ovim ientos m ás rápidos de las patas es proporcio n al a la velocidad. Sin em bargo, la relación lineal sim ple no se aplica ni a los voladores ni a los n a d a dores. Los anim ales voladores, incluidos insectos, m u r ciélagos y aves, d em u estran relaciones m ás comple ja s entre el índice m etabólico y la velocidad. Muchas aves m u estran u n a relación en form a de U. Por debajo de u n a velocidad crítica, algunas aves deben consum ir energía adicional p a ra m over las alas lo suficientem ente rápido p a ra g en erar la elevación req u erid a por el vuelo. A la velocidad crítica, las aves pueden g en erar el energía m ínim a necesaria p a ra p erm an ecer en el aire. Sin em bargo, no todos los ani m ales que vuelan m u estran esta relación. Una com p aración de tres especies de aves m uestra tres patro n es diferentes. La u rrac a posee u n a curva poco p ro nunciada y utiliza u n a energía sim ilar en cada velocidad. La Carolina, p o r el contrario, posee una curva pron u n ciad a con form a de U. La curva p a ra u n a palom a es algo interm edio, pero en la m ayoría de las velocidades la palom a utiliza u n a cantidad de energía significativam ente m ayor a la m ínim a. Las diferencias entre las especies se b asan en propieda des como la frecuencia del b atir de alas, el movi m iento y la form a de éstas.
Los anim ales n adadores suelen p resen tar una curva energía-velocidad exponencial, que aum enta considerablem ente a m ayores velocidades. El m eta bolismo debe proporcionar la energía p ara satisfacer las necesidades de la energía mecánico p a ra los m ú s culos del nado. La energía m ecánica necesaria p ara m over un objeto por el agua es igual a la velocidad po r la resistencia. P ara la m ayoría de los anim ales nadadores, la resistencia es proporcional a la veloci dad elevada al cuadrado (resistencia « velocidad2) y, p o r lo tanto, las necesidades energéticas p a ra n ad ar p a ra n a d a r son u n a función de velocidad elevada al cubo. Esta relación (índice m etabólico °c velocidad3) da cuenta de la curva exponencial que se observa de m an era experim ental.
El ta m a ñ o co rp o ra l in flu y e en los gastos de la lo co m o ció n Otro factor que surge de la Figura 13.44 es el im pacto del tam año del cuerpo. En térm inos de m asa especí fica, los anim ales pequeños utilizan m ás energía p a ra m overse que los anim ales m ayores. Considere m os, por ejemplo, los gastos relativos en los que incurren tres anim ales que se m ueven 1 m etro. Un insecto pequeño consum e alrededor de 1.000 J/kg, un rató n 30 J/kg y un poni cerca de 3 J/kg. Muchos factores confusos influyen en la relación entre el tam año corporal y los gastos del transporte.
624 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
La form a m ás fácil p a ra que un investigador estudie los efectos del tam año del cuerpo es exam i n a r las propiedades de los m úsculos en la m ás am plia gam a de especies posible. La fam osa “curva del rató n al elefante” refleja las propiedades m etabó licas de los m am íferos sobre m uchos órdenes de m agnitud. El problem a al in terp retar esta relación es que los rato n es y los elefantes difieren en m uchos aspectos, p o r lo que resu lta com plicado identificar la causa m ecanicista de las relaciones observadas. Siem pre es m ás fácil en ten d er la base de las diferen cias en tre anim ales cuando las especies que están siendo estudiadas están íntim am ente relacionadas. Por lo tanto, los investigadores pueden estudiar los diferentes tam años de u n a especie en particular, o un grupo de especies íntim am ente relacionadas. Sin em bargo, estas com paraciones inevitablem ente resultan en un rango de tam años corporales m ucho menor. A p esar de estas inquietudes válidas sobre la im portancia de considerar la relevancia filogenética, perm anece aún u n a relación prim ordial entre el tam año corporal y el gasto del m ovim iento, u n a que es evidente en diferentes taxones y en anim ales terrestres, acuáticos y aéreos. Ningún factor prim o r dial es responsable del m ayor rendim iento del m ovi m iento en los anim ales grandes. Las diferencias en cada nivel de la función m usculoesquelética y la loco m oción del anim al pueden contribuir a los orígenes de esta relación casi ubicua entre el tam año corporal y los gastos de la locomoción. Las restricciones biom ecánicas de m overse a tr a vés del entorno afectan de un modo diferente a an i m ales pequeños y grandes. Los anim ales acuáticos en particu lar deben su p e rar los efectos de la resisten cia. La resistencia aum enta con el área de superficie, pero la energía aum enta con la m asa m uscular, que se refleja en la m asa corporal. La proporción del área de superficie y la m asa es m ayor en los anim ales pequeños que en los anim ales grandes. Por lo tanto, a m edida que au m en ta el tam año del cuerpo, el gasto p a ra su p e rar la resistencia aum enta, pero la capaci dad p a ra g en erar energía au m enta m ás. Así, los an i m ales m ayores utilizan m enos de su capacidad m uscular p ara cubrir los gastos de su p e rar la resis tencia. Las diferencias en la resistencia arrojan m ucha luz sobre los efectos de la m asa corporal en el consum o de la locomoción de los anim ales acuáticos, pero la resistencia tiene m enos im portancia p ara los v ertebrados aéreos y terrestres. Como aprendim os en el Capítulo 6 , los anim ales pueden producir m úsculos utilizando bloques de construcción aproxim adam ente sim ilares en estruc
tu ra pero con im portantes diferencias que influyen en la función musculoesquelética. Por ejemplo, los isom orfos de cadena pesad a de m iosina difieren en la relación entre la fuerza y la actividad de la ATPasa. Debido a que un m úsculo de contracción ráp id a difiere de un m úsculo de contracción lenta en la eco nom ía del desarrollo de la fuerza, el p atró n de reclu tam iento del tipo de fibra influye sobre los costes de locomoción. Los anim ales pequeños m ueven sus patas a u n a m ayor frecuencia que los anim ales m ayores. C onsecuentem ente, un anim al pequeño depende m ás de las fibras de contracción rápidas m enos económicas. Adem ás, el perfil del tipo de fibra del m úsculo locom otor difiere en los m am íferos pequeños y grandes. P ara un m úsculo determ inado, como el soleo, los anim ales grandes poseen m ayor proporción de m iosinas lentas. Por lo tanto, el tipo de fibra y los patrones de reclutam iento del músculo contribuyen a u n a m ayor econom ía en la locomoción de los anim ales grandes. Tam bién se dan im portantes diferencias en las propiedades m ecánicas de los m úsculos en relación con el tam año del cuerpo. Los huesos largos de los m am íferos, po r ejemplo, son casi isom étricos, la form a y el tam año relativo de los huesos es sim ilar entre m am íferos de diferentes tam años. Sin em bargo, otros aspectos del sistem a m usculoesque lético pueden diferir en im portantes m aneras. La energía elástica alm acenada es un m ecanism o im portante que los anim ales pueden utilizar p a ra aum en tar la eficacia del movimiento. Los huesos y el tejido conjuntivo es la energía elástica alm acenada m ás im portante en los vertebrados. Dentro de un taxón lim itado como los m am íferos, existe poca dife rencia en las propiedades m ecánicas de los biom ateriales utilizados p ara construir m úsculo y tejido conjuntivo. Por ejemplo, el colágeno de los ratones probablem ente no sea m uy diferente en sus propie dades al colágeno de los elefantes. Sin em bargo, los anim ales pueden ser diferentes en su form a de utili za r estos biom ateriales p a ra alm acenar la energía elástica. En prim er lugar, los anim ales pequeños y grandes difieren en la efectividad con la que alm ace nan la energía elástica. La energía puede alm ace n arse sólo cuando u n a fuerza es suficiente p a ra deform ar los elem entos elásticos. Los anim ales m ayores, debido a los efectos de la gravedad, son m ejores a la h o ra de alm acenar energía elástica durante el movimiento. En segundo lugar, los anim a les pueden diferir en la m an era en que estos m ateria les se com binan en las estructuras de locomoción. Los canguros m ayores, po r ejemplo, poseen tendo
C A P ÍTU LO 13
nes en los m úsculos de las patas relativam ente m ás g randes que los canguros pequeños. Estos tendones de m ayor tam año les perm iten alm acenar proporcio nes m ayores de energía d u rante los saltos. El mismo aum ento en la capacidad de alm acenam iento elástico del ten d ó n se observa en otros m am íferos, a p esar de que los efectos de la m asa corporal son m ayores en los canguros. U na de las razones p o r la que es im portante com p a ra r anim ales relacionados íntim am ente es el potencial de diferencias fundam entales en la organi zación del sistem a m úsculoesquelético. Los grandes m am íferos utilizan m enos energía p ara m an ten er la p o stu ra debido a que sus extrem idades se encuen tra n ubicados directam ente bajo el cuerpo. Las extre m idades que se extienden lateralm ente poseen una ventaja m ecánica menor, ya que requieren una m ayor fuerza m uscular p ara m an ten er la postura. A dem ás, los anim ales pequeños perm anecen agaza pados, lo que requiere actividad muscular. G ran p arte de la investigación en esta área de locomoción busca patro n es unificadores sim ples que p u ed an explicar la variación en las propiedades loco m otrices en am plios taxones de anim ales. En reali dad, existen probablem ente m uchas relaciones diferentes entre los anim ales. Los anim ales m ás g randes pueden ten er relaciones alom étricas distin tas a las de los anim ales m ás pequeños. Un taxón determ inado puede estar restringido po r las relacio nes filogenéticas y la historia evolutiva. Debido a que el ap arato locom otor es necesario p a ra otras funcio nes, es lógico asu m ir que la evolución ha encontrado diferentes soluciones a problem as sim ilares. Por ejemplo, los beneficios en el rendim iento de la loco m oción pueden ten er im plicaciones evolutivas dife ren tes en u n anim al herbívoro que en im depredador activo.
Locom oción 625
e m bargo, m u c h o s anim a les e x p e rim e n ta n ade m ás via je s m ás largos, aba ndonan do el á m b ito de su hogar para re c o rre r m u c h o s k iló m e tro s . H ugh D ingle ha re s u m id o c in c o a trib u to s que separan la m igració n de o tro s tip o s de viajes. 1. Los m o v im ie n to s m ig ra to rio s son p e rs is te n te s y de larga duración. A lguna s aves, c o m o el charrán ártico, viajan m ás de 2 0 .0 0 0 km e n tre los p olos d u ra n te los v ue lo s m ig ra to rio s . Los v u e lo s m ig ra to rio s de las la ngostas y las m ariposas m onarcas pue den cruzar m ile s de k iló m e tro s . 2. El m o v im ie n to es m ás lineal en dire c c ió n , sin las fre c u e n te s v u e lta s que se obse rvan cuan do los ani m ales s im p le m e n te están d e a m bu lando . Las rutas m igra to ria s pue den s e r pre visib le s a tra v é s de las genera ciones, aun sin expe riencia previa. 3. Los a nim a les no respond en a los e s tím u lo s que n o rm a lm e n te les distraen cuando están v olando en c írculos o están apo stado s. Por e je m p lo , m u c h o s anim a le s no se a lim entará n d u ra n te la m igració n, aun cuan do hubiera com id a disponible. 4. Existen c o m p o rta m ie n to s c o n c re to s que precede n a la partida y s ig uen a la llegada. Las aves prem igrato ria s e ng ullen co m id a para prepararse para la m igració n. M uchas aves n o rm a lm e n te solitarias c om ien zan a su m a rs e a g rupos que se preparan para viajar en bandadas. 5. Se p roduce una reorganización d el m e ta b o lis m o e n e rg é tic o para apoyar la lo c o m o c ió n . La m igración s uele im p lic a r dep endencia de los c o m b u s tib le s m e ta b ó lic o s alm ace nados. A l fin a l de la m igració n, el anim a l se e n cu entra fre c u e n te m e n te con las energías alm acenadas agotadas. M u c h o s anim a les m ig ra to rio s , pero no to d o s , m uestran cada una de e stas características. Los s is te m a s fis io ló gicos des e m p e ñ a n un papel im p o rta n te en la prepara ción de los anim a les para la m igració n, así c o m o en la m igració n m ism a.
Sistem as integradores
Los anim a le s que e x p e rim e n ta n m ig ra cio n e s largas m u e s tra n una pronunciada reorganización de su fis io lo
Migración
gía para prepararse para el viaje. Los g rupos de h o rm o
La lo co m o ció n anim a l requiere la in teg ración del sis
reorganizar los s is te m a s fis io ló g ic o s y alterar el c o m p o r
te m a m ú s c u lo e s q u e lé tic o con to d o s los dem á s s is te
ta m ie n to norm al de la búsq ueda de a lim e n to . Una vez
nas
respond en
a
las
seña les
del
e n to rn o
para
m as fis io ló g ic o s . Tal vez esta in teg ración se ilu s tre
que la m igració n com ienza, el anim a l no pue de se r des
m e jo r consid e ra n d o los c o s te s de la m igració n. M u c h o s
v ia do de su ruta fá c ilm e n te .
anim a les se m ue ve n d e n tro de á m b ito s geo g rá fico s
En e n to rn o s tem p la d o s , las m igracio nes de m uchas
lim ita d o s en busca de alim e n to , defensa o te rrito rio . Los
aves y algunos in s e c to s com ienzan en oto ñ o , ya que así
g astos e n e rg é tic o s de esos m o v im ie n to s diarios se ven
las e s pe cies pueden e lu d ir el frío y duro invierno. A pesar
c u b ie rto s por los n u trie n te s o b te n id o s en la dieta . Sin
de que el p ropósito de la m igración pue de s e r el de evi
626 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
ta r las frías te m p e ra tu ra s, es el cam b io en el fo to p e rio d o
C o m o c o nse cuencia , los anim a les e x p e rim e n ta n los
lo que dispara la reorganización prem igratoria. Las te m
preparativos para la rep ro d u c c ió n o el d esa rrollo parale
p eraturas estacio nales pue den cam bia r cada año, pero
la m e n te con los cam b io s m e ta b ó lic o s . Las horm onas
el fo to p e rio d o o b e dece a un patrón con sta n te . La im
c oordinan las tra n s ic io n e s m eta bólicas, re p ro d u c to ra s y
p ortancia del fo to p e rio d o que d ó dem ostra da en los
del d esa rrollo asociadas con la m igració n. Los e s te ro i
p rim e ro s estu d io s con palom as. Los in vestigadores
des, c o m o el c o rtis o l y la te s to s te ro n a , son im p o rta n te s
m antenían a las palom as bajo diverso s regím en es de
para los verte b ra d o s . Los in s e c to s m ig ra to rio s , c o m o la
fo to p e rio d o s. Las aves m antenid as en un fo to p e rio d o de
m ariposa m onarca, utilizan h o rm onas ju v e n ile s y ec d i
in vierno (8 h de luz y 16 h de oscuridad) volaron hacia el
sona.
s u r al se r liberadas. Las aves m antenid as en un fo to p e
Los h u m ano s tie n e n una historia de m igració n y via
riodo de verano (16 h de luz y 8 h de oscuridad) volaron
je s de largas distan cias. Los a n tig u o s hom ín id o s utiliza
hacia el norte al se r liberadas. Los e s te ro id e s orquestan
ban las características del paisaje y la posición del sol y
la respuesta fisio ló g ica al fo to p e rio d o . Las aves m acho
las estre lla s para guiarse en sus recorridos. Los avances
castradas, in d e p e n d ie n te m e n te del fo to p e rio d o , volaron
te c n o ló g ic o s en la navegación p e rm itie ro n a los hum a
s ie m p re hacia el su r al se r liberadas. Los su p le m e n to s
nos explorar su e n to rn o con m a y o r a m p litu d . La brújula,
de te s to s te ro n a resultan en la reanudación de la res
q ue fu e desarrollada en China en el sig lo iv a.C.,
p ue sta d e p e n d ie n te del fo to p e rio d o .
d e p e n d e del m a g n e tis m o del polo no rte . Hace m ás de
Las dem and as e n e rg é tica s de la m igració n requie
1.000 años, e x ploradores árabes desarrollaron un kam al
ren una co ordinació n delicada de varios s is te m a s fis io ló
para s e g u ir la elevación de Polaris, la Estrella del N orte,
gicos. M u c h o s anim a le s eng ullen com id a antes de la
un in dicad or de la la titud . Los p e rfe c c io n a m ie n to s en la
m igració n, para "e n g o rd a r" para el viaje. Los colibríe s
navegación la titu d in a l s u rg ie ro n con la aparición del
au m entan su m asa un 5 0 % con d e p ó s ito s de lípidos.
a stro labio, el c uad ran te y el ja lón. Los nave gantes u tili
Los lípidos son el c o m b u s tib le p re fe rid o deb id o a la eco
zaban
nom ía en el a lm a ce n a m ie n to (ATP p o r g ra m o de c o m
co rre cta , y luego desplazarse al e s te o al o e s te para ir a
estas
herra m ie n ta s
para viajar en
la la titud
bustib le). Un co lib rí de 3 g que d ep osita 1,5 g en gotas
pue rto . En el sig lo xvm, los explo ra d o re s que utilizaban
de grasas necesitará alm ace nar 15 g de partículas de
el sol para d e te rm in a r la lo n g itu d se diero n cuen ta de
g lu có g e n o (¡cin co ve ce s su ta m a ñ o c o rporal!) para
q ue nece sitaban una m anera para d e te rm in a r el tie m p o ,
alcanzar el m is m o c o n te n id o calórico. Los c am bio s en la
d eb id o a que la posición del sol variaba 15° de lo n g itu d
m asa corporal ta m b ié n trae n co n se cuencia s b io m e c á n i
cada hora. El desa rrollo de c ro n ó m e tro s y se x ta n te s ,
cas. Las aves m arinas m igra to ria s o b tie n e n ta n ta grasa
c o m b in a d o s con m apas c e le s te s detallados, facilitaro n
que les cuesta m u c h o despegar. M u c h o s anim a les se
la exploración y colonización hum ana.
ve n o bliga dos a utilizar sus n u trie n te s d u ra n te la m igra
Los seres hum ano s no son los únicos anim a les que
ción, rechazando el a lim e n to aun si lo enco ntraran.
d e p enden de los cu e rp o s c e le s te s y el g e o m a g n e tis m o
S e guir estra te g ia s de no a lim e n ta c ió n tie n e grandes
para navegar, a pesar de que las "h e rra m ie n ta s " de
ventajas para los anim a les m ig ra to rio s . En los anim a les
o tra s es p e c ie s se e n c u e n tra n en su pro p io s is te m a . Los
que d e p enden de los c o m b u s tib le s alm ace nados, el
a nim a les pue den utilizar "la b rú ju la " para o rie n ta rs e y
é x ito de la m igració n no d e p e n d e de la búsq ueda de ali
alguna fo rm a de "m a p a " para id e n tific a r el obje tiv o .
m e n to d u ra n te el cam ino . La búsqueda de a lim e n to en
G e n eralm ente, se piensa que su traza de m apas es una
tie rra s desco n o cid a s pu e d e a u m e n ta r el rie sg o del ani
fu n c ió n de la m em o ria, pero la brújula nece sita algún
m al de s e r atacado por d ep red adores. En m u c h o s
m e c a n is m o n e u rose nsorial para d e te c ta r la dirección.
casos, ta m b ié n p e rm ite al anim a l deg rad ar su sis te m a
Las prim e ra s in ve stig a cio n e s, realizadas p rin c ip a lm e n te
dig e stivo , redu cie n d o los g a sto s del m e ta b o lis m o ru ti
en las aves, d e te rm in a ro n la im portancia del sol y las
nario.
e stre lla s en la navegación. Inve stig a cio n e s m ás recien
A m e n u d o las m ig ra cio n e s anuales se e n cu entran
te s han d e m o s tra d o que los anim a le s ta m b ié n de te c ta n
ligadas al desa rrollo re p ro d u ctiv o . Con frecu encia , los
el g e o m a g n e tis m o . En to d o s los anim a le s estu d ia d o s
a nim a les m ig ra to rio s se reproducen d e sp ués de alcan
hasta la fecha, los s is te m a s m a g n e to s e n s o ria le s utilizan
zar su destin o . La reproducción, c o m o la m igració n,
d im in u to s c ris ta le s de ó xido de hierro den o m in a d o s
nece sita de una gran cantid ad de energía, y las de h is to
m a g n e tita s . Los m e c a n is m o s p o r el que e s to s cris ta le s
ria de vida con é x ito deb en e q u ilibrar las n ece sidade s de
se e n cu entran in teg rad os en el s is te m a neu rose nsorial
am bas fu n cio n e s. A lg u n o s anim a le s m aduran reproduc
no se han e s tudiado hasta hace poco. En las aves, se
tiv a m e n te a n te s de la m igració n, pero la m ayoría retrasa
c ree que las seña les que se derivan de los m ag n e to rre -
la rep ro d u cció n
c e p to re s son in te rp re ta d a s p o r el c irc u ito visual.
hasta hab er alcanzado su de s tin o .
C A P ÍTU LO 13
M uchos
seres
h u m ano s
poseen
una
habilidad
innata para utilizar el o lfa to para e n c o n tra r la panadería m ás cercana o las salidas del desagüe, pero la m ayoría no d e p e n d e m o s de indicaciones quím icas para la nave gación. C o m o v im o s en el C apítulo 4, la d e te c c ió n de sustancias quím icas a m b ie n ta le s por el g u s to o el o lfa to son p osible s a tra vé s de redes e s pe cíficas de re c e p to res y n e u ro tra n sm iso re s. En m u c h o s casos, e s to s s is te m as senso ria le s son utilizado s para localizar a la presa, c o m o en la respuesta de los tib u ro n e s a la sangre. O tras e spe cies utilizan la quím ica hidráulica para navegar d urante la m igració n. El salm ón deja su huella en las in dicaciones quím icas de sus arro yos natales, lo que les p e rm ite regresar al arro yo d u ra n te el des o v e m uchos años m ás tard e. A pesar de que esta capacidad es im p re sio n a n te , la su pe rvivencia del sa lm ó n ta m b ié n n ece sita que sea im p e rfe cta . Los p e ce s de s o rie n ta d o s que entran al río "e q u iv o c a d o " exp lo ta n nu e vo s hábi ta ts o a u m entan la m ezcla de los ban cos de genes. Los g astos e n e rg é tico s de la m ig ra ció n son extra o r dinarios. M u c h o s anim a le s utilizan rutas o e stra tegias m igra to ria s que m inim izan los c o s te s e n e rg é tic o s de la lo co m o ció n . Los in s e c to s d e p e n d e n p rin c ip a lm e n te de las c o rrie n te s de v ie n to para re d u c ir los g astos del vuelo. Las aves m igra to ria s se suben a burbujas té rm i cas para ganar a ltitu d sin c o n s u m ir energía al b atir las alas. Las m ig ra cio n e s oceánicas de los calam ares y las anguilas en el A tlá n tic o utilizan la C o rrie n te d el G olfo para alcanzar sus d estin os. Sin em bargo, los c o ste s de lo co m o ció n durante la m igración son altos y g e n e ra lm e n te se alcanzan a travé s de la m ovilización de los co m b u s tib le s alm acenados. !
Resumen La locomoción anim al depende de la coordinación de varios sistem as fisiológicos, que incluyen los siste m as m úsculoesquelético, circulatorio, respiratorio, digestivo y sensorial. Los m úsculos están com puestos p o r com binaciones de tipos de fibras. Los m úsculos locom otores en los peces son principalm ente dos o tres tipos de fibras organizadas en m úsculos hom o géneos. Los tetrápodos poseen m ás m úsculos, cada uno de los cuales posee m últiples tipos de fibras. El p atró n de contracción m uscular locomotriz está con trolado p o r n eu ro n as m otoras. La actividad nerviosa coordina el p atró n contráctil y controla la selección del m úsculo a diferentes velocidades. Los gastos energéticos de la actividad m uscular d u ran te la locomoción son alcanzados por las enzi
Locom oción 627
m as de la fosforilación oxidativa y la glicólisis. La fos forilación oxidativa m itocondrial proporciona com bustible p a ra la actividad m uscular en reposo y el ejercicio de baja intensidad a largo plazo. La glicóli sis, en com binación con las reservas de fosfágeno como el ATP y la fosfocreatina, proporciona el com bustible p a ra la actividad de gran intensidad y corta duración. El ejercicio de gran intensidad incurre en déficits de corto plazo que deben ser com pensados d urante la recuperación. Las horm onas controlan la movilización y utilización del com bustible metabólico muscular. El sistem a cardiovascular entrega oxígeno y n utrientes a los m úsculos que trab ajan a través de redes capilares. Los agentes vasoactivos regulan el diám etro de los vasos sanguíneos p a ra alterar la corriente sanguínea hacia los m úsculos. El oxígeno sum inistrado a las m itocondrias m usculares es ayu dado po r la mioglobina proteica que se une al oxí geno. Los m úsculos funcionan en conjimto con los sis tem as esqueléticos. Los esqueletos duros se com po nen de secreciones celulares que conform an la m atriz extracelular. Los osteoblastos y los osteocitos producen la m atriz de los esqueletos de los v erteb ra dos, que luego experim entan m ineralización u osifi cación. P ara m overse, los anim ales deben su p erar facto res físicos asociados con el entorno. Los fluidos, como el aire y el agua, fluyen en capas suaves hasta encontrar objetos. Cuando un objeto encuentra un fluido, éste altera la corriente del fluido. Cuando el objeto provoca que el fluido cam bie de flujo lam inar a flujo turbulento, el objeto incurre en un gasto adicio nal p a ra m overse a través del fluido. Los efectos com binados de las propiedades de los fluidos y las dim ensiones del objeto determ inan el núm ero de Reynolds. Los efectos de la inercia dom inan el m ovi m iento del anim al cuando el núm ero de Reynolds es alto. Los efectos de la viscosidad dom inan cuando los núm eros Reynolds son bajos. La resistencia es una fuerza que se opone al movim iento de avance. La resistencia de la presión resulta de u n a acum ulación de fluido frente al objeto en movim iento, m ientras que la resistencia de la fricción resulta de la in terac ción entre la superficie del objeto y el fluido. La form a dinám ica reduce la resistencia de la presión p ara reducir los costes del movimiento. Las estrategias de locomoción deben com pensar los gastos de su p erar la gravedad. En el agua, los gastos de com batir la gravedad se reducen por las estrategias de flotabili dad, como el alm acenam iento de lípidos o de bolsas
628 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
llenas de gas como la vejiga natatoria. En la tierra, el sistem a m úsculoesquelético se utiliza p a ra superar los efectos de la gravedad. Los anim ales voladores y n ad ad o res pueden su p e rar la gravedad utilizando apéndices especiales que actúan como superficies aeroestáticas o hidroestáticas. E stas estructuras g en eran la elevación p a ra oponerse a la atracción de la gravedad hacia abajo. Los anim ales que planean utilizan la elevación por corrientes de aires naturales p a ra vencer la gravedad. Las extrem idades generan los m ovim ientos de fluidos que son responsables de la propulsión. La locom oción anim al es energéticam ente cara. Los gastos m etabólicos del m ovim iento dependen de la velocidad. P ara cada tipo de m ovim iento, existe u n a velocidad óptim a p a ra la cual el gasto es m ínim o. Muchos anim ales utilizan sus sistem as de loco m oción de diferentes m an eras p a ra crear distintos estilos de movim iento, como los m odos de andar. Los gastos de los m ovim ientos difieren en cada tipo de entorno debido a los efectos com binados de las pro p iedades de los fluidos y la gravedad. Los gastos de la locomoción son m enores p a ra los nadadores y m ayo res p a ra los corredores. El tam año corporal tam bién influye sobre los gastos de la locomoción. Los anim a les de m ayor tam año poseen gastos totales mayores, a p esar de que los gastos relativos a la m asa son m enores.
P reguntas de revisión 1. ¿Por qué puede u sarse el consum o de oxígeno p ara m edir el gasto de energía de los anim ales en m ovim iento? 2. Explique las diferencias entre los distintos tipos de fibra m uscular y hágalos coincidir con los diferentes tipos de movimiento. 3. Explique el papel del esqueleto de los v erteb ra dos en la locomoción.
4. ¿Cómo afecta el tam año corporal a los gastos de locomoción anim al? 5. ¿Qué es el núm ero de Reynolds y po r qué afecta a u n anim al en movim iento?
6 . ¿Cómo provoca el flujo de aire la elevación de un objeto? 7. ¿Qué g eneraría u n a m ayor elevación, el ala de un ave o la aleta de un pez, en caso de ser de las m ism as dim ensiones?
8 . ¿Cómo pueden los anim ales alterar su in terac ción con el entorno p a ra reducir los gastos de desplazam iento de un lugar a otro?
P reguntas de síntesis 1. ¿Qué características anatóm icas y funcionales influyen en la eficacia del transporte de oxígeno desde los eritrocitos a las m itocondrias m uscu lares? 2. Muchos anim ales alteran su fisiología como resp u esta a frecuentes rach as de actividad. En los hum anos, esto se conoce como el efecto del entrenam iento. ¿Cómo esperaría que variase cada sistem a fisiológico como respuesta al en tre nam iento? 3. Muchos peces m arinos n ad an h a sta aguas pro fundas y frías p a ra perseguir a sus p resas o p a ra evitar a los depredadores. ¿Cómo afecta el agua fría a su capacidad de nado? 4. Prediga las propiedades fisiológicas del sistem a locom otor de (a) un guepardo y (b) un perezoso arbóreo. 5. Explique los cam bios en los sistem as cardiovas cular y respiratorio que soportan (a) la actividad de alta intensidad y (b) la actividad estable. 6 . Explique la recuperación de u n a actividad de alta intensidad. Tenga en cuenta los cam bios fisiológi cos, físicos y químicos que acom pañan a esta actividad, y lo que debe ocurrir p ara p rep arar al anim al p a ra otra rach a de actividad.
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C a p ítu lo 14 Fisiología termal
a e n d o te rm ia, es decir, la capacidad de gene rar y m a nte ne r te m p e ra tura s corpo ra les ele vadas, ha su rg id o en varias ocasiones en el tra n scu rso de la h istoria e vo lu tiva de los ani m ales. Está estrecham ente v incu la da con la capacidad de p ro d u c ir ca lo r m edia n te el m e ta b olism o y, p o r lo ta n to , con el nivel de activid a d . La m ayoría de las aves y m am ífe ro s m o de rn o s presentan altos ín d i
Fósil del Archaeopteryx.
ces m eta b ólicos y pueden m a nte ne r la te m p e ra tura co rpo ra l p o r encim a de la te m p e ra tura a m b ie n ta l, con frecuencia d en tro de estrechos m árgenes té rm ico s. Si
m illones de años), los m am íferos se habían diversifica
las aves y los m am ífe ro s e volu cion a ron de difere n te s
do en varias líneas de m arsupiales e insectívoros. Cuan do los d inosaurios se extinguieron hace unos 65
antepasados reptiles, p o r lo que la e n d o te rm ia apare ció de fo rm a ind e p en d ie n te al m enos dos veces. No
m illones de años, al fin al del periodo Cretáceo, se prod u
o bstante, las pruebas fó sile s indican que o tro s reptiles e x tin to s p ud ie ron haber sido e n d o té rm ico s ta m b ié n .
jo una explosión de diversificación m am ífera. Nuevas
El re gistro fó s il de los a nim ales del p e rio d o p a le o n to
que los d inosaurios dejaron en el entorno. No es posible
lóg ico de hace 200 a 65 m illo n e s de años es especial
d eterm inar con certeza el m o m en to en que surgió la en
m ente claro, d ado que m uestra e je m p lo s indudables
doterm ia en la transición de reptiles sim ilares a m am ífe
de las tra n sicio n es de los reptiles a m am ífe ro s y aves.
ros a verdaderos m am íferos, aunque es probable que
Los prim eros m am íferos aparecieron hace aproxi
especies m am íferas com enzaron a ocupar los nichos
los reptiles cinodontes hayan sido endotérm icos. A dife
queños reptiles n octurnos que se encontraban
rencia de la m ayoría de otros reptiles de la época, los ci nodontes contaban con un paladar óseo secundario en
lejanam ente em parentados con los dinosaurios que do
la parte su pe rio r de la boca que les habría perm itid o res
m adam ente 200 m illones de años: evolucionaron de pe
minarían la Tierra en años posteriores. Los fósiles que se
pirar m ientras m asticaban. Esta organización anatóm ica
rem ontan a este periodo revelan la existencia de varias líneas de reptiles sim ilares a los m am íferos, que se dife
es una característica de los anim ales endotérm icos, dado que no pueden in te rru m p ir la respiración a fin de
renciaban respecto de otros reptiles en la m orfología del
sostener elevados índices m etabólicos. Parece que los
cráneo y la organización de los dientes. Si bien la m ayo
cinodontes tam bién tenían pelo, lo que los habría ayuda
ría de estos linajes han desaparecido, un grupo de repti
do a aislar el cuerpo.
les denom inados cinodontes han dado origen a los
Las aves, el o tro g ru p o de e n d o té rm ic o s m o de r
verdaderos m am íferos. Los p rim eros m am íferos m antu
nos, ta m b ié n e volu cion a ron de los reptiles, aunque
vieron la característica reptil de poner huevos, com o los
m ucho m ás ta rd e que los m am ífe ro s y de diferentes antepasados reptiles. En el p e rio d o en que los d in o
m onotrem os, los equidnas y los o rn ito rrinco s m oder 630
nos. Hacia com ienzos del periodo Cretáceo (hace 144
bien am bos se consideran "ve rte b ra d o s s u p e rio re s",
plum ados. Los dinosaurios de m ayor tam año eran sim plem ente dem asiado grandes com o para expulsar calor m etabólico y por tanto retenían el calor corporal. Se cree que m uchos dinosaurios m ás pequeños tam bién fueron endotérm icos. Diversas pruebas sostienen la idea de que estos anim ales contaban con un índice m etabólico lo suficientem ente elevado para ser endotérm icos. La estructura ósea y la postura indican elevados índices de m o vim ie nto , que en los anim ales m odernos exige un alto índice m etabólico, y son posibles sólo en los anim a les de sangre caliente. A l igual que los endotérm icos modernos, m uchos dinosaurios presentaban cerebros relativam ente grandes relacionados con el procesa m iento sensorial superior. Debido a que el te jid o cere bral posee una gran dem anda energética, los cerebros de m a yo rta m a ñ o pueden ejercer una influencia notable en el índice m etabólico global del cuerpo. Se han fo rm u lado otras teorías con el fin de sustentar los argum entos de que los dinosaurios fueron endotérm icos. Sin e m bar go, n inguno de ellos resulta to ta lm e nte convincente por las lim itaciones en lo referente la utilización de propie dades anim ales m odernas co m o guías en la estim ación de las características fisiológicas de estos anim ales ex tin g u id o s hace m uchos años. •
Cinodontes.
saurios com enzaron a d is m in u ir, va ria s líneas de re p ti les ya habían d e sa rro lla d o co be rtura s corpo ra les s im i lares a las plum as. En un g rup o , los d in o sa urio s te ró p o d o s co m o el Archaeopteryx , las plum as presen taban una estructura s im ila r a la de las aves m odernas: eran asim étricas, una característica ú til en el vu elo con plum as. Por el c o n tra rio , los o tro s reptiles e m p lu m a dos de la era, tales co m o Protarchaeopteryx robusta y
Caudipteryxzoui, contaban con plu m a s sim étrica s. De b id o a que este tip o de plu m a s no pueden em plearse para volar, d ebieron haber su rg id o en estos d in o sa u rios para o tro s fin e s co m o el aisla m ie n to . Si bien estas otras líneas de re ptile s em p lu m a d o s se e xtin g u ie ro n , es p robable que hayan sido e n d o té rm ico s ta m b ié n . M uchos investigadores creen que la endoterm ia tam bién apareció en otros linajes de dinosaurios no em
pluma del Archaeopteryx (asim étrica).
631
632 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I Presentación Cabe reco rd ar del Capítulo 2 que la energía térm ica influye en la interacción quím ica, de tal m odo que puede afectar a la estru ctu ra m acrom olecular y las reacciones quím icas. Por lo tanto, la tem peratura ejerce efectos dom inantes en todos los procesos fisio lógicos y p o r ello los anim ales cuentan con estra te gias térm icas: u n a com binación de respuestas conductuales, bioquím icas y fisiológicas que asegu r a n que la tem p eratu ra corporal (TB) se encuentre dentro de los límites aceptables. La influencia am biental m ás im portante sobre la estrategia té r m ica (aunque no la única) es la tem p eratu ra am bien tal (T J. Los anim ales deben sobrevivir las TA m áxim as y m ínim as de su nicho (extrem os térmicos), así como los cam bios en la TÁ (cambio térmico). Los anim ales h ab itan la m ayoría de los nichos térm icos del p lan eta (Figura 14.1). Los am bientes m ás cálidos explotados por los anim ales son las regiones cercanas a las fuentes term ales, como las fuentes geotérm icas subm arinas, los volcanes y los géiseres. Los lugares m ás fríos habitados por los an i m ales son las regiones alpinas y polares. Si bien los anim ales que sobreviven en los extrem os de calor y frío nos sorprenden, la capacidad de to lerar los cam bios de tem p eratu ra resu lta igual de desafiante desde el punto de vista fisiológico. Las tem p eratu ras del entorno varían con m ayor frecuencia en los ecosiste m as terrestres, dado que las tem p eratu ras del aire se
Fuentes termales t (Relevado) ■ Desierto cálido (variación diaria)
A .
*O
m odifican m ás rápidam ente y alcanzan m ayores extrem os que las del agua. Muchos ecosistem as p resentan variaciones té r m icas en relación con el espacio. Los refugios subte rrán eo s am ortiguan los extrem os térm icos de la superficie. La TÁ de las regiones alpinas varía como resultado de los gradientes altitudinales que aparecen a ta n sólo unos kilómetros. Los grandes cuerpos de agua, como lagos y océanos, pueden p resen tar varia ciones en la TÁ según la profundidad. Las tem pe ra tu ra s de las profundidades del océano (zona batipelágica) suelen estar alrededor de los 4 °C, m ien tras que las del agua interm edia (zona m esopelágica) y superficial (zona epipelágica) son m ucho m ás cáli das y variables. Los grandes lagos tem plados pueden presentar u n a tem peratura casi uniform e o contar con im portantes dem arcaciones (termoclimas) entre el agua de la superficie y la del fondo, a veces con una diferencia de m ás de 10 °C en m enos de un m etro de profundidad. Los ecosistem as tam bién pueden p resen tar variaciones térm icas de form a tem poral. Los ecosis tem as acuáticos y terrestre s en los trópicos tienden a ten er u n a TA relativam ente constante, aunque las zonas polares y tem pladas experim entan ciclos dia rios y estacionarios de frío y calor. Las tem peraturas del aire pueden cam biar con m ayor velocidad que las de las aguas, a veces incluso por m ás de 20 °C en un m ism o día. Los anim ales interm areales pueden experim entar el calor de un día de verano durante
_ Región alpina (fr'° extremo) Zona templada (variaciones estacionales) Zona intermareal (variaciones rápidas en la TA)
Zona epipelágica (Ta variable)
Fuentes geotermales submarinas (>100°C) Figura 14.1.
Nichos térm icos en la zona tem plada.
C A P ÍTU LO 14
sólo unos pocos segundos antes de que el frío océano los bañe. Muchos anim ales incorporan conductas en la estrategia térm ica, aunque tam bién deben enfren tarse a los efectos de la tem p eratu ra en la bioquím ica y la fisiología.
Intercam bio de calor y estrategias térm icas El p arám etro fisiológico m ás im portante en la fisiolo gía term al de u n anim al es la tem p eratu ra corporal (Ty. La estrategia térm ica de un anim al sirve p a ra controlar la transferencia de energía entre el anim al y el entorno. Algunos to leran am plios cam bios en la Tb y los efectos de estos cam bios en m uchos procesos fisiológicos. Otros necesitan em plear un a com bina ción de m étodos fisiológicos y conductuales a fin de aseg u rar que la TB se m antenga casi constante. Al igual que otros sistem as fisiológicos, am bas estrate gias (la tolerancia y la regulación) presen tan gastos y ganancias. Los m ecanism os fisiológicos que confie ren una Tb constante utilizan energía. Cuando se p e r m ite que la TB varíe, algunos procesos fisiológicos im portantes tales como el desarrollo se vuelven sen sibles a los cam bios am bientales. Si bien la TÁ ejerce el im pacto m ás evidente en la biología térm ica ani mal, otras vías de intercam bio de calor tam bién son im portantes en varios contextos.
El control de los flujos de calor La Tb de u n anim al es el reflejo de la energía térm ica que se retiene en las m oléculas del cuerpo. La en er gía térm ica puede traslad arse de un anim al al entorno o de este último al prim ero en función de los gradientes de tem p eratu ra. El m etabolism o, es decir, la sum a de todas las reacciones bioquím icas que se producen en el cuerpo, es la fuente principal de en er gía calorífera en la ecuación de equilibrio térm ico en la m ayoría de los anim ales. No obstante, otras fuen tes y disipadores im portantes de energía térm ica tam bién afectan el presupuesto térm ico de un anim al (Figura 14.2). La ecuación de equilibrio térm ico tiene en cuenta todas las vías p o r las cuales la energía té r mica, que se abrevia como H, puede e n trar o salir del cuerpo: AH,total ,. = AHmetabolismo ,. + AHconducción , + AHconvección .. + AHradiación .. + M íevaporación
Fisiología term al 633
Si la ecuación m encionada sum a cero (A//totaJ = 0), no se producen m odificaciones netas en la energía térm ica del anim al y la TB perm anece constante. Si el flujo de energía térm ica que p enetra en el anim al excede la pérdida de calor, la TB aum enta. Cada una de estas vías de intercam bio de energía térm ica depende de las propiedades térm icas del entorno, así como de las características físicas y fisiológicas del animal. • La conducción es la transferencia de energía té r m ica de u n a región de un objeto o fluido a otra. Los anim ales se enfrían cuando la energía térm i ca se conduce hacia afuera del cuerpo, m ientras que se calientan al absorber el calor de objetos conductores. • La con vección es la transferencia de energía té r m ica entre un objeto (el anim al en este caso) y un fluido externo que se mueve. Por ejemplo, el aire cálido se parece m ás fresco cuando fluye po r la piel que cuando perm anece quieto. En la m ayoría de los casos, la convección produce u n a pérdida de energía térm ica en los anim ales. • La rad iación es un térm ino general que hace re ferencia a la em isión de energía electrom agnética de un objeto. Un anim al puede absorber el calor radiante que emite el entorno, aunque tam bién puede emitirlo desde su propia superficie, un im portante motivo po r el que pierde calor. La ra d ia ción infrarroja que un objeto em ite indica la tem p eratu ra superficial de éste. • La evap oración de las m oléculas de agua de la superficie de determ inado objeto absorbe la en er gía térm ica de éste. Así, el intercam bio de calor m ediante la evaporación resulta siem pre en una p érdida de calor de parte del anim al. El peso relativo e incluso la dirección de tran sferen cia de calor de cada uno de estos p arám etros varía entre los diferentes anim ales y condiciones. Las pro piedades del anim al, entre ellas la com posición física y el color, ejercen un a poderosa influencia en la im portancia relativa de estos intercam bios.
El agua cuenta con una m a yo r c o n d u ctivid a d que el aire Resulta difícil cuantificar la conducción debido a los num erosos factores que afectan al intercam bio de calor. Comencemos con el estudio de cómo participa la conducción en la transferencia de energía térm ica po r un determ inado m aterial, por ejemplo u n a del
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Integrando sistem as fisiológicos
aluminio parece frío porque posee un a alta conductividad térm ica (210 W /m por K) y extrae calor de la m ano con facilidad. Del m ism o modo, el agua a 5 °C parece m ás fresca que el aire a la m ism a tem p eratu ra debido a que la conductividad térm ica de la p rim era es unas 25 veces m ás ele vada que la de la segunda (0,58 frente a 0,024 W /m por K). Dado que el agua tiene un a m ayor cantidad de m olécu las po r unidad de volum en, es m ás probable que se produzca en ella un choque de m oléculas que origina una transferencia de energía. La ecuación de F ourier describe de m an era sencilla cómo se desplaza la energía térm ica: transferencia de calor en u n a sola dim ensión (de la fuente al disipador de calor) en un m ism o m aterial uniform e. Estos m is m os p arám etros (X, \ T y L) se aplican en la biología térm ica, aunque los anim ales constituyen sistem as m ucho m ás complejos. Considerem os la influencia de la conductancia té r mica. El calor se traslad a de los teji dos internos, a través de otros tejidos y fluidos, h asta el entorno externo, Figura 14.2. Fuentes y disipadores de energía térm ica. cada uno de los cuales cuenta con su La tem peratura corporal de un anim al se ve in fluida por el in tercam bio de calor propia conductividad térm ica (Ta con el entorno. Esta serpiente se calienta por m edio de la energía radiante del sol y la energía térm ica Irradiada por el entorno. El anim al Intercam bia energía té rm i bla 14.1). Las capas superficiales del ca m ediante objetos y flu id o s en contacto con la superficie externa (conducción). cuerpo poseen aislantes que reducen El m ovim ie n to del aire aum enta la eficacia del in tercam bio de calor por convec la transferencia de calor. El aisla ción. El anim al m ism o irradia energía térm ica al aire circulante. m iento, como el pelaje y las plum as, tam bién increm enta la distancia entre el punto m ás caliente cerca de la piel y el m ás gada b a rra de m etal que se calienta en uno de los frío en la fase global. extrem os. El índice de transferencia de calor del El cálculo del flujo de calor resulta m ás complejo extrem o caliente al frío (flujo de calor) se describe debido a las diferentes form as geom étricas del m ediante la ley de Fourier y la siguiente ecuación: entorno y el anim al. El calor no se desplaza en el cuerpo por un cilindro de aire unidim ensional que se extiende sobre la piel, sino que se conduce m ediante varias dim ensiones desde la fuente. La geom etría ani m al tam bién desem peña un papel im portante. Los en la que el flujo de calor (Q) depende del gradiente anim ales alargados y delgados producen tanto calor de tem p eratu ra (A71, la distancia por la cual se como uno corto y redondo con la m ism a m asa, pero extiende el gradiente (I) y la conductividad térm ica las diferencias relativas a la superficie influyen en el (k) m edida en vatios por m etro por kelvin (W/m por intercam bio de calor. Debido a que las pérdidas de K). La conductividad térm ica es un a propiedad espe calor se producen en las superficies externas, un ani cífica de u n m aterial. Los objetos que se consideran m al puede alterar el intercam bio de calor m ediante como disipadores de calor cuentan con un a alta con actividades que modifican la superficie real. Por ductividad térm ica. Por ejemplo, un recipiente de
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Tabla 14.1.
Material
Conductividad térm ica de los materiales.
Conductividad térmica (W/m por K)
Aire
0,02
Nieve
0,10
Agua
0,59
Roca
1-3
Hielo
2,1
Músculo
0,5
Grasa
0,2
ejemplo, los pingüinos reducen la pérdida de calor de los pies al apoyarse sobre los talones, utilizando las plum as de la cola p a ra m an tener el equilibrio. Debido a que las plum as tienen m enor conductividad que los pies, se pierde m enos calor. La Figura 14.2 m uestra u n a serpiente que intercam bia calor de form a sim ul tán ea con varias superficies. Si bien po r u n a parte pierde calor po r conducción en la superficie superior, tam bién intercam bia calor m ediante la superficie inferior en contacto con las rocas.
El in te rca m b io de ca lo r c on vectivo depende de los m o v im ie n to s de flu id o Im aginem os que nos encontram os en u n a piscina de agua que tiene 10 °C m enos que el cuerpo. Nuestro cuerpo com ienza a p erd er energía térm ica casi de inm ediato a m edida que calienta el agua casi unos 10 °C en la superficie de contacto. Una vez que ésta se calienta, la energía térm ica se conduce lentam ente a la fase global del agua. Cuando los intercam bios de calor alcanzan cierto equilibrio, el cuerpo com ienza a p erd er energía térm ica a la velocidad que se requiere p a ra recalen tar la superficie de contacto, que se enfría de m an era progresiva al disiparse la energía térm ica hacia la fase global. Se necesita m ucha m enos energía p a ra recalen tar la superficie de con tacto bajo estas condiciones estables que la que se requirió p a ra calentarla en prim er lugar. A hora con siderem os cómo cam bian los gradientes cuando el fluido b añ a el cuerpo. Éste pierde energía térm ica rápidam ente al calentar u n a superficie de contacto que se reem plaza p o r otra m ás fría de inm ediato. El calor que se pierde por un fluido en movimiento, sea éste aire o agua, constituye un a pérdida de calor con vectiva. La velocidad de dicha pérdida depende del
Fisiología term al 635
gradiente térm ico entre la superficie y el fluido, la ta sa de flujo del fluido sobre la superficie y la conduc tividad.
La energía radiante calienta algu nos anim ales En los sistem as biológicos, el intercam bio de calor radiante se produce a través de la radiación electro m agnética en el rango infrarrojo de ondas de largo alcance. Así, si u n a luz roja (de largo alcance) y una azul (de corto alcance) de igual intensidad brillaran sobre la piel, la roja calentaría la superficie con m ayor eficacia. En el m undo natural, la fuente m ás im portante de calor radiante es el sol. Los fotones del sol estim u lan las m oléculas en la atm ósfera, el suelo y el agua, calentándolos por m edio del calor radiante. De este m odo, cuando los anim ales se calientan por conduc ción m ediante el aire, el agua o el suelo, la fuente pri m ordial de calor es la energía radiante. Sin em bargo, los anim ales tam bién pueden calentarse de form a directa m ediante la radiación solar, que m uchas especies acentúan a través de lo que se conoce como tom ar el sol. La coloración pálida del cuerpo refleja fotones en el rango visible y la coloración oscura absorbe los fotones dentro de este rango de longitud de ondas. Los anim ales que tom an sol p a ra calen tarse suelen contar con altos niveles de pigm entos negros o m arro n es que ayudan a absorber la energía térm ica. Como resultado de la diversidad en color, los anim ales de u n a m ism a zona pueden ten er tem p era tu ras notablem ente diferentes (Figura 14.3). En los sistem as terrestres, el suelo se calienta d urante el día y luego se convierte en u n a im portante fuente de energía térm ica po r m edio de la conduc ción y el calor radiante cuando se pone el sol. Los anim ales tam bién pierden energía térm ica cuando em iten calor radiante. Así, éste puede ser u n a ganan cia o pérdida total en los anim ales. La relación que explica la radiación de un anim al caliente se describe con la ecuación de Stefan-Boltzmann: P = Ae
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Integrando sistem as fisiológicos
nos cálidos pueden hum edecer el vientre antes de re to rn a r al nido, haciendo que los huevos se benefi cien del enfriam iento por evaporación. Los canguros, que no sudan, se lam en las superficies de la piel que están altam ente vascularizadas y el enfriam iento se produce a m edida que se evapora la saliva. No todos los enfriam ientos po r evaporación resultan beneficiosos: cuando los anim ales semiacuáticos abandonan el agua, suelen contar con superficies corporales húm edas, por lo que la tem pe ra tu ra del cuerpo dism inuye debido al enfriam iento por evaporación.
Figura 14.3. Heterogeneidad de interm areal.
TBen la zona
La fotografía in frarroja puede em plearse para com parar la tem peratura corporal (TB) de los anim ales. En esta im agen, los m ejillones m uestran una tem peratura más elevada que la estrella de m ar debido a que cuentan con una m ejor capaci dad para absorber la energía radiante. La estrella de mar, con una superficie m ayor, tam bién se ve afectada por el enfria m iento por evaporación. (Foto sum inistrada por Dr. Brian Helm uth, U n iversity o f South Carolina).
La evapo ració n induce a la pé rdida de c a l» J El enfriam iento p o r evaporación surge cuando los fluidos extraen energía térm ica de la superficie cor p oral a m edida que las m oléculas de agua realizan la transición de líquido a vapor. La m agnitud de la p é r dida de calor depende del volum en de agua y el calor de vaporización. Se necesita m ás energía p a ra eva p o rar el agua del sudor que el agua p u ra dado que los solutos au m en tan el calor de vaporización del agua. La eficiencia del enfriam iento po r evaporación tam bién depende de la presión p arcial del vapor de agua en el aire. Si éste p resen ta u n a hum edad elevada, el agua se evapora con m enor facilidad. La tran sp iració n es sólo u n a de las m an eras en que los anim ales utilizan el enfriam iento po r evapo ración. Cuando un hipopótam o se revuelca en el b arro de u n a rib era húm eda, el b arro frío extrae el calor del cuerpo (conducción). Ésta es u n a eficaz estrategia de enfriam iento incluso si el barro está caliente: se absorbe la energía térm ica a m edida que se seca el b arro . Otros anim ales cubren la superficie corporal con agua, como los elefantes que se rocían la espalda con agua o las aves que se d an un chapu zón en u n a ch arca de agua. Las plum as húm edas tam bién presen tan u n a m enor capacidad aislante, p o r lo que perm iten que se pierda u n a m ayor canti dad de calor metabólico. Las aves que h ab itan entor
La p ro p o rció n de la sup erficie con respecto al vo lu m e n afecta al flu jo de calor La proporción de la superficie con respecto al volumen (véase la Figura 14.4) afecta a todos los aspectos de la ecuación de intercam bio de calor: la conducción, con vección, radiación y evaporación. La diferencia en la proporción es crítica en varios contextos. Un anim al determ inado puede alterar la superficie expuesta a fin de modificar el flujo de calor. Los perros se estiran cuando tienen calor p a ra m axim izar la pérdida de calor hacia el suelo, m ientras que se enrollan cuando sienten frío, p a ra m inim izar la pérdida de calor en el aire. La proporción entre la superficie y el volumen tam bién entra en juego cuando se com paran los ani m ales de diferente tam año o m asa corporal. La im portancia del tam año corporal o, m ás p re cisam ente, la proporción de la superficie con re s pecto al volumen, se observa claram ente en m uchas com paraciones. El lobo ártico es casi 1/10 de la m asa de un oso pardo, aunque cuenta con el doble de pro porción entre superficie y volum en. Si bien h abitan nichos sim ilares, el lobo ártico se enfrenta a gastos term orreguladores m ayores debido a su tam año. Del
Figura 14.4.
Ratas topo desnudas.
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Fisiología term al 637
m ism o m odo, cuando u n anim al crece, la m asa cor poral se increm enta con m ayor velocidad que la superficie. Por lo general, los anim ales grandes p ier den calor m ás lentam ente y retienen m ejor el calor que los pequeños. Los efectos del tam año corporal y la form a tam bién se m anifiestan en la evolución ani mal. La regla de Bergm ann afirm a que los anim ales que h ab itan entornos fríos tienden a ser m ayores que los de entornos m ás cálidos. La regla de A lien indica que los anim ales que h ab itan climas m ás fríos tien den a p resen tar extrem idades m ás cortas que los de climas cálidos. Así, los m am íferos o aves que h abitan las regiones polares o las grandes alturas tienden a ser m ás grandes y p resen tar patas m ás cortas que los de la m ism a especie que h ab itan en regiones m ás tem pladas. E stas reglas de ecogeografía se aplican a la m ayoría de los m am íferos y aves estudiados a la fecha, aunque resu ltan poco relevantes p a ra los ani m ales que perm iten que se m odifique la TB. Un anim al regula el intercam bio de calor al alte ra r la p o stu ra del cuerpo a fin de m inim izar o maxim izar la superficie expuesta. La serpiente pitón se enrolla p a ra form ar u n a bola a fin de conservar el calor m etabólico durante la digestión. Cuando lo hace, debido a que p resen ta u n a form a casi cilin drica, la superficie expuesta al exterior dism inuye en alrededor de u n 85%, reduciendo notablem ente la pérdida de calor. Los anim ales tam bién reducen la superficie al acercarse a otros anim ales. Las ra ta s topo desnudas (Figura 14.4) h ab itan en m adrigueras a tem p eratu ras relativam ente constantes y no son capaces de controlar la tem p eratu ra corporal m ediante el m eta bolismo, p o r lo que, si se las coloca en grupos, se acu rru ca n u n as con otras cuando las tem p eratu ras caen por debajo de los 22 °C. Esto les perm ite m an ten er u n a Tb relativam ente constante a unos 22 °C, aunque u n a ra ta topo desnuda p o r sí m ism a no es capaz de defender la TB en u n a baja TA: cuando no se puede agrupar, la TB se aproxim a a la TA, dism inuyendo h asta los 12 °C. Desde la perspectiva del anim al indi vidual, el hecho de ag ru p arse reduce el calor al incre m en tar la T ,, reem plazando el aire frío por un vecino cálido, m ien tras que desde el punto de vista de la colonia, la agrupación funciona como una estrategia term orreguladora al dism inuir la proporción de la superficie respecto del volumen.
con u n a gruesa capa de tejido adiposo bajo la piel en form a de grasa, que interrum pe el flujo de la energía térm ica del centro a la superficie externa del animal. Por lo general, los anim ales em plean el aislam iento externo p ara reducir la p érdida de calor. El pelaje y las plum as lim itan el movim iento m olecular entre la superficie del anim al y la fase global del entorno. El calor se pierde en proporción al gradiente térm ico (AD en la superficie del anim al. Éste calienta las m oléculas de aire o agua en la capa de aislam iento y luego las retiene en ella. El gradiente de tem peratura global de la piel a la fase global es el mism o, aunque la distancia es m ayor y el anim al pierde calor por conducción. El pelaje tam bién im pide que los fluidos reco rran la superficie de la piel, po r lo que hay una m enor pérdida de calor convectiva. La eficacia del aislamiento depende del grosor. Cuando se enfrentan a tem peraturas frías, las aves (o mamíferos) pueden cam biar la disposición de la plu m as (o el pelaje) con el fin de modificar el volum en de aire retenido en el pelaje. Del mismo modo, los ani m ales que h abitan entornos m ás fríos cuentan con pelajes m ás gruesos con m ayor capacidad aislante (Figura 14.5). Algunas especies alteran el grosor del aislamiento externo de form a estacional. Los pelajes gruesos constituyen u n a carga term orreguladora durante las estaciones cálidas, por lo que resulta beneficioso abandonarlos en la prim avera. Debido a que el grueso del pelo se compone de células m uertas, el costo de volver a form ar el pelaje cuando las tempe-
El aislam iento reduce el intercam bio térm ico
Figura 14.5.
El aislam iento interno y externo perm ite reducir la p érd id a de calor. Los m am íferos m arinos cuentan
Existe una relación directa entre el grosor del pelaje y la capa cidad de actuar como aislante. (Fuente: modificado de Wilmer etal., 2002).
Zorro ártico
Lobo
O jtf CD Q-
Oso pardo
0 O C O) E 03 CO
Conejo Oso polar
Marta
0
Ardilla
® Comadreja O Musaraña Mamíferos africanos Grosor del pelaje A islam iento.
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Integrando sistem as fisiológicos
ratu ras dism inuyen es m enor en com paración con los costos m etabólicos a los que se enfrentaría el anim al si in ten tara enfriarse m ediante m ecanism os fisiológi cos. Los m am íferos modifican la naturaleza del pelaje de form a estacional produciendo una m ayor densidad de pelo. Algunas aves, como la perdiz blanca, produ cen plum as especializadas con un cañón adicional a fin de increm entar la densidad del plumaje.
Estrategias térm icas Los invertebrados son los anim ales m ás term otoleran tes de cada nicho térm ico. Los desiertos m ás cáli dos se en cu en tran poblados p or m illares de insectos, aunque sólo unos pocos vertebrados. Los invertebra dos tam b ién soportan las tem p eratu ras m ás frías, p o r lo general al e n trar en u n estado inactivo. Una vez que se estabiliza en este estado de “anim ación suspendida”, logran sobrevivir a tem p eratu ras m u cho m ás bajas que incluso los entornos naturales m ás fríos. Por el contrario, sólo unos pocos v erteb ra dos, como la ra n a forestal, cuentan con la capacidad de sobrevivir con tem p eratu ras corporales bajo cero, congelados en refugios subterráneos. Las expresiones com unes sangre fría y sangre caliente no logran reflejar la com plejidad de las estrategias térm icas, que se describen m ás adecua dam ente m ediante dos grupos de térm inos diferen tes: poiquiloterm ia frente hom eoterm ia, o ectoterm ia frente a endoterm ia.
Los p o iq u ilo te rm o s y h o m e o te rm o s d ifie re n en la e sta bilida d de la TB Los térm inos poiquiloterm ia y hom eoterm ia distin guen a los anim ales en b ase a la estabilidad de la TB. Los p oiq uiloterm os son los anim ales con u n a TB variable, es decir, u n a que varía en respuesta a las condiciones am bientales. Por el contrario, los h o m eoterm os son los anim ales que m antienen u n a TB relativam ente estable. La m ayoría de los hom eoter m os logran m an ten er u n a TB constante por medio de procesos fisiológicos que regulan las tasas de produc ción y pérdida de calor. La diferencia entre los poiquiloterm os y los hom eoterm os depende de las propiedades del anim al y la natu raleza del entorno. Un anim al puede m an te n e r u n a Tb constante si hab ita un entorno con u n a TA constante. Por ejemplo, los peces polares habitan aguas que se m antienen frías y por definición son hom eoterm os. No obstante, sus parientes m ás cerca
nos viven en océanos con tem p eratu ras que varían de form a estacional y, por lo tanto, son poiquiloter m os. Del m ism o m odo, es probable que un a carpa dorada en un acuario cubierto nunca experim ente m odificaciones en la TB, salvo si se la traslad ara a un estanque. Por lo tanto, la carpa dorada puede consi d erarse un hom eoterm o o poiquiloterm o según la situación concreta. Debido a que estos térm inos dependen en su m ayor p arte de la naturaleza del entorno m ás que de la fisiología del anim al, no resul ta n útiles p a ra describir las estrategias térm icas.
Los ecto d e rm o s y e n d o te rm o s d ifie re n en la fue n te de energía té rm ica corp ora l Los térm inos ectodermo y endoterm o distinguen a los anim ales por los m ecanism os fisiológicos que d eter m inan la Tb. El entorno determ ina la TB de un ec to derm o. Si el ectoderm o presenta u n a TB variable, puede denom inarse tam bién poiquiloterm o. Los en d oterm os son los anim ales que generan calor interno a fin de m an ten er im a TB elevada. Si bien éstos regulan la TB en u n rango estrecho, no necesi ta n que sea constante. Tanto éste como el enfoque anterior p a ra clasifi car las estrategias térm icas pueden aplicarse en casi la totalidad de los anim ales. La m ayoría de las aves y m am íferos pueden clasificarse como hom eoterm os, debido a que la TB es estable, y como endoterm os, dado que el calor metabólico aum enta la TB. No obs tante, m uchos anim ales se describen m ejor con una com binación de térm inos (Figura 14.6). Por ejemplo, los peces polares son ectoderm os hom eotérm icos: la Tb es constante pero se determ ina po r la TÁ. Los m onotrem os, al igual que otros m am íferos, son endo term os, aunque m antienen u n a TB m ás reducida que presenta m ayores variaciones. La utilización ad e cuada de estos térm inos requiere u n a com prensión de la capacidad fisiológica del anim al, así como la consideración de las propiedades térm icas del entorno correspondiente.
Los he te ro te rm o s presentan una e n d o te rm ia te m p o ra l o regional ¿En qué m edida debe m antenerse constante la TB p ara que el anim al se considere hom eoterm o? En realidad, la m ayoría de los anim ales se enfrentan a cierta variación en la tem peratura, tanto de form a espacial como tem poral. Muchos anim ales endotér micos priorizan el m antenim iento de determ inadas regiones anatóm icas entre estrechos rangos térm i
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Fisiología term al 639
ciones notables y prolongadas en la Tb. Cuando se exponen a las frías tem p eratu ras de la noche, la TB puede dism inuir varios grados (Figu ra 14.7). Los m am íferos hibernantes, como las ardillas terrestre s y los m u r ciélagos, perm iten que la TB se reduzca durante los m eses inverna les. Si bien dejan que sus cuerpos se enfríen, tam bién se los considera endoterm os porque producen y retie nen el calor m etabólico p a ra m an te n e r la Tb por encim a de la TA. No obstante, se describe a estos an im a les endotérm icos m ás precisam ente como h eteroterm os tem p orales, p a ra reflejar la variabilidad de la TB en el tiempo. Algunos anim ales ectotérm icos tam bién en tran en la descripción de los heteroterm os tem Figura 14.6. Estrategias térm icas. porales. M uchas serpientes, como la La m ayoría de los anim ales pueden clasificarse com o hom eoterm os o polqulloterpitón, se enroscan p ara form ar una m os, o bien com o ectoderm os o endoterm os. Esta figura ilustra las diversas espe bola después de h a b e r ingerido a la cies cuyas estrategias térm icas com binan elem entos de diferentes estrategias. presa, lo que ayuda a re te n e r el calor Por ejem plo, los m onotre m os son m enos hom eotérm icos y m enos endotérm icos que otros m am íferos. m etabólico producido po r la diges tión. La heteroterm ia tem poral es una estrategia que p resen ta diferentes beneficios p a ra endoterm os y ectoterm os. Perm ite cos. Los hom eoterm os suelen m an ten er el sistem a que un endoterm o conserve la energía en las frías nervioso central y los órganos internos en tem p era tem p eratu ras al reducir los gastos de term orregulatu ras m ás o m enos constantes, m ientras que perm i ción. S um inistra a los ectoterm os con un periodo de ten que las tem p eratu ras de la periferia varíen. La m etabolism o acelerado p a ra agilizar la digestión, tem p eratu ra de estas profundas regiones in tern as se asim ilación de nutrientes y biosíntesis. suele d enom inar tem peratura central. Los seres La m ayoría de los ectoterm os pierden rá p id a hum anos, p o r ejemplo, m antienen u n a tem p eratu ra m ente el calor m etabólico en el entorno y, por lo central casi constante. No obstante, ciertas regiones tanto, no son capaces de aum en tar la TB m uy por del cuerpo hum ano pueden experim entar tem p era encim a de la T v Sin em bargo, los h eteroterm os tu ras m ucho m ás bajas que la TB central. En los reg io n a les pueden reten er el calor en ciertas regio entornos fríos, los hum anos m odifican la co m en te nes del cuerpo. Los peces de pico, tales como las agu sanguínea a fin de perm itir que se enfríen las m anos ja s y los peces espada, son ectoterm os, aunque y los pies p ara conservar el calor interno. Los tam bién cuentan con la capacidad de calentar d eter m achos cam bian la posición del escroto p ara evitar m inadas regiones del cuerpo. Los órganos calentado que el tejido esperm atogénico se caliente en exceso. res producen suficiente calor en las proxim idades del Sin em bargo, la TB central en los hum anos tam bién ojo y los nervios ópticos p ara aum en tar la claridad puede m odificarse debido a determ inadas circuns visual cuando se sum ergen a grandes profundidades tancias. La Tb puede v ariar en las hem bras d urante el en las frías aguas (véase el Capítulo 6). Los peces ciclo de reproducción. Asimismo, puede elevarse pelágicos grandes poseen intercam biadores de calor varios grados como resultado de la fiebre. En com pa contracorriente p a ra conservar el calor de la diges ración con otros anim ales, son diferencias regionales tión en el centro del cuerpo (véase el Capítulo 12). y tem porales m enores, p o r lo que los hum anos se Los atunes y tiburones peregrinos son capaces de consideran hom eoterm os endotérm icos. reten er el calor m iogénico en el músculo. El calenta A diferencia de los hum anos, m uchos otros m iento del m úsculo rojo aum enta la capacidad m etam am íferos y algunas aves experim entan m odifica
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Integrando sistem as fisiológicos
Hora del día Figura 14.7.
Enfriam iento de corto plazo en las aves.
M uchas aves tem p lada s perm iten que la tem p era tura c o rp o ral dism inuya cuando caen las tem p era turas durante la no che. Esta estrategia de heterote rm ia tem p ora l ahorra energía m etabólica. (Fuente: m od ifica d o de Reinertsen y Haftorn, 1986).
bélica y puede m ejorar el rendim iento contráctil al n a d a r (véase el Capítulo 13). Los gradientes térm icos se producen en los cuerpos de m uchos anim ales, aunque estos h eteroterm os regionales p resentan m ecanism os fisiológicos específicos p a ra producir y conservar el calor de form a regional. Si bien la m ayoría de los insectos son ectoterm os, algunas especies son h eteroterm os regionales, otras h eteroterm os tem porales y algunas especies pueden ser am bos, en función del periodo del año. Los insec tos voladores m ás grandes, como los abejorros, las polillas grandes y las cigarras, cuentan con un índice m etabólico m uy elevado en los m úsculos de vuelo. La tem p eratu ra torácica en u n insecto volador grande puede increm entarse m ás de 10 °C, incluso cuando otras regiones del cuerpo m antienen u n a tem p era tu ra aproxim ada a la TA. Curiosamente, estos anim a les tam bién son capaces de m odular la producción de calor. Con anterioridad al vuelo inician vías term ogénicas que calientan el tórax. Cuando com ienzan a volar, pueden m odificar el intercam bio de calor p ara m an ten er u n a tem p eratu ra torácica casi constante d u ran te el vuelo, incluso cuando la TÁ varía (Figu r a 14.8). Los insectos sociales utilizan la agrupación p a ra controlar la tem p eratu ra de la colonia. Las ab e jas sobreviven a los fríos inviernos al form ar grupos estrecham ente unidos. Una abeja individual en la colonia está com pletam ente caliente o fría depen-
TA (°C) Figura 14.8.
Insectos heterotérm icos.
Cuando vuelan, m uchos insectos grandes son capaces de conservar el calor m etabólico que surge cuando se activan los m úsculos de vuelo. Esto calienta el tóra x m ientras el resto del cuerpo perm anece cerca de la tem peratura am biental, un ejem p lo de la heteroterm ia regional. (Fuente: basado en Ha rrison e ta l., 1996).
diendo de su posición en el grupo, que actúa como el cuerpo de un anim al heterotérm ico regional. El calor del cuerpo “central” de la colonia se genera por m edio de las abejas que se ubican cerca del centro del grupo, m ientras que las abejas del exterior del grupo (las abejas de m anto) actúan como aislantes.
La te m p e ra tu ra in flu y e en los índices m e ta b ó lico s de los e n d o te rm o s y e cto te rm o s Las estrategias fisiológicas p a ra hacer frente a las distintas tem p eratu ras difieren entre ectoterm os y endoterm os. En el caso de los prim eros, la m odifica ción en la TA altera la TB y cam bia de form a directa la velocidad de varios procesos biológicos. Por el con trario, los endoterm os responden a las alteraciones en la TA al inducir u n a respuesta reguladora a modo de com pensación. A p esar de las diferencias, tanto endoterm os como ectoterm os se enfrentan a gastos y consecuencias fisiológicas cuando se producen m odi ficaciones en las condiciones am bientales. Los efectos de la tem p eratu ra pueden definirse en térm inos del im pacto que ocasionan en las funcio nes anim ales. Por lo general los anim ales p asan la m ayor p arte de la vida entre un rango de tem p eratu
C A P ÍTU LO 14
ras que son óptim as p a ra los procesos fisiológicos. La zon a term o n eu tra de u n endoterm o hom eotérm ico en reposo es el rango de tem p eratu ras am bientales en las que el índice m etabólico es m ínimo, conside rado el m etabolism o basal o BMR (Figura 14.9). Si las tem p eratu ras se elevan a un punto denom inado la tem p era tu ra crítica su p erior (UCT), el índice m etabólico au m en ta a m edida que el anim al induce u n a resp u esta fisiológica a fin de evitar el calenta m iento excesivo. Si la tem p eratu ra cae por debajo de la tem p era tu ra critica in ferior (LCT), el m etabo lismo se eleva p ara in crem entar la producción de calor. En m uchos anim ales la TB puede calcularse a p artir de la extrapolación de la línea que describe el índice metabólico a tem p eratu ras inferiores a la LCT. Cuando se enfrentan con u n desafio hipotérm ico, los anim ales reducen la TB a fin de m an ten er la hom eos tasis en el índice metabólico. Por lo general estas re s puestas com pensatorias en TA elevadas o reducidas perm iten que el anim al m antenga u n a TB constante, aunque con posterioridad a determ inado punto el anim al ya no es capaz de sostenerla. Zona termoneutra
Fisiología term al 641
El concepto de u n a zona term oneutra no se aplica en el caso de los anim ales que modifican la TB, aunque incluso los ectoterm os presentan rangos de valores de Ta (y Tb) en los que el crecimiento y la reproducción son óptimos. En bajas tem peraturas, todos los proce sos de desarrollo se vuelven m ás lentos debido a la reducida velocidad de reacciones m etabólicas (Figura 14.10). Las altas tem peraturas dañan moléculas, célu las y tejidos, lo que pone en peligro la salud del animal. Éstos buscan de form a activa la tem peratura prefe rida, u n a Ta que se encuentra dentro del rango p a ra el funcionam iento óptimo. Los anim ales difieren en la capacidad de sopor ta r modificaciones en la tem p eratu ra am biental. Los anim ales eu ritérm icos poseen u n a zona term oneu tra am plia y son capaces de to lerar un am plio rango de tem peraturas. La carpa común, po r ejemplo, en el verano logra sobrevivir a tem p eratu ras de agua de h asta 40 °C, m ientras que en el invierno soporta tem p eratu ra s de aproxim adam ente 0 °C. Los anim ales esten otérm icos, por otro lado, se lim itan a un estre cho rango de tem p eratu ras am bientales. Algunos sólo toleran tem p eratu ras frías. Los peces antárticos se crían a - 1 ,9 6 °C, aunque m ueren de estrés té r m ico a tem p eratu ras levem ente superiores a 0 °C. Otros estenoterm os sólo toleran las altas tem p eratu ras. Cabe n o tar que es el rango de TA y no de TB el que se em plea p a ra clasificar a los anim ales en euritérm i-
O C
8 Temperatura ambiental Figura 14.9. Zonas de efectos térm icos de un homeotermo en reposo. Los endoterm os hom eotérm icos m antienen una tem peratura corporal casi constante en un am plio rango de tem peraturas am bientales (línea roja). Cuando las tem peraturas am bienta les caen por debajo de la tem peratura crítica in fe rio r (LCT), el anim al debe aum entar el índice m etabólico (MR) a fin de ge nerar calor y así m antener la TB constante. Al extender la línea que explica el índice m etabólico por debajo de la LCT al eje X, se obtiene la tem peratura corporal ( TB) com o intersección. Por debajo de determ inado punto, el anim al ya no es capaz de m antener una tem peratura central constante y se produce la hipoterm ia . Cuando la tem peratura am biental aum enta por encima de la tem peratura crítica supe rior (UCT), el anim al eleva el m etabolism o para expulsar calor. Si las tem peraturas son aún más altas, el anim al ya no puede defender la te m p e ratura corporal y com ienza a su frir la hiperterm ia.
t Límite
. t Óptima Temperatura (°C)
Figura 14.10.
Tem peratura y desarrollo.
La tem peratura altera la velocidad de m uchos procesos fis io lógicos en los anim ales ectotérm icos. Por debajo de determ i nada tem peratura lím ite, el desarrollo no es lo suficientem ente rápido para que crezca el anim al. La tasa de crecim iento se eleva de form a exponencial con la te m p e ra tu ra hasta cierto punto, tras el cual otros increm entos térm ico s son perjudiciales.
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eos o estenotérm icos. Los hom eoterm os endotérm i cos m antienen tem p eratu ras corporales entre rangos estrechos, aunque pueden ser euriterm os o estenoterm os dependiendo de la capacidad de soportar diferentes niveles de TA. Es posible observar las diferencias en la term otolerancia al com parar poblaciones o especies que h an evolucionado en distintas latitudes o alturas. La capacidad de determ inado anim al p a ra tolerar u n a Ta m ás reducida que la de su com petidor le perm ite expandirse en un nicho am biental m ás frío. Muchos anim ales estrecham ente em parentados presen tan claras diferencias con respecto a las preferencias té r m icas que influyen en la distribución geográfica de los mism os. Los patro n es latitudinales son frecuentes en las especies de peces tanto de agua salada como de agua dulce. Especies estrecham ente em p aren ta das de b arracu d as, p o r ejemplo, h abitan en latitudes específicas en la costa del Pacífico con prom edios de Ta característicos. De norte a sur, un a especie reem p laza a la otra de form a gradual a m edida que la tem p e ra tu ra m edia del agua varía ta n sólo entre 3 y 8 °C. Asimismo, se observan p atro nes latitudinales en los anim ales terrestres. M uchas especies de aves h ab i ta n en poblaciones de gran d es y bajas alturas, cada u n a con especializaciones fisiológicas y diferencias m orfológicas propias. El am biente térm ico que se produce de la com binación entre la latitud y la altura tam bién determ ina el rango de m uchos anfibios. Las ra n a s trep ad o ras an dinas (Hyla andina) pueden encontrarse en zonas de baja altura lejos del ecua dor, aunque en las zonas m ás cercanas al ecuador logran sobrevivir a m ayores alturas. La base genética de las diferencias en term otoleran cia no siem pre es clara. Con frecuencia es posible determ in ar los motivos por los cuales los niveles o las propiedades de determ in ad a proteína varían en dos anim ales en relación con la tem peratura. No obs tante, la base que subyace a las com plejas diferencias en la fisiología term al es m ás com plicada. Por ejem plo, dos especies de h ám ster siberiano, Phodopus campbelli y P. Sungorus, difieren en la biología té r m ica desde el punto de vista de la morfología, el ais lam iento, la conducta y la fisiología. Si bien son especies estrecham ente em parentadas, el último antepasado que tuvieron en com ún fue hace m ás de dos millones de años. U na característica compleja como la densidad del pelaje depende de diversos genes, m uchos tipos de células y redes de regulado res génicos. A dem ás, si bien am bas especies pueden p resen tar m uchas diferencias genéticas, sólo algunas influirían en la biología térm ica.
Respuesta ante una temperatura corporal cam biante Si bien m uchos ectoterm os y poiquiloterm os habitan en am bientes térm icam ente estables, como en las profundidades m arinas, m adrigueras subterráneas, selvas tropicales o el intestino de un hom eoterm o, otros deben enfrentarse a cam bios frecuentes y n o ta bles en la TB. Debido a los efectos de la tem p eratu ra en las funciones m acrom oleculares y el m etabolism o, los ectoterm os y poiquiloterm os deben to lerar o com p en sar los efectos complejos, y m uchas veces perju diciales, de las tem p eratu ras cam biantes.
Estructura m acrom olecular y m etabolism o De las cuatro clases de macrom oléculas, sólo las pro teínas y los lípidos se ven significativamente afectados por las tem peraturas que superan el rango habitual. Las uniones débiles (fuerzas de van der Waals, enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas) dom inan las interacciones en el interior de dichas m acrom olé culas y entre sí. Cada tipo de unión presenta una respuesta característica frente a la tem peratura. M ientras que a altas tem peraturas los enlaces de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals se rom pen, las interacciones hidrofóbicas se estabilizan. Así, los efectos de la tem peratura en las estructuras m acro m oleculares dependen de la im portancia relativa de cada tipo de enlace. Los efectos de la tem peratura en determ inado proceso biológico pueden evaluarse m ediante una representación de Arrhenius (véase la Caja 14.1). Los investigadores pueden utilizar este enfoque p ara estudiar cómo la tem peratura influye en la estructura y función de las m acromoléculas, reac ciones enzim áticas y procesos complejos como el índice metabólico.
Los an im a les rem o de lan las m em b ran as para m a n te n e r una flu id e z casi constante En el Capítulo 3 analizam os la estructura de las m em branas celulares y la im portancia de la fluidez de la m em brana. Las fuerzas de van der W aals m an tienen unidos los lípidos de la m em brana. Si bien las interacciones entre los fosfolípidos son fuertes, la m em brana debe contar con la fluidez necesaria como p ara perm itir que las proteínas roten y se difundan
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de form a lateral en la m ism a. Las bajas tem peraturas hacen que los lípidos de la m em brana se solidifiquen, lo que perjudica el movim iento proteico. Por el con trario, las elevadas tem p eraturas licúan la m em b ran a, afectando a la integridad y reduciendo la eficacia como b a rre ra de perm eabilidad. Las células regulan el balance entre el estado gel sólido y el sol líquido. La tem p eratu ra afecta a las m em branas a través de la función proteica y la fluidez fosfolípidica. Es posible evaluar los efectos en la función proteica de las m em b ran as por medio de análisis cinéticos. Por ejemplo, la Na+/K+ ATPasa interactúa con los lípidos de la m em b ran a durante el proceso de transporte. La actividad del tran sp o rtad o r puede m edirse en una serie de diferentes tem p eratu ras y luego rep re sen tarse en relación con la tem peratura. Los cam bios en la fluidez de la m em b ran a habitualm ente producen u n punto de interrupción en la representación de A rrhenius de la función proteica de la m em brana, como se visualiza en la Caja 14.1. La fluidez de la m em b ran a se m ide en m em b ra n as biológicas po r medio de un m aterial de contraste (difenil hexatrieno) que produce un a m odificación en las propiedades ópticas en relación con la liber tad de tran sp o rtarse por la m em b ran a (Figu ra 14.11). Cuando se com paran las m em branas de diferentes especies, cada u n a p resen ta u n a dism inu ción en la fluidez (m edida como m odificaciones en las p ropiedades ópticas) cuando se enfría la m em b ran a. Teniendo en cuenta las diferencias entre los nichos térm icos, este análisis indica que los anim a les producen m em b ran as que cuentan con la m ism a fluidez a tem p eratu ra am biente. Esta observación es análoga a la conservación de Km que se detecta en las enzim as de anim ales que h ab itan diferentes nichos (véase el Capítulo 2). Se observa el m ism o patrón cuando u n anim al se aclim ata a diferentes tem p era tu ras. Los anim ales ectotérm icos reducen los efectos nocivos de la tem p eratu ra al m odificar la com posi ción de las m em b ran as. En este proceso, denom i nado a d a p ta c ió n h o m eo v isc o sa, las células rem odelan las m em b ran as a fin de conservar la flui dez. Tres m ecanism os ap u n tan a los fosfolípidos (Figura 14.12), m ien tras que un cuarto m ecanism o m odifica el contenido de colesterol. 1. Longitud de las cadenas de ácido graso. Los fos folípidos con cadenas cortas de ácidos grasos no pueden form ar tan tas interacciones con ácidos grasos adyacentes y, p o r lo tanto, son altam ente móviles. La eficacia de h ab er acortado las cade-
Fisiología term al 643
Temperatura (°C) Figura 14.11.
Fluidez de la membrana.
Las m em branas se tratan con un colorante (difenil hexatrie no) con propiedades ópticas que se m odifican en relación con la fluidez de la membrana. La anisotropía constituye una pro piedad óptica que refleja la capacidad de un colorante para al terar la conducta de la luz polarizada plana. La anisotropía guarda una relación inversa con la fluidez: a temperaturas más cálidas, la dism inución en la anisotropía refleja un au m ento de la fluidez. Los anim ales que habitan diferentes en tornos producen m em branas que poseen una fluidez sim ilar en el rango de temperaturas norm al (se indica m ediante la parte más gruesa de las líneas).
Baja fluidez
Alta fluidez
Figura 14.12. Las propiedades de los fosfolípidos y la fluidez de la membrana. Las células m odifican la fluidez de las m em branas al alterar la com posición de los fo sfo líp id o s en éstas.
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Integrando sistem as fisiológicos
Caja 14.1 Fundamentos m atem áticos Evaluación de los efectos térmicos en los procesos fisiológicos mediante Q10 y las representaciones de Arrhenius Para m uchos procesos fisiológicos, un aum ento de tem peratura de 10 °C habitual m ente duplica o triplica la velocidad del proceso. Podemos describir estos efectos de la tem peratura en la velocidad de la reacción de form a m atem ática m ediante el valor Q10. El valor Q10 es en esencia la proporción entre las velocidades de reacción a dos tem peraturas ajustadas a una diferencia de 10 °C entre sí. Se calcula de la siguiente manera: K2
Q, o - ^ x -
10
( 7-2 - 7-,)
donde las velocidades de una reacción (K) se com paran en dos tem peraturas (1 y 2). Así, si se observa una velocidad de 10 unidades/m in (/C,) a 20 °C (T,), y una velocidad de 20 unidades/m in (K2) a 30 °C (T2), entonces Q
10
0
-
10
'
(10)
= 2
El valor Ü 1Qpara un proceso es la m ejor manera de expresar la influencia de la tem peratura en las velocidades de reac ción, aunque el m ejor enfoque para estudiar el m ecanismo de acción es m ediante la representación de Arrhenius. A finales de 1800, el quím ico Svante Arrhenius propuso un enfoque m atem ático para analizar el im pacto de la tem pera tura en los procesos m acromoleculares. Hoy en día utiliza mos este enfoque para estudiar procesos com o las reacciones enzimáticas, la difusión de m oléculas y las tran siciones de fase de la m embrana lipídica. La sensibilidad de determinada reacción con respecto a la tem peratura refleja la energía de activación (EA) del proceso. La ecuación de Arrhenius describe la relación entre la energía de activación, la tem peratura y la velocidad del proceso en estudio: k = A ei~EJRT> Por lo general, la ecuación de Arrhenius se representa de la siguiente manera: ln(A:) = H A ) - E J(R T ) donde k es un coeficiente de velocidad, R es la constante de gas (8,31447 x 10-3 kJ/K por mol), T es la tem peratura (en kelvin), A es el denom inado fa cto r preexponencial y EA es la energía de activación (kJ/mol). Supongam os, a m odo de ejem plo, que un investigador desea estudiar cóm o la tem peratura influye en la velocidad de determ inada reacción enzimática. Variaría la tem pera tura con respecto a un rango de velocidades enzimáticas de interés y de m edición. Los datos obtenidos podrían representarse en un gráfico con ejes seleccionados de una representación previa de la ecuación de Arrhenius que genera una función lineal (y = m x + b)\
ción de la reacción. Las líneas púrpura representan otro resultado potencial de un análisis de Arrhenius, en el que la relación entre la tem peratura y la velocidad de reacción no se describe m ediante una sola línea. En su lugar, una línea acom oda los datos a bajas tem peraturas, m ientras que otra representa los de altas tem peraturas. El punto en el que se cruzan las líneas se denom ina p un to de interrupción. Dado que la pendiente difiere entre ambas líneas, es posible deducir que las diferentes energías de activación dom inan la reacción en cada rango de tem peratura. En m uchos casos esto se debe a una transición m ecanicista de un estado a otro. Si el proceso en estudio es la fluidez de la membrana, por ejem plo, el punto de interrupción reflejaría la transición de una fase sol a una gel. Si el proceso fuera una reacción enzimática, el punto de interrupción ocurriría en una tem peratura en la que se rom pe una unión crítica, que convierte la enzima de un catalizador eficaz a uno m enos eficaz o incluso una enzima desnaturalizada. La versatilidad de la representación de Arrhenius perm ite a los investigadores describir la conducta térm ica de cual quier proceso sim ple o complejo. No obstante, los m otivos por los cuales se producen determinadas relaciones en parti cular son más difíciles de comprobar en los sistem as com plejos. Los efectos térm icos en las membranas suelen ser difíciles de evaluar debido a la amplia heterogeneidad de la membrana. Las balsas lipídicas, por ejemplo, son regiones ricas en colesterol de la membrana celular que con frecuen cia acumulan diferentes fosfolípidos. La temperatura ejerce un efecto distinto en la fluidez de estas regiones en compa ración con la fase global de la membrana. Del m ism o modo, muchas proteínas integrales de la m embrana acumulan dife rentes tipos de lípido. A m odo de ejemplo, la enzima m ito condrial citocrom o oxidasa une moléculas cardiolipinas en la membrana mitocondrial interna. Las m odificaciones en la fase global de la membrana no necesariamente reflejan cam bios en la membrana lipídica que está en contacto directo con las proteínas de interés. Incluso procesos más com ple jos com o el índice m etabólico son en realidad la suma de varios procesos sim ples, cada uno de los cuales cuenta con su propia sensibilidad y ecuación de Arrhenius únicas.
\n(ki = - E A/R x ( M T ) + \n(A) La representación de In(Ar) fre n te a 1 /7 obtiene una pen diente de - E J R y una intersección de ln(>4). La figura adjunta ilustra dos resultados potenciales de una representación de Arrhenius. La línea verde m uestra la situación más habitual, donde los datos caen en una línea recta. La pendiente de la línea refleja la energía de activa
Temperatura (1/K x 105) 29
22
Temperatura (°C)
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ñ as depende de la posición del ácido graso en el fosfolípido. Debido a la estructura tridim ensional de u n fosfoglicérido, u n a cadena de ácido graso corta en posición 1 realiza un aporte m ás im por tan te en lo que respecta al aum ento de la fluidez que ese m ism o ácido graso en posición 2 . 2. Saturación. Las uniones dobles crean una curva en la cadena de ácido graso que evita la formación de enlaces efectivos con otros ácidos grasos. Con una m enor cantidad de uniones entre las cadenas de ácido graso, el ácido esteárico puro (C18:0) se licúa sólo a tem peraturas superiores a los 69 °C, m ien tras que el ácido oleico (C18:l) lo hace a 12 °C. La posición de la unión doble tam bién es crítica: una unión doble cerca del punto medio de la cadena de ácido graso (como es el caso del ácido oleico) es m ás eficaz que una en el extremo de la cadena. 3. Clases de fosfolípidos. La diferencia en la forma de los grupos de la cabeza polar modifica la capa cidad de los fosfolípidos de interactuar en la superficie de la m em brana. La fosfatidilcolina (PC) se p resenta con m ayor frecuencia en las m em bra n as de células aclim atadas al calor, m ientras que la fosfatidiletanolam ina (PE) es m ás habitual en las aclim atadas al frío. La proporción de PC a PE disminuye en la aclim atación y adaptación al frío. 4. Contenido de colesterol. Una doble capa de fosfolípido cuenta con m ayor fluidez a altas tem peraturas, m ientras que en tem peraturas re ducidas es en su m ayor parte sólida. El colesterol agregado a la capa doble de fosfolípido no afecta en gran m edida la fluidez. Si la m ism a m em brana se enfría, el colesterol tiende a evitar que se solidi fique. En otras palabras, el colesterol hace que una m em brana sea m ás fluida cuando las condiciones externas fom entan la transición a una fase gel. Las células utilizan dos vías p ara alterar la compo sición de la m em brana en respuesta a la tem peratura: la modificación in situ y la síntesis de novo. Ambas vías requieren células p ara cam biar las propiedades de los ácidos grasos en la reserva de ácidos grasos m ediante grupos de enzim as que alargan, acortan, saturan y d esaturan los ácidos grasos. Dado que estas enzim as com ienzan con los ácidos grasos derivados de la alim entación, la naturaleza de ésta tam bién afecta al perfil de los ácidos grasos en la m em brana. Las enzim as m odifican la estructura de los fosfo lípidos individuales de form a directa en la m em b ra n a (Figura 14.13). En p rim er lugar, la fosfolipasa A elim ina u n a cadena acil de los fosfolípidos de la
Fisiología term al 645
COOH
Acido graso CoA-'v Sintasa acil-CoA
CoA
Acido graso
Ácido graso CoA
Fosfolipasa Fosfolípido Figura 14.13.
Lisofosfolípido aciltransferasa Lisofosfolípido
í
Rem odelación de los fosfolípidos.
Las células pueden rem odelar los fosfo líp id o s directam ente en las m em branas al e lim in a r un ácido graso. Los fo s fo líp i dos se reconstruyen con la lisofosfo lípido aciltransferasa, que se une a o tro ácido graso producido por la célula. El ácido graso debe activarse p rim ero por m edio de la esterlflcación de la coenzlm a A.
m em brana p a ra form ar un lisofosfolípido. A conti nuación, la lisofosfolípido aciltransferasa utiliza un ácido graso m ás adecuado (en form a de acil grasoCoA) p ara reconstruir el fosfolípido. Por lo general, las m em branas se rem odelan por medio de la endocitosis y exocitosis (véase la Figu ra 14.14). La m em brana anterior se elimina m ediante endocitosis. Se sintetizan de novo los fosfolípidos en el retículo endoplasm ático y luego se agrupan en vesícu las que se fusionan con las m em branas celulares.
La te m p e ra tu ra m o d ifica la cinética enzim ática La tem peratura influye en la estructura y función pro teica de varias m aneras. Las modificaciones en tem peratura alteran la cantidad de uniones que se form an entre las m oléculas y en el interior de ellas. Incluso cambios m enores en la estructura proteica pueden provocar efectos considerables en la función proteica. En el caso de las enzim as, por ejemplo, estos efectos estructurales se m anifiestan como modificaciones en las propiedades catalíticas. En prim er lugar, los cam bios en las uniones débiles pueden alterar la estruc tu ra tridim ensional de la enzima. Por ejemplo, las tem peraturas cálidas pueden rom per las uniones
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Integrando sistem as fisiológicos
que la energía de activación (E J . A m edida que se increm enta la tem pera tura, la energía cinética m edia de los sustratos aum enta y u n a m ayor pro porción de moléculas cuenta con la energía suficiente p ara convertirse en productos, lo que ocasiona la acelera ción de la velocidad enzimática (véase la Figura 2.42b). P ara la m ayoría de las enzim as que funcionan entre un rango de tem peraturas pertinentes desde el punto de vista biológico, un aum ento de 10 °C duplica o triplica la velocidad de reacción. Cabe recordar de la Caja 14.1 que esto implica un valor Q10 de entre 2 y 3. Este valor puede calcularse no sólo p ara reaccio Figura 14.14. Remodelación de la membrana. nes simples como un paso enzimático, Las membranas celulares se remodelan constantem ente m ediante la endocltosls y sino tam bién p ara procesos complejos la exocltosls. Cuando dism inuye la tem peratura, la célula produce vesículas que po como el índice metabólico. seen fosfolípidos con ácidos grasos más cortos y m enos saturados que los de la m em brana celular. Con el transcurso del tiem po, los ciclos de endocltosls y exocltoConsiderem os cómo la tem pera sis elim inan los fosfolípidos no deseados y los reemplazan con unos más deseados. tu ra influye en la Vmax de la lactato deshidrogenasa (LDH) en el músculo de un lagarto del desierto a m edida que experim enta las transiciones diarias en la TB. En necesarias p ara plegar la proteína y form ar el sitio el transcurso de un solo día, la cantidad total de m olé activo. En segundo lugar, la tem peratura puede alterar culas enzim áticas de LDH no se modifica de form a el estado de ionización de los am inoácidos críticos en notable, aunque la actividad catalítica se altera con la el sitio activo. Por ejemplo, el aminoácido histadina tem peratura. La actividad m áxim a de la LDH (Vmaí¡) resulta esencial p ara varios sitios activos y las modifi habitualm ente se duplica cuando la tem peratura caciones en el estado de protonación del mismo pue aum enta 10 °C (es decir, el Q10 correspondiente equi den alterar la afinidad enzim ática en el sustrato. Cualquier aum ento o dism inución en Km puede ser vale a 2). Comencemos a u n a TB de 40 °C y suponga m os que el músculo del lagarto cuenta con 400 perjudicial. En tercer lugar, la tem peratura puede alte unidades de LDH por gram o de tejido: u n a actividad r a r la capacidad enzim ática de sobrellevar los cam catalítica suficiente p a ra convertir un m áximo de bios estructurales necesarios p ara la catálisis. Las enzim as deben contar con la rigidez requerida para 400 nmoles de piruvato en lactato por minuto. m antener la conform ación adecuada, aunque tam bién Cuando Qw = 2, una caída en la tem peratura de 40 °C a 30 °C hace que las enzim as de LDH funcionen a sólo deben ser lo suficientemente flexibles p a ra sobrellevar la m itad de la velocidad (V = 200 U/g). Del mismo modificaciones en la conformación durante la catáli modo, a 20 °C la Vmax de la LDH es de 100 U/g y a 10 °C sis. Así, la tem peratura puede afectar a la cinética sólo de 50 U/g. En el transcurso de un solo día, del enzim ática a través de los efectos que provoca en la calor del m ediodía a la fresca tarde, es posible que el velocidad m áxim a (Vm!LX) o la afinidad en los sustratos lagarto de desierto deba enfrentarse a modificaciones (ATm), los activadores alostéricos (KJ y los inhibidores de hasta ocho veces en la actividad de Vmax de la LDH (K). Cuando los anim ales experim entan una modifica ción en la TB, pueden tolerar los efectos producidos en como resultado de los cam bios en la TB. Resulta sencillo im aginar cómo u n a reducción de la cinética enzim ática o alterar la regulación m etabó hasta ocho veces en la capacidad de LDH puede perju lica como compensación. dicar gravem ente la capacidad p ara producir ATP Las reacciones bioquímicas se aceleran y se red u m ediante la glicólisis. ¿De qué modo sobrellevan los cen a altas y bajas tem peraturas, respectivam ente. anim ales las reducciones tan drásticas en la velocidad Recordemos del Capítulo 2 que la velocidad de deter de las reacciones enzim áticas? La respuesta m ás sim m inada reacción química depende de la proporción de ple es que la velocidad de síntesis de ATP disminuye m oléculas en el sistem a con una energía igual o m ayor
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de form a paralela con la velocidad de utilización de ATP, donde cada uno de los pasos presenta un Qm que varía entre 2 y 3. En otras palabras, el anim al es capaz de tolerar bajas velocidades de producción de ATP m uscular debido a que se vuelve m ás lento y, por tanto, necesita m enos ATP p ara la actividad muscular. Sin embargo, es im portante recordar que un Qw = 2 es bastante diferente a u n Qw = 3. Si u n a caída de 10 °C en la tem p eratu ra hiciera que el sum inistro de ATP dism inuyera tres veces, m ientras que la dem anda de ATP se redujera sólo dos veces, los tejidos carece rían de ATP en cuestión de segundos o minutos. Exis ten num erosas capas de regulación metabólica im puestas sobre los efectos de Qw que aseguran que el m etabolism o energético perm anezca en hom eostasis. Si determ inada enzim a resulta m ás sensible a la tem p eratu ra que otras enzim as de la vía, la célula cuenta con varias opciones p ara increm entar el flujo m ediante ese paso. Por ejemplo, puede aum entar la concentración en el sustrato o estim ular la enzima m ediante reguladores alostéricos.
La e vo lu ció n puede oca sio nar m o d ifica cio n e s en la cinética enzim ática Cuando los anim ales se exponen a tem p eratu ras no óptim as d u ran te varias generaciones, existe la posi bilidad de que se p roduzcan modificaciones evoluti vas en los genes que codifican las enzim as. Tomemos nuevam ente el ejemplo de la LDH a fin de analizar ejemplos de m odificaciones evolutivas que produz can diferencias en la cinética y la síntesis enzim ática. Las m utaciones pueden conducir a cambios estructurales en la enzim a que producen diferencias favorables en la cinética enzim ática. Como se estudió en el Capítulo 2, la dism inución de tem p eratu ra au m en ta la afinidad de la LDH con respecto al piru vato en el sustrato (véase la Figura 2.43). La evolu ción h a m ejorado las propiedades enzim áticas de tal m odo que las sutiles diferencias estructurales perm i ten que cada especie cuente con un a Km sim ilar en la respectiva TA norm al. Esta estrategia, denom inada conservación de Km, se observa habitualm ente cuando com param os los efectos de la tem p eratu ra en la cinética enzim ática de diferentes anim ales. Por otro lado, la evolución puede ocasionar m uta ciones en el activador de determ inada enzima, lo que produce una modificación en el nivel de expresión genética en m ía enzim a que de otro modo no presenta ría alteraciones. Los peces ciprinodóntidos habitan la costa este de América del Norte desde Newfouldland a Florida. En la población como grupo se observan dife
Fisiología term al 647
rentes alelos del gen LDH-B: un alelo predom ina en las poblaciones del norte, m ientras que otro aparece con mayor frecuencia en el sur. Las poblaciones interm e dias cuentan con am bos alelos. Estos alelos presentan diferencias en cuanto a las propiedades enzimáticas y el nivel de expresión genética. El alelo del norte se expresa en niveles que duplican el del sur debido a m utaciones en el activador. Los peces del norte produ cen una m ayor cantidad de moléculas enzimáticas LDH, que com pensa los efectos debilitantes de la tem peratura en la actividad enzimática que se producirían como resultado del hecho de habitar aguas m ás frías.
Los ecto te rm o s pueden re m o d e la r los te jid o s en respuesta a m o d ifica cio n e s a largo plazo en la te m p e ra tu ra Muchos anim ales ectotérm icos rem odelan el aparato celular a fin de m itigar los efectos de las variaciones en la TB. En los laboratorios, donde el investigador m odifica solam ente la TÁ, este proceso de rem odela ción se denom ina aclim atación térmica. En el entorno natural, las variaciones estacionales en la tem p eratu ra vienen acom pañadas de otros cam bios am bientales y la respuesta del anim al a las m odifica ciones estacionales com plejas se conoce como aclim atización. En el invierno los fotoperiodos se vuelven m ás cortos, el alim ento escasea y los niveles de oxígeno se alteran. La com plejidad de estos cam bios estacionales en el entorno dificulta el vínculo entre la rem odelación y la tem peratura. Por un lado, no es posible determ inar con exactitud el factor de activación del proceso rem odelador: ¿se trata del cam bio iniciado po r las modificaciones en la tem pe ra tu ra o por algún otro factor como el fotoperiodo? Por otro lado, no siem pre resulta claro si la rem ode lación en sí se realiza p ara com pensar específica m ente las variaciones en la tem peratura. En la rem odelación dependiente de la tem pera tu ra participan combinaciones de estrategias cuanti tativas y cualitativas. En el Capítulo 13 estudiam os cómo los ectoterm os rem odelan los m úsculos en res puesta a la tem peratura. Las bajas tem peraturas pue den aum entar la cantidad de m itocondrias en el m úsculo o activar el crecimiento hipertrófico del cora zón. Éste constituye un ejemplo de u n a estrategia cuantitativa: sim plem ente se trata de un a m ayor can tidad de aparatos. Los músculos tam bién pueden modificar los tipos de proteínas que utilizan p ara for m ar el aparato contráctil. Por ejemplo, los animales expresan diferentes isomorfos de m iosina en invierno y en verano: ejemplo de u n a estrategia cualitativa.
648 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Resulta so rp ren d en te que se conozca poco de las h o rm onas y las vías de señalización que hacen que u n ectoterm o rem odele los tejidos d urante la aclim a tación y la aclim atización (véase la Caja 14.2). Las n eu ro n as que perciben el frío y el calor son im por tan tes p a ra detectar la tem p eratu ra, aunque los vín culos con la expresión genética se desconocen. En algunos casos, las m odificaciones estacionales en la fisiología que m itigan los efectos de la tem p eratu ra se activan p o r los cam bios que se producen en el fotoperiodo. En el Capítulo 7 estudiam os la relevan cia de las diferentes vías de señalización de fotope riodo que actú an m ediante el hipotálam o y las glándulas pineales.
La vida en las altas y bajas tem peraturas corporales Los anim ales que son capaces de tolerar tem p eratu ra s extrem as pueden invadir y colonizar nichos que se encuentran subexplotados por los com petidores. Los anim ales ectotérm icos expuestos a desafíos té r micos deben contar con m ecanism os que perm itan m itigar los efectos de la tem p eratu ra en la estructura m acrom olecular y el m etabolism o. Por el contrario, los anim ales endotérm icos soportan extrem os térm i cos m ediante com plejas vías reguladoras a fin de m an ten er u n a TB constante. La existencia de éstos en condiciones extrem as constituye u n a clara indica ción de su capacidad fisiológica de resistir los efectos de la Ta.
A lg u n a s enzim as presentan una adaptación al frío A nteriorm ente analizam os de qué modo las sutiles diferencias en la TÁ pueden conducir a modificaciones evolutivas en la estructura enzim ática y expresión genética. No obstante, la necesidad de cambios estruc turales enzim áticos es mucho m ás pronunciada en los extrem os térmicos, particularm ente en las tem peratu ra s bajo cero que se encuentran en los m ares polares. Los psicotrofos son organism os que se crían en el frío extremo, en contraste con los mesotrofos que habitan en tem peraturas m ás m oderadas. Los psicotrofos an i m ales, incluidos los invertebrados y peces polares, perm anecen activos incluso con tem peraturas corpo rales cercanas al punto de congelamiento. Muchos organism os psicotrofos poseen proteínas adaptadas al frío que funcionan óptim am ente en tem peraturas muy bajas. Si bien estas enzim as son m ás estables en el
frío, se inactivan con rapidez al enfrentarse con tem p eraturas un poco m ás elevadas. Las diferencias catalíticas y estructurales entre las enzim as de los psicotrofos y mesotrofos pueden deberse a las uniones débiles que estabilizan la estruc tu ra enzimática. Las enzim as sobrellevan m arcadas modificaciones en la form a tridim ensional durante el ciclo catalítico, lo que se conoce como respiración pro teica. Durante estas transiciones, al plegarse las unio nes débiles se rom pen y se form an. Cuando disminuye la tem peratura, la m ayoría de estas uniones débiles se fortalecen, estabilizando la proteína de tal m anera que ocupa un m enor volumen. En esta conformación le resulta mucho m ás difícil respirar a la proteína y, como consecuencia, las enzimas en el frío son m enos efica ces. La enzim a psicotrofa presenta m enos uniones débiles que estabilicen la estructura, por lo que ocupa un volumen m ayor y respira m ás fácilmente durante la catálisis. La estabilidad reducida le perm ite funcionar m ejor en el frío, aunque la vuelve vulnerable al desdo blamiento dependiente de la tem peratura. En com pa ración con las enzim as m esotrofas, las enzimas adaptadas al frío son enzim as m ucho m ás eficaces en tem peraturas reducidas, aunque resultan inferiores cuando se encuentran en tem peraturas elevadas. También se observan m utaciones únicas de p ér dida de funciones en los anim ales polares. Tal como se estudió en el Capítulo 10, m uchos peces antárticos h an perdido la capacidad de form ar proteínas de unión con oxígeno, tales como la hem oglobina y la mioglobina. Estos peces logran sobrevivir sin mioglo bina debido a que presentan índices metabólicos bajos y las aguas polares circundantes son ricas en oxígeno. Existen varios ejemplos de adaptaciones térm icas de determ inados genes en los anim ales polares. No obstante, resulta m ás polémica la cuestión de si éstos cuentan con una organización m etabólica m arcada m ente diferente como resultado de la evolución en el frío extremo. Los prim eros estudios indicaban que los anim ales polares tenían un índice metabólico mucho m ás elevado que el de los anim ales tem plados, medido en tem peraturas cercanas a 0 °C. Estas observaciones se utilizaron p a ra sustentar un a teoría que se conoció como la adaptación metabólica al frío. Se propuso que los miles de años que transcurrieron en el frío extremo los condujo a realizar modificaciones evolutivas que les sum inistraron la capacidad de elevar el índice metabólico. Incluso tras años de estudios aún no está claro si la adaptación m etabólica al frío constituye un fenómeno real. Los prim eros estudios se basaron en las com paraciones entre la carpa dorada y el bacalao ártico. A hora que se h an analizado u n a cantidad
C A P ÍTU LO 14
m ayor de especies, parece m enos probable que la adaptación m etabólica al frío se produzca como un fenómeno general. De todos modos, m uchos estudios h an señalado diferencias evolutivas y peculiaridades fisiológicas en algunos anim ales polares.
Las proteínas del estrés se inducen en los e xtre m o s té rm ico s M uchas p roteínas están m ejor acondicionadas p a ra funcionar en tre estrechos rangos de tem p eratu ra que ab arcan el periodo biológico del anim al. D urante la m odificación estructural habitual que se produce cuando resp ira u n a proteína, ésta se vuelve vulnerable a m ás cam bios en la estructura. En oca siones, la p roteína puede desplegarse o plegarse erró n eam en te en u n a conform ación no funcional. Esta pro teín a desn atu ralizada debe rep a ra rse o eli m in arse de la célula an tes de que perjudique las dem ás funciones celulares. La desnaturalización es u n proceso n o rm al y las células son capaces de d etectar y elim inan las p roteínas desnaturalizadas p o r medio de vías de control de calidad de proteínas. E stas vías funcionan d u rante toda la vida de una célula, aunque se vuelven aú n m ás im prescindibles
Fisiología term al 649
d u ran te los periodos de estrés térm ico, cuando las p roteínas desnaturalizadas pueden acum ularse y m a ta r a la célula. Cabe reco rd ar del Capítulo 2 que las proteínas de choque térm ico (Hsp) son las chaperonas m olecula res que em plean la energía de ATP p a ra catalizar el pliegue proteico con posterioridad a la traducción (véase la Figura 2.31). Las chaperonas tam bién vuel ven a plegar las proteínas que se desnaturalizaron como resultado del estrés térm ico. M uchas células expuestas a tem peraturas extrem as se deben enfren ta r con u n a “resp u esta al choque térm ico”, que oca siona un aum ento notable en los niveles de proteínas específicas que ayudan a re p a ra r las proteínas d a ñ a das. D urante im choque térm ico, la célula incre m enta rápidam ente la síntesis de varios Hsp críticos. Asimismo, la célula puede interrum pir la tran scrip ción y traducción de otros genes, liberando de este modo recursos biosintéticos p a ra la síntesis de Hsp. Estim ula la form ación de genes de Hsp al activar un factor de choque térm ico (HSF), factor de trascrip ción que se une a los elem entos de choque térm ico en los activadores de genes p ara las proteínas de cho que térm ico. Si bien se desconoce aún el m ecanism o exacto de activación del HSF, se cree que la señal involucra proteínas d añadas (Figura 14.15). Ante la
A ) El complejo de HSF y Hsp en j condiciones sin estrés._____________ ( 2) El estrés térmico hace que el complejo | se disocie.______________________ Q¡) El Hsp70 se une a proteínas T desnaturalizadas._________________ ( 4) Los monómeros de HSF se enlazan ^ formando trímeros.
f
Los trímeros se transportan al núcleo y se unen con el activador de genes con el elemento de choque térmico (HSE).
( g \ Aumenta la transcripción Genética Y de Hsp70.____________________ 7 ) El mRNA poli A+ se expone al citoplasma.
8) T
El mRNA poli A+ se traduce para formar más Hsp70.
( g j El aumento en los niveles de Hsp70 y permite que el complejo se vuelva a formar, interrumpiendo la activación transcripcional. Figura 14.15.
Respuesta al choque térm ico.
650 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 1 4 . 2 Genética y genómica Percepción de tem peratura y remodelación adaptativa
Todos los organismos, desde sim ples pro cariotas hasta com plejos eucariotas, tienen la necesidad de percibir y responder a la tem peratura, que puede ocasionar m odificaciones en la conducta, la actividad enzimática, la com posición de la membrana y la expresión genética. Los term óm etros m oleculares son m oléculas que alteran la estructura en respuesta a la tem peratura, acti vando cascadas de señales que afectan a varios objetivos, incluyendo reguladores de la expresión genética. Debido a que la tem peratura afecta a la estructura m acrom olecular y que la mayoría de los organismos poseen m acromoléculas similares, es probable que m uchos de los principios de la percepción de tem peratura en otros organism os m odelo puedan aplicarse a los animales tam bién. La vía de transducción de señales de percepción térm ica más sim ple es la que se produce en las bacterias. Al igual que un animal ectotérm ico, las bacterias de vida libre deben contar con la capacidad de sobrevivir breves periodos de tem peraturas casi m ortales. Para las bacterias patógenas, la tem peratura tam bién es la clave de haber encontrado un huésped de sangre caliente. Un m ecanism o im portante por el cual las bacterias detectan y responden a la tem peratura es m ediante los efectos en la estructura secundaria del RNA. El m RNA para el factor de transcripción cj32 se produ ce de dos form as dependiendo de la tem peratura: a una
sos no saturados en las células y m em branas ante el frío.
tem peratura baja (30 °C) el m RN A se pliega form ando una
D iferentes tipos de acil graso-desaturasa introducen unio
estructura que oculta una región reguladora crítica que codi
nes dobles en los ácidos grasos. La activación de desatura-
fica el sitio de unión de ribosomas y el codón iniciador de la
sas, que depende de la tem peratura, se ha estudiado en
traducción (véase la figura). En esta configuración plegada,
varios sistem as m odelo para identificar los vínculos entre la
el ARNm no puede traducirse. No obstante, un aum ento en
tem peratura y la señalización celular. En la mayoría de los
la tem peratura a 42 °C rompe las uniones de hidrógeno, lo
casos, el sensor de tem peratura para la activación de de-
que hace que el m RNA se despliegue form ando una sola
saturasas es la m em brana lipídica. En el protista Tetrahy-
línea y se vuelva disponible para la traducción. Al traducirse,
mena, la desaturasa de ácido graso se relaciona con la
la proteína activa una serie de genes que codifican otras pro
m em brana celular. Frente a tem peraturas elevadas, la
teínas críticas para sobrevivir a alta temperatura.
enzima se sum erge en la capa doble de fluido lipídico, ocul
Com o parte de la adaptación homeoviscosa, m uchos
tando el sitio de unión en el sustrato de la enzima. Cuando
organism os ectoté rm ico s aum entan el nivel de ácidos gra
la tem peratura dism inuye, la m em brana se vuelve m enos
ausencia de estrés térm ico, la m ayoría del HSF celu lar se une al H sp70 como m onóm eros inactivos. Cuando se estresa la célula, las chaperonas se ven atraíd as por las proteínas y abandonan el HSF. Una vez liberado, éste form a luego trím eros, que a su vez se enlazan con el elem ento de choque térm ico en los genes Hsp, activándolos. Cuando se re p a ra n las pro teín as dañ ad as, el Hsp70 se libera p a ra unirse a
m onóm eros HSF e invertir así la activación transcripcional. La respuesta de Hsp resulta fundam ental en cuanto a la capacidad de los anim ales ectotérmicos p ara sobrevivir breves periodos de tem peratura extrem a que se producen con frecuencia en los entor nos naturales. En el caso de la m ayoría de las espe cies, la respuesta de Hsp se induce en tem peraturas a
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Fisiología term al 651
fluida y la proteína se expulsa de la capa doble, revelando el
canales son sensibles a los ligandos reguladores tales
sitio de unión m encionado. Una vez activa, la desaturasa
com o el IP3. Las com plejas firm as de Ca2+ activan las pro-
comienza a introducir uniones dobles en ácidos grasos no
teincinasas sensibles al Ca2+ que fosforilan m uchas prote
saturados
se
ínas que regulan la actividad de proteínas existentes,
em plean para sintetizar fosfolípidos, que a su vez se incor
incluidos los reguladores transcripcionales que controlan
poran en la m embrana, aum entando de este m odo la flu i
la expresión genética.
del
citoplasm a.
Dichos
ácidos
grasos
dez, un paso crítico en la adaptación homeoviscosa. Las
M uchos aspectos de la respuesta a la tem peratura son
bacterias y los hongos tam bién activan los genes de de
com unes a todos los organism os. Cada uno m onta una
saturasa en respuesta al frío, aunque los efectos abarcan
respuesta al choque té rm ic o fre n te a tem peraturas casi
una activación transcripcional de síntesis de desaturasas
m ortales y rem odela las m em branas celulares en res
en lugar de la activación de enzimas de desaturasa existen
puesta a la aclim atación térm ica. No obstante, se desco
tes. Estas vías de señalización involucran un sistem a de
noce
dos com ponentes: una proteína detecta m odificaciones en
fisiológicas utilizando las m ism as vías reguladoras. Los
la fluidez de la membrana y luego altera la actividad de otra
organism os sim ples, com o los procariotas y protistas,
proteína que actúa com o el activador transcripcional para el
dependen de sistem as de señalización sencillos para res
gen de desaturasa.
si
los
organism os
logran
estas
respuestas
ponder ante la tem peratura. Si bien es posible que dichos
Las m odificaciones en la m em brana tam bién form an
sistem as desem peñen algún papel en los animales, la
parte del sistem a de percepción de tem peratura en las
m ayor parte del control de las respuestas térm icas proba
plantas. La A rabidopsis es una planta de zonas tem pladas
blem ente recaiga en las horm onas y neurotransm isores.
que presenta una respuesta de aclim atación ante el frío.
Al igual que en las plantas, los canales sensibles a la te m
Transcurridos tan sólo unos 15 m inutos de exposición al
peratura son im portantes te rm ó m e tro s m oleculares en los
frío, se producen una serie de cam bios que alteran varios
animales. Este hecho se ha visto reflejado claram ente en
aspectos de la fisiología de la planta. En prim er lugar, se
las neuronas term osensibles, aunque tam bién puede ser
observan rápidas m odificaciones en el citoesqueleto,
im portante en otro s tejidos. A sim ism o, los anim ales tie
incluida una alteración en la estructura m icrotubular y una
nen el privilegio de contar con horm onas que coordinan las
reducción en el torre n te citoplasm ático. A continuación se
respuestas en diferentes tejidos. No obstante, aún se des
produce un cam bio en el patrón de variación de los niveles
conoce si la estim ulación de desaturasas en los animales
citoplasm áticos de Ca2+. Estos patrones, tam bién denom i
fríos se produce directam ente en respuesta a los efectos
nados firm as de C & * , se caracterizan por la am plitud de
de la tem peratura en las células o se activa de form a
los picos y la frecuencia de las oscilaciones de Ca2+. Los
secundaria por las horm onas.
m otivos por los cuales se produce la alteración en los nive les de Ca2+ son com plejos. Los cam bios inducidos por el
Referencias
frío en la rigidez de la m em brana pueden m odificar la per
• Knight, M. R. 2002. Signal transduction leading to low-temperature to lerance in Arabidopsis thaliana. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series B: Biological Sciences 357: 871-875.
m eabilidad iónica pasiva. Dado que la m em brana se fija al citoesqueleto, las m odificaciones en la m em brana pueden ocasionar un estrés m ecánico que los canales de Ca2+ m ecanosensibles
pueden
interpretar.
Adem ás,
estos
tan sólo unos pocos grados por encim a del rango tér mico habitual. Este poderoso proceso de protección es crítico p a ra la evolución de la sensibilidad térm ica y rangos térm icos (véase la Caja 14.3). Curiosamente, algunas especies h an perdido la capacidad de m ontar u n a respuesta al choque térmico. Los peces antarticos h an habitado tem peraturas de - 1 ,9 6 °C durante miles de años. En determ inado punto las especies experi
• Storz, G. 1999. An RNA thermometer. Genes and Development S3: 633-636.
m entaron modificaciones genéticas que peijudicaron la capacidad de producir un a respuesta al choque té r mico. Dado que las aguas antarticas perm anecen a tem peraturas constantes, estas m utaciones no han presentado consecuencias nocivas p ara los anim ales, aunque si se los extrajera del entorno natural sucum birían rápidam ente ante tem peraturas de tan sólo unos pocos grados por encim a de 0 °C.
652 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 14.3 Sistem as de métodos y modelos Proteínas de choque térm ico en las
D rosophila
Los Hsp más estudiados son los de la
Estos estudios tam b ién com probaron que las m oscas
fam ilia de Hsp70. Cada co m p a rtim e n to sub-
con una sólida respuesta al choque té rm ic o presentaban
celular cuenta con proteínas de Hsp70 que ayudan a ple
una m enor fecundidad. En otras palabras, la m ayor te r
gar las proteínas en la conform a ción adecuada y m arcar
m otolerancia vie ne acom pañada de cie rto gasto evolu
las proteínas plegadas erróneam ente para la degradación.
tivo.
Las m itocondrias poseen Grp75, el citoplasm a Hsp70 y el
reducidos niveles de H sp70 pueden superar a las m oscas
En
un e ntorno te rm o e s ta b le ,
las m oscas con
retículo endoplasm ático Bip. El h om ónim o de la fam ilia, el
con una m ayor te rm otole ran cia debido a que son más
Hsp70, es producido por las células principalm en te fre n te
fecundas. No obstante, en entornos que representan un
a condiciones de estrés. Cuando la tem p era tura se eleva
desafío té rm ic o , la m enor fecundidad se com pensa con
a niveles peligrosos, las células inducen de form a drástica
la m ayor term otole ran cia. Adem ás, estos estudios de
la síntesis de Hsp70. Éste se produce en el citoplasm a,
laboratorio reflejaron la naturaleza de la evolución de la
en donde vuelve a plegar las proteínas que se han desna
term otole ran cia en el m undo natural. Las poblaciones sal
turalizado en respuesta a las altas tem p era turas. La capa
vajes de Drosophila de to d o el m undo varían en lo que
cidad de m ontar una respuesta al choque té rm ic o es
respecta a la term otole ran cia. En la m ayoría de las pobla
fundam ental para la term otole ran cia de los anim ales. Las
ciones la capacidad natural para sopo rtar el estré s té r
células m odificadas gen ética m e n te que carecen de la
m ico está correlacionada con los niveles de expresión
capacidad de in ducir Hsp70 son m uy sensibles al estrés
genética de Hsp70. Por ejem plo, las m oscas en Evolution
térm ico . Debido a que este gen es esencial para la te rm o -
Canyon, en Israel, se crían en poblaciones distinta s que
tolerancia, m uchos investigadores han estudiado si la
habitan las pen dientes que m iran hacia el norte y el sur.
variación en la expresión genética de Hsp70 cons titu y e la
Las que ocupan las pen dientes con orientación sur, que
clave para las diferencias en la term otole ran cia en los ani
son m ás cálidas y áridas, cuentan con una respuesta al
males.
choque té rm ic o m ás fu e rte , m ientras que las de la pen
M uchos estudios de te rm otole ran cia y H sp70 se han
diente de orientación norte presentan una respuesta al
realizado en la m osca de la fruta, D rosophila. Si el Hsp70
choque té rm ic o más débil debido al tra s to rn o del activa
ayuda a que d e term inado anim al s opo rte el estré s té r
dor de uno de los genes de Hsp70. Dado que la distancia
m ico, sería razonable fo rm u la r la hipótesis de que un ani
que separa am bas pen dientes es de tan sólo unos cien
mal se beneficia de una m ayor expresión de Hsp70. Los
to s de m etros, es probable que algunas m oscas vuelen
estudios de laboratorio han sido enriq uecedores en
entre las dos poblaciones. Así, la selección natural actúa
cuanto a los vínculos e ntre la expresión genética de
para asegurar que se m antengan las diferencias alélicas
Hsp70, la term o to le ra n cia y la evolució n. En uno de los
entre las poblaciones. A lgunos estudios sim ilares en
estudios, se m anipularon líneas de m oscas para que
otras poblaciones de D rosophila m ostraron que las m os
posean copias extra de genes Hsp70. Las larvas de estas
cas con una m enor te rm otole ran cia en general poseían
m oscas presentaron una m ayor term otole ran cia, com
m utaciones que perjudicaban la capacidad de expresar
probando de e ste m odo la im portancia del Hsp70 para la
una o varias copias de genes de Hsp70. En la m ayoría de
m ism a. En otro s expe rim e n to s se expusieron líneas de
e stos casos, los anim ales con m ayor capacidad de induc
m oscas a altas tem p e ra tu ra s durante generaciones a fin
ción de Hsp70 y te rm otole ran cia tam b ién presentaron
de e studiar si las variaciones naturales en los genes de
una m enor fecundidad.
H sp70 en una población podían s o m e te rs e a la selección
Estos estudios com prueban que, si bien es esencial
natural. En tan sólo unas pocas generaciones las m oscas
para la term otolerancia, el Hsp70 trae consigo consecuen
com enzaron a presentar una m ayor term o to le ra n cia de
cias nocivas. Además, ilustran los m otivos por los cuales
m edia. Éstas pudieron in ducir Hsp70 a niveles m ás ele
las variaciones genéticas en las poblaciones son funda
vados que las m oscas te rm o s e n s ib le s . S orprend ente
m entales para la supervivencia de la especie.
m e n te la diferencia en la expresión genética de Hsp70 entre
las m oscas te rm o to le ra n te s y term o s e n s ib le s
nunca supe ró el 15% . Estos datos argum entan que, si
Referencias
bien el Hsp70 es im p o rta n te para la term otole ran cia, es
• Feder, M. E., and G. E. Hofmann. 1999. Heat-shock proteins, molecular chaperones, and the stress response: Evolutionary and ecological physiology. Annual Review of Physiology61:243-282.
probable que otro s fa cto re s fisio ló g ic o s tam b ién tengan cierta injerencia.
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Los nucleadores de h ielo co n tro la n el c re cim ie n to de cristales de hielo en anim a les to le ra n te s al co n g e la m ie n to Los ectoterm os que h ab itan tem p eratu ras bajo cero em plean dos estrategias p a ra soportar el frío: la tole ran cia al congelam iento y la evasión del congela m iento. Los anim ales tolerantes al congelam iento perm iten que los tejidos se congelen e incluso fom en ta n la form ación de hielo en el cuerpo. Los anim ales que evaden el congelam iento utilizan m ecanism os conductuales y fisiológicos p a ra evitar la form ación y el crecim iento de cristales de hielo. A fin de com p ren d er p o r qué el hielo es ta n peligroso, considere m os lo que ocurre con las m oléculas de agua a m edida que dism inuyen las tem peraturas. El p u n to de congelam iento del agua dulce es 0 °C, que es la te m p e ra tu ra a la que se form a hielo si se a g ru p a n suficientes m oléculas de agua p a ra d a r inicio a u n cristal de hielo. A ntes de alcan za r el p unto de congelam iento, el agua está al borde de congelarse, ag u ard an d o algún suceso que active la form ación de hielo. Cuando el agua se en cu en tra p o r debajo del p unto de congelam iento, pero aún no está congelada, se co n sidera so b reen fria d a . Si p erm an ece in alterad a, p uede so b reen friarse a casi - 4 0 °C an tes de que se form e hielo de form a espon tán ea. La activación p a ra la form ación de hielo está co nstituida p o r u n grupo de m oléculas de agua que actú an como sem illa de u n cristal de hielo. De otro m odo, u n a m acrom olécula en solución puede ac tu a r como n u clea d o r, sem brando la form ación de cristales de hielo. U na vez que se inicia la for m ación de hielo, las m oléculas de agua se u n e n con cad a ca ra del cristal en crecim iento p a ra cre a r u n a e stru c tu ra trid im en sio n al com pleja (véase la Figu ra 2 . 11 ). Los cristales de hielo que se form an en un tejido o casionan dos efectos nocivos. En p rim e r lugar, dado que los cristales de hielo p re se n ta n p u n tas y bo rd es afilados, el cristal de hielo en crecim iento p uede p erfo rar las m em b ran as y m a ta r a las célu las. En segundo lugar, el crecim iento de cristales de hielo elim ina el agua circundante, ocasionando estrés hiperosm ótico. Si se form a hielo en el exte rio r de las células, el agua se extrae de las m ism as, hecho que produce u n estrés hipertónico que reduce la célula e incluso la m ata. De todos m odos, m uchos ectoterm os sop o rtan el congelam iento. Los bivalvos in term a reale s que h ab itan las llan u ras m areales del n o rte p u ed en congelarse cuando se exponen a tem p e ra tu ra s de aire frío y luego descongelarse cuando
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el agua m ás cálida reg re sa en la m a re a alta. Varios v ertebrados te rre s tre s tam bién logran so p o rtar el congelam iento. Las ra n a s forestales que h a b ita n la zona tem plada del norte se in tern an en los m onto n es de hojas hacia finales del otoño, p rep arán d o se p a ra p a s a r el invierno. Cuando las tem p eratu ras caen bajo cero, el anim al se sobreenfría pero no se form a hielo sobre él h a s ta que la te m p e ra tu ra dis m inuye aú n m ás, m om ento en que com ienza a con gelarse. Lo prim ero que se congela son los dedos, aunque el centro corporal em pieza a congelarse poco después. Los anim ales que toleran el congelam iento en general producen nucleadores de hielo p a ra contro la r la ubicación y la cinética del crecim iento de cris tales de hielo. El hielo es m ás dañino cuando se form a en el interior de las células, por lo que los an i m ales tolerantes al congelam iento secretan nuclea dores en el exterior de las células a fin de lim itar la form ación de hielo en los fluidos extracelulares como la hem olinfa y perm itir que el espacio intracelular perm anezca líquido. Muchos tipos de m oléculas p u e den actu ar como nucleadores en anim ales: sales de calcio, fosfolípidos de m em b ran a y alcoholes de cadenas largas. Sin em bargo, no siem pre está claro si estos nucleadores de hielo son realm ente necesa rios o eficaces p a ra las estrategias de tolerancia al congelam iento. Por ejemplo, la ra n a forestal cuenta con un nucleador de hielo que activa la form ación de hielo a aproxim adam ente - 7 °C. Ese m ism o nuclea dor de hielo se observa tam bién en los tejidos de ra n a s que no soportan el congelamiento: si bien es posible que ayude a inducir la form ación de hielo, no n ecesariam ente proporciona la tolerancia al con gelamiento. Algunos nucleadores sim plem ente se encuentran presentes p a ra otras funciones y no des em peñan un papel adaptativo en la tolerancia al con gelam iento. Debido a que la form ación de hielo extrae agua de las células, los anim ales tolerantes al congela m iento tam bién producen solutos intracelulares a fin de co n trarrestar el movim iento de agua. Las grandes reservas de glucógeno en el hígado se descom ponen y se convierten en solutos com patibles que consisten en polioles orgánicos, tales como la trehalosa y el gli cerol. Como se estudió en el Capítulo 11, los solutos com patibles brin d an dos efectos beneficiosos princi pales. En prim er lugar, al increm entar la presión osm ótica en las células, reducen el m ovim iento de agua y la reducción de células. En segundo lugar, los solutos ayudan a estabilizar la estructura macrom olecular.
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Integrando sistem as fisiológicos
Las proteínas an tico n g e la n te s evitan la fo rm a c ió n de hielo in tra ce lu la r La evasión del congelam iento constituye la segunda estrategia que los anim ales em plean p a ra sobrevivir en el frío extrem o. En u n coche, el anticongelante eleva la concentración osm ótica del fluido del ra d ia dor. Los solutos en general deprim en el punto de con gelam iento de u n a solución, evitando la form ación de hielo a tem p eratu ras bajo cero. La dism inución del punto de congelam iento es u n a de las propiedades coligativas de los solutos (véase el Capítulo 2). Los solutos en los tejidos anim ales reducen el punto de congelam iento del agua, aunque sólo hasta un m áxim o de - 2 °C. Algunos anim ales poseen m acro m oléculas anticongelantes, habitualm ente proteínas o glucoproteínas, que reducen el punto de congela m iento de los fluidos corporales por medio de accio nes no coligativas. In terrum pen la form ación de cristales de hielo al un irse con la superficie de peque ños cristales de hielo y evitar así el crecim iento de éstos (Figura 14.16). El Dr. A rt DeVries descubrió la prim era p roteín a a n tico n g ela n te o AFP en un pez antártico hace alre dedor de 30 años. A p artir de entonces, se h a n detec tado AFP en m uchos taxones de peces lejanam ente em parentados, así como en plantas e insectos. Se distinguen cuatro clases de AFP de acuerdo con la estructura: tipos I, II, III y glucoproteínas anticonge lantes o AFGP Curiosam ente, cada una de las clases de AFP h a aparecido varias veces en la historia evo lutiva. En los peces, las AFP aparecieron hace m enos de 20 millones de años: coincide con una glaciación del nivel del m ar reciente (desde el punto de vista
geológico), que probablem ente representó u n a fuerte presión selectiva en las especies m arinas locales. La distribución filogenética de las AFP indica u n a histo ria evolutiva intrigante. Las AFP proporcionan buenos ejemplos de evolu ción paralela. A modo de ilustración, la AFP II ap a rece en el arenque, el salm ón y el H em itripterus am ericanas, peces que provienen de tres órdenes diferentes, lo que indica que la AFP surgió en varias oportunidades en estas líneas pero con posterioridad a la separación de las especies m odernas. Los genes de AFP II quizás se hayan originado en genes sim ila res de form a independiente en cada línea. La estruc tu ra de la AFP II sugiere que el origen génico fue una lectina dependiente de Ca2+, una proteína que une azúcares. En los m odelos estructurales la interacción de un a lectina con los grupos hidroxil de azúcares se asem eja a la que se produce entre la AFP y el grupo hidroxil de las m oléculas de agua. Los orígenes evolutivos de la AFGP son tam bién inusuales en térm inos de la evolución proteica. El gen primitivo fue probablem ente un gen p ara el tripsinógeno pancreático, una proteasa digestiva que se presentó en el Capítulo 12. Una región que se encuentra entre el prim er intrón y el segundo exón se duplicó no sólo una vez sino m ás de 40 veces. El gen resultante contaba con varias secuencias en tándem que produjeron un motivo repetido Thr-Ala-Ala, necesario p a ra evitar el crecim iento de cristales de hielo. En la m ayoría de los casos de duplicación genética y divergencia, el gen resultante presenta propiedades sim ilares a los del gen de origen, con diferencias funcionales relativam ente leves. En el caso de la AFGP, el gen resultante cuenta con una función totalm ente diferente: las AFGP no realizan actividades de proteasa y el tripsinógeno no presenta actividades anticongelantes.
Mantenimiento de la temperatura corporal constante Figura 14.16.
Proteínas anticongelantes.
Las proteínas anticongelantes se unen a la superficie de los cristales de hielo a fin de evitar su crecim iento. Se enlazan a lo la rgo de la cara del cristal, donde la proteína fo rm a unio nes débiles con las m oléculas de agua inm ovilizadas en el cristal de hielo. Debido a que el crecim iento del hielo es m uy ordenado, la presencia de la proteína unida evita que éste crezca. (Fuente: m odifica do de Davies e t al., 2002).
La endoterm ia está tan íntim am ente relacionada con u n índice metabólico elevado que se desconoce cuál de las dos características apareció en prim er lugar. La Tb alta perm ite que los procesos m etabólicos tales como el crecimiento, el desarrollo, la digestión y la biosíntesis funcionen a u n a m ayor velocidad, m ien tras que un índice m etabólico elevado a su vez pro duce m ás calor. La capacidad de convertirse en un
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anim al de cuerpo caliente requiere vías m etabólicas que produzcan calor (term ogenia), así como m eca nism os fisiológicos que retengan el calor. La m ayoría de los endoterm os tam bién son hom eoterm os y se esfuerzan en m an ten er un a TB constante. P ara tal fin. deben controlar la term ogenia y el intercam bio de calor. En los entornos fríos, los endoterm os estim ulan la term ogenia y reducen la pérdida de calor, m ientras que en entornos cálidos aum entan la pérdida de calor y reducen la term ogenia. P ara controlar la TB, los ani m ales deben contar con la capacidad de percibir la tem p eratu ra am biental y la del centro corporal.
Termogenia La producción de calor es u n a consecuencia inevita ble de estar vivo. Los endoterm os calientan el cuerpo p o r m edio del calor que se origina como subpro ducto de otros procesos m etabólicos, principalm ente el m etabolism o energético, la digestión y la actividad m uscular. Todos los anim ales, tanto endoterm os como ectoterm os, g en eran calor d urante estos p ro cesos, aunque sólo los endoterm os poseen ad ap taciones fisiológicas que les perm iten reten er suficiente calor m etabólico p a ra elevar el TB por encim a de la TA. A dem ás de las vías que producen calor como subproducto, los endoterm os cuentan con vías term ogénicas específicas con el principal objetivo de producir calor. Las vías term ogénicas dependen del ciclo fú til, en el que la energía quím ica potencial se destina a la generación de calor. La m ayoría de los ciclos fútiles consisten en ciclos de hidrólisis y sínte sis de ATP. El calor se libera durante la hidrólisis de ATP (ATP -> ADP + fosfato), aunque se produce u n a cantidad m ucho m ayor de calor cuando la célula em plea el m etabolism o interm edio p a ra reg en erar el ATP. Los endoterm os pueden increm entar la produc ción de calor al au m en tar la velocidad de renovación de ATP o al reducir la eficiencia de producción de ATP. En am bos casos, la m ayor p arte del calor m eta bólico se origina directa o indirectam ente de la fosfo rilación oxidativa m itocondrial, analizado de form a exhaustiva en el Capítulo 3.
La te rm o g e n ia con esca lo frío se produce co m o resu ltad o de las con tra ccio nes m usculares no sincronizadas Los m úsculos d esem p eñ an un papel p re p o n d e ra n te en el p resu p u esto térm ico de los endoterm os.
Fisiología term al 655
Debido a que éstos son los tejidos m ás a b u n d an tes en las aves y m am íferos, p roducen u n a cantidad considerable de calor, incluso en reposo. La loco m oción au m en ta la velocidad de producción calorí fera de los m úsculos. No o bstante, m uchas aves y m am íferos tam b ién p u ed en u tilizar los m úsculoes queléticos p a ra g e n e ra r calor p o r m edio de la term o g en ia con esc a lo fr ío . Al igual que la contracción habitual, las n e u ro n a s m otoras de la colum na v erteb ra l lib eran n e u ro tra n sm iso re s en la placa term in a l m otora, au n q u e d u ra n te los tem blo re s el p a tró n de excitación es diferente. Las n e u ro n a s m ás p eq u eñ as, es decir, las que rec o rre n las fib ras lentas, se reclu tan en p rim e r lugar, seguidas de las m ás g ran d es que re c o rre n los m úsculos rá p i dos. Como resu ltad o , las m iofibras individuales se contraen, au n q u e las u n id ad es m o to ra s no están co ordinadas y el m úsculo global no se en fre n ta a ningún m ovim iento relevante. La term ogenia con escalofrío es u n a estrateg ia que re su lta eficaz p a ra b reves periodos de exposición al frío, p ero no sirve en los casos de estrés p o r frío prolongado. La m ecánica del escalofrío evita que u n an im al d eba u tilizar los m úsculos de m ovim iento p a r a cazar p re sa s o e s cap ar de d ep red ad o res. A dem ás, si los tem blores p ersisten o se rep iten con frecuencia, los m úsculos se ag o tan de n u trie n te s ráp id am en te y se fatigan como lo h a ría n tra s u n a in te n sa ejercitación.
En ciclos m e ta b ó lico s fú tile s se genera calor La term ogenia con escalofrío es propia de las aves y m am íferos, aunque otros anim ales tam bién utilizan m úsculos p a ra gen erar calor. Los insectos voladores grandes como los abejorros y algunas polillas son capaces de producir suficiente calor p ara calentar los m úsculos de vuelo torácicos, lo que aum enta el ren d i m iento de los m úsculos de vuelo en térm inos de la producción energética, el acoplam iento excitacióncontracción y el ciclo de puente cruzado. El elevado índice metabólico durante el vuelo genera abundante calor, suficiente como p ara calentar varios grados los m úsculos de vuelo. Cabe subrayar que estos insectos son capaces incluso de calentar la m usculatura de vuelo con anterioridad al despegue. Tres m ecanism os diferentes perm iten que los insectos calienten el tórax antes de volar. E stas m is m as vías term ogénicas tam bién hacen que los insec tos sociales trab ajen de form a colectiva p ara calentar la colm ena. El prim er m ecanism o es un
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Integrando sistem as fisiológicos
ciclo m etabólico fútil en el m etabolism o de carbohi dratos. En el m úsculo de vuelo se activan de form a sim ultánea dos enzim as: la enzim a glucolítica fosfofructocinasa y la enzim a gluconeogénica fructosa1,6-bifosfatasa. El ciclo m etabólico provoca la hidrólisis de ATP y la producción de calor, aunque no produce m odificaciones en los niveles de los dem ás su strato s y productos. El segundo m eca nism o de calentam iento depende de la contracción m uscular. Dos grupos de m úsculos de vuelo antago n istas im pulsan los m ovim ientos de las alas d u ran te el vuelo. Los abejorros p u eden h a c e r que am bos grupos de m úsculos se contraigan de form a sim ultá n e a con an terio rid ad al vuelo, de m odo que la en e r gía se consum a sin m ovim iento productivo. El tercer m ecanism o p a ra la generación de calor es el m ovi m iento de las alas en sí. El insecto las m ueve con u n a rap idez que produce un zum bido, aunque controla la frecuencia y orientación de las alas p ara evitar la elevación. En conjunto estas vías term ogén icas p erm iten que el m úsculo de vuelo se caliente an tes del despegue. A parentem ente hay u n a tem p e ra tu ra torácica crítica que se debe alcanzar antes de que el insecto com ience el vuelo (Figura 14.17). Cuando la TA es elevada, se necesita m enos precalentam iento an tes del vuelo p a ra alcanzar el um bral adecuado.
Las pérdidas de las m em b ran as aum entan la te rm o g e n ia Las m em branas celulares m antienen un gradiente electroquímico que se origina a partir de la distribución diferencial de iones en las mismas. Las células utilizan la energía química, por lo general en form a de ATP, p ara crear estos gradientes. Por lo tanto, cualquier pro ceso que disipe los gradientes iónicos h ará que la célula emplee energía química p ara restablecerlos. Los gradientes iónicos colapsan por dos razones principales: en prim er lugar, m uchas proteínas especí ficas de la m em brana utilizan energía electroquímica p ara im pulsar otros procesos como el transporte de m etabolitos y la biosíntesis. Por ejemplo, m uchas célu las transportan glucosa y am inoácidos hacia su inte rior m ediante cotransportadores dependientes de Na+, lo que hace que la célula utilice la Na+/K+ ATPasa p ara expulsar N a+ de la célula. La FjF 0ATPasa mito condrial es otro transportador que disipa los gradien tes iónicos, en este caso la fuerza m otriz del protón. El calor se produce cuando el sistem a de transporte de electrones m itocondrial oxida los equivalentes reduc tores p ara regenerar el gradiente de protones. La segunda vía de disipación del gradiente iónico es la pérdida de iones, en la que los movimientos ióni cos no se acoplan a ningún otro proceso de tra n s porte. Debido a que ninguna m em brana biológica es totalm ente im perm eable, algunos iones se filtran por la capa doble o los espacios entre las proteínas y fosfo lípidos. Las proteínas de la m em brana que im pulsan los iones producen calor como subproducto, m ientras que un alto porcentaje de la producción de calor en reposo, en el caso de algunos tejidos h asta un 50%, se debe a los gastos de m antener gradientes iónicos. Cualquier proceso que increm ente la necesidad de im pulsar iones tam bién aum entará la term ogenia. Por lo general, los endoterm os cuentan con un índice m etabólico en reposo que supera unas 10 veces a la de los ectoderm os del mismo tam año y TB. Esto se debe en parte a las pérdidas de las m em branas: las m em branas plasm áticas y mitocondriales de los endoterm os de form a intrínseca p resentan m ayores pérdidas que las de los ectotermos, por lo que los pri m eros generan m ás calor a fin de m antener los gra dientes iónicos en las m em branas de m ayor filtración.
Tiempo (min) Figura 14.17. insectos.
Term ogenia en el músculo de vuelo de los
M uchos insectos voladores grandes son capaces de realizar un precalentam iento antes del vuelo por m edio de ciclos m e tabólicos fú tile s y actividad m uscular, a fin de elevar las te m peraturas torácicas al um bral necesario para volar.
La te rm o g e n ia aum enta la pérdida de p ro to ne s m ito co n d ria le s Los m am íferos poseen un método único p a ra g enerar calor en depósitos especializados de tejido adiposo
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m arró n (BAT), ubicados p o r lo general en las proxi m idades de la espalda y los hom bros (Figura 14.18). Los adipocitos m arro n es se diferencian de los blan cos en varios aspectos im portantes. C uentan con niveles m ucho m ás elevados de m itocondrias y expresan el gen que codifica la proteína term ogenina. El BAT es especialm ente im portante p a ra la term ogenia en anim ales pequeños y recién nacidos de los anim ales m ás grandes, m ás aú n en los que h ab itan entornos fríos. El sistem a nervioso sim pático se encarga de controlar el crecim iento del BAT y la term ogenia. La norepinefrina que los nervios liberan hace que aum ente la cantidad y el tam año de las células del BAT (hiperplasia e hipertrofia, respectiva m ente). Se inducen células precursoras no diferen ciadas p a ra que se reproduzcan y luego se diferencien en BAT. El triglicérido se sintetiza y las m itocondrias se reproducen. Al m ism o tiem po, las células com ienzan a expresar la term ogenina, que hace que el tejido increm ente la ta sa de respiración
Tejido adiposo pardo (BAT)
pardos
Vénula F ig u ra 14.18.
T e jid o a d ip o s o m a rró n en los h á m s te rs .
Los hám sters poseen gruesas capas de BAT detrás de los hom bros.
Fisiología term al 657
m itocondrial y, como consecuencia, la producción de calor. La producción de calor del BAT se suele deno m inar term ogen ia sin escalofrío (NST). Si bien las otras vías que se h an analizado tam bién se diferen cian de la term ogenia con escalofrío, NST es un té r m ino que se suele em plear exclusivam ente p ara la term ogenia m ediada por BAT. Ante la ausencia de term ogenina, los procesos de oxidación de equivalentes reductores y fosforilación de ATP se com binan po r la dependencia com ún en la fuerza m otriz del protón. Cuando se inserta la term o genina en la m em brana interna de la mitocondria, acentúa la p érdida de protones de la m itocondria y disipa la fuerza m otriz protónica. Dado que de este m odo la oxidación ya no se com bina con la fosforila ción, es posible afirm ar que la term ogenina produce la desactivación. En presencia de la term ogenina, la oxidación y el im pulso de protones perm anecen a altas velocidades, aunque con reducidos índices de síntesis de ATP. La m an era en que la term ogenina induce la des activación aún se desconoce. Una teoría propone que ésta actúa como un ionóforo: tom a protones del cito p lasm a y los tran sp o rta a las m itocondrias, disi pando así el gradiente de protones. Otra teoría sugiere que la term ogenina disipa el gradiente de protones provocando el ciclo fútil de ácidos grasos: tran sp o rta un ácido graso ionizado (R-COO~) del lado m itocondrial de la m em brana in tern a y lo em puja a través de la capa doble p a ra enfrentarse al cito plasm a. Debido a la m ayor concentración de proto nes (pH m ás reducido), el ácido graso ionizado se une al protón con rapidez (R-COOH) y en esta form a n eu tra reto rn a con facilidad a la cara in tern a de la capa doble, en donde se vuelve a ionizar. El ciclo completo de “ida y vuelta” hace que un protón se transporte a través de la m em brana interna de la mitocondria. Existen otras explicaciones p ara la función de la UCP y es necesario avanzar con la experim entación p ara establecer un m odelo definitivo. La capacidad term ogénica del BAT se conoce desde hace décadas y la proteína term ogénica se caracterizó por prim era vez a principios de la década de 1980. Aparece únicam ente en m am íferos y se expresa sólo en el BAT. No obstante, en los últimos años ha quedado claro que la term ogenina es sólo uno de los m iem bros de un a gran familia génica de proteínas desactivadoras (UCP). Adem ás de la term o genina, tam bién denom inada UCP-1, los m amíferos expresan al m enos dos UCP m ás: UCP-2 y UCP-3. Am bas pueden increm entar la pérdida de protones m itocondriales, aunque no lo suficiente como p ara
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realizar un aporte significativo a la producción de calor. En lugar de d esem peñar un papel en la term o genia, estas UCP reducen el estrés oxidativo al evitar la producción de aniones superóxido en las m itocon drias. La familia génica de UCP es antigua, con m iem b ros presentes no sólo en los anim ales ectotérm icos y los peces, sino tam bién en las plantas, hongos y protistas. Es probable que la term ogenina se haya origi nado en la línea de los m am íferos como u n a versión que se duplicó y luego m utó de otras UCP.
Regulación de la tem peratu ra corporal El control de la tem p eratu ra corporal en los anim ales endotérm icos requiere la coordinación de varios sis tem as fisiológicos. Los anim ales deben contar con la capacidad de controlar la TB en diversas regiones anatóm icas críticas. Al controlar la TB central interna, p ueden evaluar el equilibrio térmico global. Los ter m orreceptores periféricos perm iten que los anim ales detecten la TA. Un term ostato en el sistem a nervioso central recibe e in terp reta la inform ación de las n eu ronas sensoriales térm icas, activando la respuesta conductual y fisiológica adecuada.
F ig u ra 14.19.
Los endotermos poseen un termostato central que integra la información termosensorial central y periférica Tal como se estudió en el Capítulo 7, los anim ales poseen diferentes tipos de neuronas p ara percibir y responder ante la tem peratura. Las neuronas sensi bles a la tem peratura, tanto de detección de frío como de calor, controlan las tem p eratu ras de form a central y periférica. Las aves y los m am íferos contro lan la tem p eratu ra por medio de neuronas sim ilares, aunque la ubicación del term ostato central difiere entre am bos taxones. Los m am íferos controlan la TA m ediante neuro nas sensoriales periféricas de detección de frío ubi cadas en la piel y las visceras. Cuando la TA disminuye, las neuronas periféricas envían señales al hipotálam o (Figura 14.19). La zona preóptica del hipotálam o anterior cuenta con neuronas sensoriales de detección de frío y calor que controlan la tem p era tu ra central del cuerpo. La inform ación de los senso res térm icos centrales y periféricos se integra en el hipotálam o posterior, desde donde se envían señales al cuerpo p ara m odificar la velocidad de producción y disipación de calor. El hipotálam o responde con
El h ip o tá la m o y la te r m o r r e g u la c ió n .
El hipotálam o es el centro de control té rm ic o en los m am íferos. Interpreta las señales enviadas por las neuronas term osensibles centrales y periféricas y envía señales neuronales a otros tejidos, m odifica ndo el flu jo de calor.
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m ayor rapidez frente a la inform ación proporcio n ad a p o r los term orreceptores centrales que ante la sum inistrada p o r los periféricos. Los cam bios in feriores a 1 "C pueden excitar los term orreceptores centrales, activando u n a resp u esta ráp id a del hipotá lam o. Por el contrario, los term orreceptores periféri cos pueden reg istrar y responder ante alteraciones de varios grados sin suscitar u n a respuesta del hipotálam o. Las tem p eratu ras superficiales pueden m odificarse en varios grados sin d a ñ a r al animal, m ien tras que la tem p eratu ra del sistem a nervioso central debe perm an ecer m ás estable. La regulación de la TB en las aves se h a estudiado m enos exhaustivam ente, aunque resulta evidente que se diferencia de la de los m am íferos. El calenta m iento o enfriam iento del hipotálam o produce pocos efectos en la resp u esta term orreguladora de las aves. El term ostato central en este caso parece ser la m édula espinal y no el hipotálam o. No obstante, el term ostato aún se encarga de integrar la inform ación de los term osensores centrales y periféricos. Cuando el term ostato central detecta m odificaciones en la tem p eratu ra, responde activando neuronas que con ducen a u n a resp u esta com pensatoria. Tanto las aves como los m am íferos m odifican la TB al alterar la velo cidad de producción y disipación de calor.
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tudes y estructuras. M ientras que los folículos pilo sos de los hum anos producen pelos individuales, los de los perro s crean un pelo de protección principal y varios pelos secundarios, es decir, pelos suaves y delgados que form an la base del pelaje (Figu r a 14.20). La fosa del folículo piloso se com pone de células epiteliales. Una glándula sebácea que guarda u n a estrecha relación con cada folículo piloso libera com plejas secreciones de lípido (escualeno, ásteres de cera, triglicérido, ácidos grasos) que form an una co bertura protectora en el pelo y proporcionan hum ectación. Dim inutos m úsculos lisos denom inados m úscu los de erección conectan cada folículo de pelo con la superficie debajo de la epiderm is. Cuando se contrae el m úsculo de erección, el pelo p asa a u n a posición perpendicular, proceso denom inado p iloerección , de m odo que el pelaje ofrezca m ejor aislam iento. La contractilidad del m úsculo de erección se regula m ediante varios factores, no sólo de transm isión hem ática sino tam bién de origen neural. La situ a ción es sim ilar en el caso de las aves, en las que los
La piloerección reduce las pérdidas de calor Previam ente analizam os de qué m an era las cobertu ras corporales como el pelo y las plum as actúan como aislantes en los endoterm os. Debido a que la eficiencia de la capa aislante depende del grosor, los anim ales p u ed en reg u lar la p érd id a de calor al m odificar la orientación del pelo (en m am íferos) o plum as (en aves). Las aves (y los m am íferos) se vuel ven m ás esponjosos en el frío cuando obligan a que las plum as (y el pelo) se dispongan de m an era p e r p endicular a la superficie del cuerpo. El m ecanism o m ediante el cual se controla esta orientación se observa m ás claram ente en el pelo de los m am íferos, aunque la posición de las plum as en las aves se con trola de form a similar. El pelo en sí constituye u n a colección de células que poseen ab u n d an te queratina, un filamento interm edio del citoesqueleto. El extrem o m ás lejano es principalm ente tejido m uerto, aunque el extrem o m ás próxim o se com pone de células vivas in sertad as en el folículo piloso. Según la especie, un folículo piloso puede p roducir im solo cañón de pelo o varias com binaciones com plejas de pelos de diversas longi
F ig u ra 14.20.
F o líc u lo s p ilo s o s .
El pelo es producido por células del fo líc u lo piloso. Los m ús culos de erección unidos a la base del pelo se contraen en respuesta a la estim ulación neuronal, lo que hace que el pelo se vuelva vertical. Las glándulas sebáceas secretan lípidos en los conductos foliculares.
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
m úsculos de erección tam b ién controlan la orienta ción de las plum as.
Las modificaciones en la corriente sanguínea influyen en el intercambio térmico Todos los anim ales in tercam b ian calor en la superfi cie ex tern a del cuerpo, aunque son capaces de m odificar la eficacia del intercam bio de calor en la superficie al alte ra r el p atró n de la corriente san g u í n ea. El calor in tern o se equilibra en todo el cuerpo p o r m edio de la sangre. En las zonas donde los vasos sanguíneos se acercan a la superficie corpo ral, se pierd e calor con m ayor facilidad. Del m ism o modo, el increm ento de la corriente sanguínea por los vasos au m en ta la capacidad de p e rd e r calor debido a que calienta la superficie de la piel, el sitio de p érd id a de calor p o r conducción, convección y radiación. La regulación de la cantidad de sangre que fluye p o r los vasos sanguíneos se conoce como la r e s p u esta vaso m o to ra (Figura 14.21). D irectam ente debajo de la piel hay lechos capilares alim entados p o r arterias su b cu tán eas y d renados po r venas que se vacían en u n a red denom inada el plexo venoso.
Frío {Ta baja)
Calor (Ta alta)
m __ A r to r irtlo
Arteria Fig u ra 14.21.
Vena
Arteria
Vena
V a s c u la r iz a c ió n de la p ie l.
Cuando la sangre viaja cerca de la superficie del anim al, el calor se pierde por la piel. Cuando las tem p era turas son frías (izquierda), la sangre se desvía de la piel por conductos arteriovenosos (AV), proceso denom inado anastom osis arteriovenosa, que reduce la pérdida de calor. Por o tro lado, cuando el anim a l se encuentra en entornos cálidos, los conductos se contraen y la sangre se tran sporta por los vasos más cerca nos a la superficie de la piel, aum entando así la pérdida de calor.
Asimismo, se produce intercam bio directo de cierta cantidad de sangre entre las venas y las arterias m ediante conexiones denom inadas anastom osis arteriovenosa. Cuando la TB se en cuentra a niveles norm ales, el sistem a nervioso sim pático contrae las arteriolas a fin de reducir la corriente sanguínea. E sta constricción tónica se realiza a través del m ú s culo liso vascular en resp u esta a señales a-ad ren érgicas. Al elevarse la tem p eratu ra corporal, se pierde la constricción tónica y las arteriolas se dilatan p a ra perm itir que u n a cantidad m ayor de sangre fluya a los vasos sanguíneos de la piel. Al m ism o tiem po, los vasos sanguíneos de la anastom osis se contraen, por lo que m ás sangre se tran sp o rta por los vasos cerca de la piel. El volum en elevado y la alta distensibili dad del sistem a venoso perm ite que la sangre in ter cam bie calor con facilidad en la superficie cutánea. Cuanto m ás elevada resulta la tem p eratu ra de la piel, m ás ráp id a es la velocidad de p érdida de calor. Las modificaciones en el tono del m úsculo liso v as cular se controlan por m edio del hipotálam o poste rior. Las alteraciones en la corriente sanguínea que fluye po r los lechos capilares perm iten que un endoterm o controle el intercam bio de calor. Los efectos quizás se observen con m ayor claridad en los h u m a nos caucásicos, cuyas ráp id as m odificaciones en el color de la piel reflejan la corriente sanguínea subcu tánea. El ejercicio aum enta la tem p eratu ra central del cuerpo y activa un increm ento en la corriente sanguínea en dirección a la piel, lo que hace que ésta enrojezca. Del m ism o modo, las tem p eratu ras frías provocan la vasoconstricción periférica y reducen la corriente sanguínea a las m anos y los pies, haciendo que se vuelvan blancos. La lim itación prolongada de la corriente sanguínea hace que las extrem idades se to rn en m oradas, a m edida que la sangre que se acu m ula en el sistem a venoso se desoxigena len ta m ente.
Los intercambiadores contracorriente en la vascularización ayudan a retener el calor A dem ás de lim itar la corriente sanguínea a la perife ria, algunos anim ales son capaces de ex traer calor de la sangre caliente y transferirlo a la sangre m ás fría, lo que se logra al organizar la vascularización en intercam biadores de calor contracorriente. La organización exacta depende del anim al y los teji dos. Debido a que los peces re sp ira n agua, cualquier calor m etabólico se pierde con rapidez po r las b ran-
C A P ÍTU LO 14
quias. Algunos peces h eterotérm icos regionales son n ad ad o res activos que p roducen ab u n d an te calor en el m úsculo rojo. En el caso de los a tu nes, las v enas que a b an d o n an el m úsculo rojo se yuxtaponen con las a rte ria s que lo sum in istran, lo que perm ite que se tran sfiera calor miogénico de las v enas a las arterias (Figura 14.22). Esto hace que el m úsculo rojo alcance tem p eratu ras de incluso m ás de 10 °C su perior a la de los d em ás tejidos, incluido el m ú s culo blanco. Los in tercam biadores de calor co n traco rrien te son im por tan tes en otros peces h eterotérm icos regionales. Como se estudió en el Capítulo 6 , los peces de pico poseen u n m úsculo óptico m odificado deno m inado órgano calorífero que calienta el ojo y los nervios ópticos. Los in tercam b iad o res de calor con traco rrien te ayudan a re te n e r el calor en el sistem a óptico. M uchos peces gran d es, como el atú n rojo, utilizan este tipo de in tercam b iad o res en el tracto gastro in testinal p a ra re te n e r el calor de la digestión. Los endoterm os em plean los in tercam biadores de calor contraco rrien te a fin de reducir la p érdida de calor en la periferia. Las aves que se p a ra n sobre superficies frías como el hielo pueden p erd er u n a gran canti dad de calor a través de las patas (Figura 14.23). É stas son capaces de reducir la pérdida de calor al lim itar la corriente sanguínea a la periferia, aunque si lo realizaran d urante un tiem po prolongado los tejidos perifé ricos sufrirían de inanición. Los in ter cam biadores de calor contracorriente tran sfieren el calor de las arterias que salen del centro corporal a las venas que reto rn an de la periferia fría. El calentam iento de la sangre venosa am ortigua el im pacto del enfria m iento periférico. Asimismo, el en friam iento de la sangre arterial dism inuye el gradiente térm ico en la piel y de este m odo reduce la pérdida de calor.
Fisiología term al 661
Aorta ventral Branquias
^
Aorta dorsal
Vena cava inferior (a) Peces ectotérmicos
(b) Atunes heterotérmicos Fig u ra 14.22. d e l a tú n .
In te r c a m b ia d o r e s de c a lo r c o n tr a c o r r ie n te en los m ú s c u lo s
(a) En la mayoría de los peces la aorta dorsal y la vena cava in ferio r abastecen al
m úsculo rojo de form a directa. Todo el calor m iogénico abandona el m úsculo por m edio de la vena cava inferior, (b) En el caso de los atunes, los vasos se organizan para retener el calor en el m úsculo. En algunas especies, las ram ificaciones de la aorta dorsal y la vena cava in ferio r form an una red central o rete en el arco hem ático de la colum na vertebral. La mayoría de la especies de atún abastecen al m úsculo rojo por m edio de vasos laterales subcutáneos. Las arterias laterales se disponen en las proxim idades de las venas laterales, con ram ificaciones que form an redes peri féricas. Esta figura presenta un diagram a estilizado. Cada especie de atún heterotérm ico depende de diferentes com binaciones y cantidades de retes.
- Corriente sanguínea
Fig u ra 14.23.
V a s o c o n s tric c ió n p e r if é r ic a en los e n d o te rm o s frío s .
Las aves que se paran sobre superficies frías pueden m odifica r la corriente san guínea en dirección a los pies, reduciendo así la pérdida de calor. Los vasos san guíneos de la pata y el pie se organizan de form a paralela, lo que perm ite la form ación de un intercam bia dor de calor contracorriente.
662 SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
La transpiración reduce la temperatura corporal mediante el enfriamiento por evaporación Los anim ales p equeños cu en tan con u n a proporción favorable en tre la superficie y el volum en p a ra la p érd id a de calor, p o r lo que el enfriam iento por eva poración se utiliza p rincipalm ente en anim ales g ran d es. M uchos em plean secreciones de fluido cutáneo especializados (sudor) p a ra au m en tar el enfriam iento p o r evaporación. Los hum anos son p ro b ab lem en te los anim ales m ás pequeños que uti lizan con eficacia la tran sp iració n p a ra en friar el cuerpo. El su d o r es u n a m ezcla de agua, sales y algunos aceites. La sal del su dor eleva el punto de ebullición del agua, haciendo que el enfriam iento p o r evaporación sea m ás eficiente. La pérd id a de agua y sales p uede afectar a la regulación iónica y osm ótica, au n q u e los anim ales expuestos a climas cálidos d u ran te prolongados periodos son capaces de m odificar la com posición quím ica del sudor a fin de m inim izar los pro b lem as iónicos y osmóticos. P roducen m ayores cantidades de sudor con u n con tenido de NaCl m ás bajo, conservando así las sales vitales. La tran sp iració n se controla m ediante el hipotálam o anterior. Los nervios espinales sim páti cos se com unican con los nervios sim páticos que reco rren cada u n a de las glándulas sudoríparas, liberando acetilcolina.
El jadeo aumenta la pérdida de calor por la superficie respiratoria Otro de los m étodos en que los anim ales p ierden calor es a trav és de la ventilación. Las propiedades que h acen que la superficie resp irato ria colabore con el intercam bio gaseoso (alta vascularización, superficies h ú m ed as y elevado flujo de aire) tam b ién in crem en tan la p érd id a de calor, aunque si esto constituye u n hecho beneficioso o perjudicial d epende de la situación. En el frío, las aves y los m am íferos m inim izan la p érd id a de calor por la re s p iración, pero en un TA elevado los anim ales pueden m odificar el p atró n resp irato rio a fin de acen tu ar la p érd id a de calor. El enfriam iento p o r ventilación es un a estra te gia que equilibra la d em an d a re sp ira to ria con la term orregulación. El enfriam iento se increm enta cuando los anim ales au m en tan la frecuencia re sp i ra to ria y red u cen el volum en corriente. La re sp ira ción superficial y rá p id a constituye un signo de que el anim al en cuestión p resen ta un calentam iento
excesivo. La agitación del g a zn a te es u n a conducta de enfriam iento que se observa en las aves y se caracteriza po r la contracción y relajación ráp id a de los m úsculos de la garganta. Los m am íferos, po r otro lado, ja d ea n . Cada u n a de estas conductas enfría el anim al de diversas m an eras. En prim er lugar, la ventilación rá p id a aum enta la p érd id a de calor po r la superficie re sp ira to ria m ediante la con vección. En segundo lugar, y posiblem ente m ás im portante, la ventilación rá p id a h ace que el agua se evapore de la superficie de la vía aérea, de la superficie p ulm onar a la lengua. Los anim ales que d ependen del enfriam iento respiratorio suelen con ta r con superficies resp irato rias altam ente vascularizad as que se m an tien en húm ed as por medio de secreciones. Estos p atro n es de ventilación pueden m odificar la n atu raleza del perfil de gas sanguíneo, variando la fisiología resp irato ria. El aum ento de la frecuencia resp irato ria se com pensa en p arte p o r la reducción del volum en corriente. Los renos constituyen un claro ejemplo de los vínculos entre la respiración y la term orregulación. Si bien h ab itan entornos fríos, los renos se enfrentan al peligro de sufrir estrés térm ico debido a su gran tam año y gruesa capa de pelaje aislante. En tem pe ra tu ra s frías norm ales (10 °C) los renos resp iran por la n ariz a un a baja frecuencia. La parte superior de la cavidad n asal p resen ta abundantes capilares y la respiración nasal ayuda a enfriar las regiones cere brales cercanas. Cuando se calientan en exceso, m odifican el p atrón respiratorio: aum entan la fre cuencia respiratoria y com ienzan a ja d e a r por la boca (Figura 14.24). Si bien esta modificación en el p atrón resp irato rio dism inuye el enfriam iento directo del cerebro, reduce con m ayor eficacia la tem p eratu ra central del cuerpo.
La endotermia en reposo produce estados hipometabólicos En capítulos anteriores hem os observado varias for m as de hipom etabolism o que los endoterm os utilizan p ara sobrevivir en condiciones adversas. Los coli bríes, por ejemplo, reducen el índice metabólico todas las noches. Los m am íferos h ibernantes tam bién dism inuyen el m etabolism o d urante los largos y fríos m eses invernales cuando el alim ento escasea. Tanto en la inactividad diaria (letargo) como en la inactividad estacional m ás prolongada (hibernación), la fase hipom etabólica conlleva la reducción de la TB, fenóm eno que se denom ina en d oterm ia en reposo.
C A P ÍTU LO 14
Inspiración Expiración
Tiempo (a) Temperatura baja
Inspiración Expiración
Tiempo (b) Temperatura elevada Fig u ra 14.24.
P é rd id a de c a lo r d u ra n te e l ja d e o .
Al igual que otros m am íferos, los renos m odifican la respiración a fin de increm en tar la pérdida de calor. Éstos respiran por la nariz en bajas tem peraturas. El flu jo de aire enfría la sangre circulando por los vasos que recorren la cavidad nasal. Cuan do aum entan las tem peraturas, los renos respiran por la boca a una m ayor veloci dad (200-300 respiraciones por m inuto). (Fuente: Ass-Hansen etal., 2000).
La duración y m agnitud de la reducción en la TB difiere entre los diferentes anim ales y los tipos de inactividad (Figura 14.25). Una ardilla ártica, por ejemplo, perm ite que la TB se reduzca casi h asta el punto de congelam iento. No obstante, incluso las pequeñas dism inuciones en la TB ofrecen im portan tes ahorros de energía p ara un anim al inactivo. En condiciones norm ales (eutérm icas), los m am í feros y las aves m antienen la TB dentro de un estre cho rango. Los anim ales eutérm icos inducen una resp u esta com pensatoria cuando el term ostato cen tral, el hipotálam o en el caso de los m am íferos, p e r cibe u n a reducción en la TB. D urante los periodos de endoterm ia en reposo, el anim al vuelve a calibrar el term ostato central a fin de reconocer y defender una Tb diferente. Es posible que perm ita que la TB caiga a
Fisiología term al 6 6 3
niveles cercanos a la TA, bastante por debajo del punto establecido p ara la euterm ia. Los vínculos entre el metabolism o y la regulación de TB hacen que resulte difícil determ inar cuál de los dos p arám etros produce el enfriam iento hipom etabólíco. En la m ayoría de los anim ales que entran en un estado de inactividad, la TB y el índice m etabó lico dism inuyen de form a paralela, p o r lo que no está claro si la m enor TB reduce el m etabolism o o si es la m enor producción de calor m etabó lico la que ocasiona el enfriam iento. En algunos estudios, los anim ales p re sentan una dism inución en el índice m etabólico con anterioridad a la caída de la Tb, lo que indicaría que el hipom etabolism o da origen a la reducción en la TB. No obstante, en el caso de los anim ales m ayores, el retardo en el enfriam iento al e n trar en el estado de inactividad se debe en p arte a la in e r cia térm ica: la gran m asa y baja p ro porción de la superficie respecto del volum en re tra sa n el im pacto de la te r m ogenia reducida, haciendo que el anim al logre p erm anecer m ucho m ás caliente que la TA incluso con un índice m etabólico reducido.
Los pirógenos inducen la hipertermia
Las desviaciones de la TB óptim a en general afectan a la fisiología habitual, aunque en algunos casos los endoterm os pueden inducir la hiperterm ia local como p arte de la respuesta inm u nológica. El daño celular y tisular regional produce un calentam iento local denom inado inflamación. Las condiciones m ás graves conducen a una hiperterm ia en todo el cuerpo. La fiebre, inducida por m ensajeros químicos conocidos como p irógen os, ayuda a com b atir las invasiones de bacterias y virus. Los organis m os reconocen la presencia de bacterias cuando las células del sistem a inmunológico detectan determ i nad as proteínas bacteriales, como la endotoxina, u otras m acrom oléculas bacteriales como los lipopolisacáridos y proteoglicanos. E stas sustancias quím i cas, denom inadas pirógenos exógenos, se detectan por medio de los glóbulos del sistem a inmunológico.
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
35 — o 30
^o CL
25 8 20
|
O
CL
16 I 10 Tiempo (meses) (a) Hibernación
Debido a que esta respuesta inm unológica fun ciona m ediante el aum ento de la TB, p arecería eficaz sólo en anim ales que son capaces de reten er el calor corporal. De hecho, esta característica inm unológica está m ás desarrollada en los anim ales endotérm icos, principalm ente aves y m am íferos, aunque los anim a les ectotérm icos tam bién pueden inducir la hiperterm ia en resp u esta a patógenos. Dado que no son capaces de utilizar m ecanism os fisiológicos p a ra aum en tar la TB, em plean la fiebre conductual. Cuando un largarto o sapo se infecta con bacterias, p resen ta un aum ento en la T„ preferida, traslad án dose a un entorno m ás cálido.
p O CL O
S is te m a s in te g ra d o re s
CD CL
Los le ones vive n en m anadas de un m acho a du lto con
Las melenas del león son calientes un harén de hem bras. Las leonas se encargan d el cui dado de los peq u e ñ o s y la cacería, m ie n tra s que el m acho vigila la m anada, d e fe n d ie n d o su posición ante Tiempo (horas)
cua lq u ie r o tro m acho rival. Las h e m bras sin pareja elegi rán un m ac h o que p re s e n te n una "c a lid a d " su p e rio r en
(b) Letargo
té rm in o s del pote n c ia l re p ro d u c tiv o . El c o n c e p to de Fig u ra 14.25.
E stad o s h ip o m e ta b ó lic o s .
M uchos endoterm os responden a las frías tem peraturas al e ntrar en algún tip o de inactividad. La tem peratura corporal por lo general se reduce de form a paralela al índice m eta b ó li co. La inactividad se denom ina (a) hibernación cuando la de presión m etabólica se extiende durante sem anas o meses, o (b) letargo cuando el anim al entra en un estado hipom eta bólico en ciclos diarios.
s elección de pareja s uele s e r difíc il de in te rp re ta r desd e el p u n to de vista fis io ló g ic o del anim al. ¿C óm o hace una hem bra para re c o n o c e r el potencial re p ro d u c tiv o de un león m acho a p a rtir de las características vis ib le s o co n d u c ía le s ? E studios re c ie n te s indican que una de las características que las he m b ra s evalúan es el ta m a ñ o y co lo r de la m elen a del m acho, el a bu ndante pelaje que c ubre el cu e llo y la garganta. Las obse rv a c io n e s reales
Cuando los m acrófagos detectan la endotoxina, por ejemplo, resp o n d en al sintetizar los pirógenos endó genos como la interleucina 1. Los m acrófagos liberan interleucina 1 en las regiones que ro d ean a las n eu ro n as term osensibles, activando la liberación de otro químico denom inado m ediador en las células circun dantes. Un tipo de m ediador, la prostaglandina E, m odifica el punto establecido del hipotálam o, acti vando u n a resp u esta com pensatoria que produce el calentam iento de los tejidos. Las neuronas sensibles al calor reducen la frecuencia de envío, m ientras que las n eu ro nas sensibles al frío la aum entan. El cuerpo tiem bla p a ra au m en tar la producción de calor m eta bólico en los m úsculos. La frecuencia cardiaca se eleva y los vasos periféricos se dilatan a fin de incre m en tar el flujo sanguíneo, p a ra así distribuir el calor central del cuerpo en todo el anim al.
sugieren que las leonas tie n d e n a e le g ir parejas con una m elen a larga y oscura, característica que podría c o n s ti tu ir una in dicación fie l de la calidad del m ac h o de b id o a la relación e n tre las propiedades de la m elen a y la te rm orregu lación. La m ayoría de los le ones africanos habitan en cáli das sabanas, en do n d e las te m p e ra tu ra s d u ra n te el día pue den alcanzar los 4 5 °C. Para é s to s el m a y o r desafío es m a n te n e rs e fre s c o s , por lo que la abu ndante m elena de los m achos parecería c o n tra p ro d u c e n te en relación con la fisio logía te rm a l. A lg u n o s e s tu d io s con cám aras in frarrojas apoyan la su p o sició n de que los m achos con m elen as oscuras y gruesas se e n fre n ta n a m ayores d ifi culta d e s para e xpu lsar el calor exce s iv o . D ado que la m elen a re presenta una carga te rm o rre g u la d o ra , ¿por qué m o tiv o fo rm a parte de la s e lección sexual? Los in ves tig a d o re s han e s tu d ia d o varias e x plicaciones posi
C A P ÍTU LO 14
Fisiología term al 665
bles para esta característica adaptativa aparentemente
como el Serengeti. Las melenas abundantes serían, en
errónea. No cabe duda de que las hembras utilizan la apa
esta circunstancia, una carga aún más problemática para los leones machos de Tsavo. Éstos se volvieron
riencia de la melena en la elección de la pareja, aunque
famosos por dos motivos: en prim er lugar, se los perci
se desconoce el m otivo por el que seleccionan las más oscuras y abundantes. La teoría más sencilla es que la
bía com o más agresivos que otros leones, e incluso ganaron la reputación de ser devoradores de humanos.
gruesa melena ayuda a los machos a proteger la frágil región del cuello durante las violentas contiendas por el
Los leones fantasma de Tsavo, como se los conoció,
dominio. Desde el punto de vista de la hembra, un
también se destacaban por carecer de melena. Los machos jóvenes en toda África carecen de melena, por
macho bien protegido cuenta con una mayor capacidad de proteger la manada contra cualquier invasor. Desde
lo que durante bastante tiem po se creyó que sólo se observaban machos jóvenes en Tsavo. Sin embargo, los
la perspectiva del macho, los beneficios de la protec
investigadores atrajeron leones de la densa vegetación
ción extra superan los gastos adicionales vinculados con la termorregulación. Otra explicación para este
y descubrieron que incluso los machos dominantes carecían de melena. Para estos animales la melena
fenóm eno es la hipótesis de incapacidad. Al igual que la cola del pavo real, la melena más abundante puede indi
sería una carga imposible de superar, tanto debido a las
carle a la hembra que el macho posee una sólida fisiolo
temperaturas más cálidas com o por la densa vegeta ción. Así, en el caso de los leones de Tsavo, la evolución
gía, capaz de hacer frente a la carga fisiológica adicional. Independientemente del m otivo subyacente por el
los ha llevado a perder la melena. Los psicólogos pueden preguntarse cómo estos
cual la melena constituye una característica de selec
leones perdieron la melena. Si bien es necesaria cierta
ción sexual, los fisiólogos se preguntan cóm o se m odifi can las propiedades de la melena en un macho
cantidad de testosterona para el crecim iento de pelo, el exceso de la misma produce la caída de pelo. Se desco
dominante y de qué manera esto refleja el dominio. La respuesta radica en la comprensión de la base celular del crecim iento de pelo. La longitud del pelo se controla mediante las células del folículo piloso y la velocidad de crecimiento se modifica de acuerdo con las condiciones
noce aún si estos machos presentan un nivel de testos terona más elevado que los parientes del Serengeti, aunque también se observan modificaciones con res pecto a la estructura social de las manadas que involu
ambientales: es rápida en verano y lenta en invierno.
cra la testosterona. En los leones del Serengeti una manada puede tener hasta cuatro machos adultos, pero
Cada uno de los cabellos de los humanos crece por durante unos cinco años, después de los cuales perma
la mayoría de las manadas de Tsavo tienen un solo macho adulto. Es posible que los altos niveles de tes
necen estáticos durante otras 12 semanas. A partir de ese punto, un pelo nuevo comienza a formarse en el
tosterona no sólo produzcan la pérdida de pelo, sino que
mismo folículo, expulsado el pelo anterior. En principio, los leones pueden contar con una melena más larga al perm itir que el pelo crezca más rápido o durante perio
también aumenten la naturaleza agresiva de los machos de Tsavo, modificando así la estructura social de la manada. ! !
dos más prolongados. La velocidad de crecimiento se determina por las hormonas esteroides andrógenas: testosterona y dihidrotestosterona (DHT). La enzima
Resumen
5a-reductasa convierte la testosterona en DHT, su forma más activa. Los niveles del pigmento melanina, que se produce de forma directa en las células pilosas, determinan el color de la melena. El proceso de pig mentación también se ve influido por los niveles de tes tosterona, por lo que un elevado nivel andrógenos hace que la melena tenga un aspecto largo y oscuro. Dado que los andrógenos también controlan el impulso sexual y la agresión, las propiedades de la melena pue den reflejar la tendencia a conductas más agresivas que ayudan en el apareamiento y la defensa. Una curiosa variación en la historia de la melena del león proviene de los leones de Tsavo. Esta región afri cana es mucho más cálida que otros hábitats de leones,
Todos los anim ales están sujetos a las leyes físicas que regulan los flujos de calor, aunque los efectos en los endoterm os presen tan un m ayor im pacto en la fisiología. Los anim ales que h abitan en el agua p ier den calor con m ayor facilidad que los que viven en el aire, debido a que el agua p resen ta u n a conductivi dad térm ica m ás elevada. Si bien la producción de calor constituye u n a función de la m asa corporal, el intercam bio de calor depende de la superficie. Como consecuencia, la proporción entre la superficie y el volum en en los anim ales p resen ta u n a im portante influencia en la term orregulación. La presencia de aislantes en la superficie externa del anim al, como
SEG UN DA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
plum as y pelo, crea u n espacio m uerto que reduce el gradiente térm ico entre el anim al y el entorno. El m ovim iento de fluidos como el aire y el agua incre m en ta la velocidad de p érd id a de calor por convec ción. La radiación térm ica es u n a im portante fuente de calor p a ra los anim ales, que procede directa m ente del sol y del entorno que rodea al anim al. M uchos anim ales son capaces de absorber la energía térm ica de la radiación solar al tom ar sol, con fre cuencia ayudados por la coloración oscura. Muchos utilizan el enfriam iento p o r evaporación pa ra reducir el calentam iento excesivo. Las estrategias térm icas de los anim ales pueden distinguirse p o r medio de dos p ares de térm inos. Los poiquiloterm os y hom eoterm os se diferencian po r la estabilidad de la tem p eratu ra corporal (TB). En los poiquiloterm os la TB cam bia de acuerdo con las con diciones am bientales, m ientras que los hom eoterm os m an tien en u n a TB constante. Los ectoterm os y endo term os se diferencian por la fuente del calor corpo ral. Los prim eros p resen tan u n a TB que se determ ina según las condiciones am bientales, m ientras que los segundos elevan la TB al producir y re te n e r el calor m etabólico. Los h eteroterm os son anim ales que cuentan con com binaciones de endoterm ia y ectoterm ia. Los h eteroterm os tem porales por lo general son endoterm os d u ran te la m ayor p arte de su vida, au n que p asan por periodos de hipoterm ia como en el caso de la hibernación o letargo. Los heteroterm os regionales, p o r otro lado, son capaces de calentar d eterm inadas regiones del cuerpo por encim a de la tem p eratu ra am biental (TJ. Los endoterm os cuentan con zonas de term otolerancia. La zona term o n eu tra es el rango de tem p era tu ras en tre las cuales las funciones fisiológicas se en cu en tran en im nivel óptimo. F uera de este rango, los gastos m etabólicos son m ayores y las funciones anim ales se ven afectadas. Los anim ales que sopor ta n im amplio rango de TA son euriterm os, m ientras que los que viven entre un estrecho rango de TA se denom inan estenoterm os. Los anim ales cuentan con la capacidad de reducir los efectos del estrés térm ico al m odificar la conducta. Por ejemplo, pueden cam b iar la posición corporal o traslad arse a m icroclim as con tem p eratu ras m ás favorables. Los cam bios en la TA p resen tan m ayores conse cuencias p a ra los ectoterm os que p ara los endoter m os. Las alteraciones en la TB influyen varios aspectos de la estru ctu ra m acrom olecular y el m eta bolismo. La tem p eratu ra m odifica la fluidez de la m em b ran a al alterar la cantidad de uniones que se form an entre los fosfolípidos. Una tem p eratu ra m ás
elevada aum enta la fluidez, m ientras que un a m ás reducida la dism inuye. Los anim ales pueden m itigar estos efectos al m odificar la naturaleza de las m em b ra n a s en térm inos de la longitud de las cadenas de ácidos grasos, la saturación, el perfil de fosfolípido y el contenido de colesterol. La tem p eratu ra tam bién afecta a la estructura tridim ensional de las proteínas y la cinética de las enzim as. Cuando las proteínas sufren la desnaturalización térm ica, se producen genes p ara las proteínas de estrés, que vuelven a ple gar las proteínas dañadas y m arcan las proteínas dañadas de form a irreversible p a ra la degradación. La tem p eratu ra tam bién modifica la velocidad de las reacciones quím icas y, por tanto, el índice m eta bólico. Los ectoterm os que habitan entornos fríos suelen rem odelar los sistem as fisiológicos p a ra com pensar los efectos de la tem peratura. Muchos anim ales pu e den soportar tem p eratu ras bajo cero. El mayor riesgo es la form ación descontrolada de cristales de hielo, que puede producir un estrés osmótico y d añ ar de form a física las m em branas celulares. Los anim a les tolerantes al congelam iento se enfrentan con el frío extrem o al producir com puestos que prom ueven el congelam iento. Estos nucleadores de hielo contro lan el crecim iento de cristales de hielo p ara así p ro te ger al anim al de daños. Otros anim ales producen proteínas anticongelantes que evitan la form ación de hielo intracelular. Los que h an habitado el frío extrem o por periodos prolongados suelen p resen tar proteínas ad ap tad as al frío. Los anim ales endotérm icos producen calor m e tabólico y lo retienen con el fin de elevar la tem p era tu ra corporal po r encim a de la tem p eratu ra am biental. El calor es u n a consecuencia n atu ral del m etabolism o, aunque los endoterm os cuentan con índices m etabólicos m ás elevados que los ectoterm os de igual tam año. Una m ayor p érdida en la m em b ra n a es u n a de las razones po r las cuales éstos poseen índices metabólicos m ás altos. Los endoterm os utilizan sistem as neurales p ara detectar las tem peraturas externas e internas. El hipotálam o en los m am íferos integra la información sensorial central y periférica p a ra hacer que los siste m as fisiológicos m odifiquen la producción y retención de calor. Las neuronas periféricas sensibles al frío activan cambios en la orientación del pelo, o la piloerección, p a ra reducir la pérdida de calor. Los nervios y las horm onas tam bién controlan el flujo sanguíneo a la superficie de la piel p ara regular la velocidad de la pérdida de calor. La vascularización se suele organi zar en intercam biadores contracorriente p a ra ayudar
C A P ÍTU LO 14
a reten er el calor en el centro del cuerpo. Los m am ífe ros grandes que p resen tan un calentam iento excesivo utilizan la transpiración p ara aum entar el enfria m iento por evaporación. Algunos anim ales pequeños expulsan el calor por medio del jadeo, que increm enta la pérdida de calor m ediante la lengua y la superficie respiratoria. Los m am íferos tam bién son capaces de aum entar la tem p eratu ra corporal en respuesta a la infección. Esta hiperterm ia, o fiebre, es inducida por los pirógenos. Algunos endoterm os logran tolerar bre ves periodos de supresión m etabólica, durante los cuales la tem p eratu ra corporal disminuye, aunque r a ra vez llega al punto en que se equipara con la tem p eratu ra am biental. D urante la endoterm ia en reposo, los anim ales vuelven a configurar el term os tato central a u n nuevo punto establecido.
P reguntas de revisión 1. Com pare y contraste los siguientes térm inos: hom eoterm ia y poiquiloterm ia, endoterm ia y ectoterm ia, heteroterm ia regional y heteroterm ia tem poral. 2. El agua a 10 °C p arece m ás fría que el aire a la m ism a tem p eratu ra. ¿Por qué? 3. ¿Por qué las proteínas anticongelantes se obser v an en los peces m arinos pero no en los de agua dulce? 4. Com pare y contraste los m ecanism os de term o genia. ¿Qué pasos bioquím icos se encargan de la producción de calor? 5. Analice las diferentes fuentes ectoterm o em plea p a ra elevar 6 . ¿Qué conductas reducen las debido a (a) la conducción; (b)
de energía que un la Ts. pérdidas de calor la convección?
Fisiología term al 667
7. ¿Cómo sabem os que las proteínas anticongelan tes aparecieron varias veces en la evolución?
8 . ¿De qué m an era funcionan los intercam biadores de calor contracorriente?
P reguntas de síntesis 1. ¿Por qué las tem p eratu ras elevadas son m ás peli grosas que las bajas? 2. ¿Cómo podríam os convertir un anim al term osensible en uno term otolerante? 3. Sintetice las m odificaciones fisiológicas que acom pañan la aclim atación térm ica.
4. ¿Por qué los anim ales endotérm icos necesitan las neuronas term osensibles centrales y periféricas? 5. La term orregulación requiere el control activo de la corriente sanguínea que fluye por los vasos. ¿De qué m an era los anim ales dilatan algunos vasos sanguíneos m ientras contraen otros?
6 . ¿Qué efectos se pueden observar en la presión sanguínea si se expone un m am ífero a tem p era tu ras muy bajas?
7. ¿Qué modificaciones genorreguladoras deben h ab er acom pañado la evolución del tejido ad i poso m arrón?
8 . El color del anim al influye en varios aspectos de la fisiología y la ecología. Indique algunos ejem plos de anim ales cuyos patrones de color desem p eñan un papel en la term orregulación. 9. Muchos m am íferos desarrollan pelajes diferentes en invierno y verano. ¿Qué factores influyen en los gastos y ganancias de la m uda estacional?
10. Com pare y contraste la estructura del pelo y las plum as.
C a p ít u lo 1 5 Reproducción
os b ió lo go s evolu cion ista s utilizan la expre
L
sión estrategia de historias die vida para descri b ir el patrón de crecim iento, co m po rta m ie nto y reproducción que un anim al presenta a lo largo de toda su vida. Las variaciones en las estrategias de historias de vida se interpretan en el con te xto de éxito reproductor, el dinero de la evolu ción . Es to s elem entos de la estrategia de historias de vida se
encuentran interrelacionados a través de la fisiología.
el re n d im ie n to re p ro d u c to r de acuerdo con las re stric
En p rim e r lugar, el anim al regula los procesos fis io ló g i
ciones del entorno.
cos durante toda su vida para asegurar que podrá re p roducirse. En segundo lugar, la reproducción m ism a
Los ecologistas clasifican en general las estrategias
es un proceso fis io ló g ico que incide sobre otros siste
de historias de vida com o de tip o K y de tip o r. Las estrate gias tipo K se especializan en producir relativam ente po
mas fisioló g ico s. C ualquier e lem ento específico de una
cas crías pero invierten en gran m edida en su desarrollo.
estrategia reproductora, com o la edad de m adurez, la
A m enudo pueden retrasar la reproducción hasta el final
fecundidad y la su pervivencia infan til, tiene una base f i sioló g ica ; los e q u ilib rio s de la evolución se expresan en
de su vida, para así acum ular recursos hasta que puedan p roducir crías grandes y saludables. El hecho de retrasar
té rm in o s fisioló g ico s, co m o la tasa de crecim iento, el
la reproducción asegura que estos anim ales sean lo su fi
ta m a ñ o o los gastos m etabólicos.
cientem ente fuertes para tolerar los gastos de criar a los
Un a nim al no re p ro d u cto r recolecta los nutrie n te s
más jóvenes, generalm ente durante largos periodos. El
para crecer y m antenerse, alm acenando el excedente
cuidado de los padres puede ser esencial en entornos
de n u trie n te s en dep ó sito s de co m b u stib le . M ás tarde
donde las condiciones son tan duras que de lo contrario
en la vida , el anim a l entra en un p e rio d o de tra n sició n en el que sus p rio rida d e s fisio ló g ica s cam bian hacia la
la cría podría no sobrevivir. Los seres hum anos son tal vez el ejem plo más típico de este patrón de historia de
c o nstru cció n de te jid o s gam e tog é nico s y la p repara
vida, pero otros anim ales producen relativam ente pocas
ción para la repro d u cció n . Después de reproducirse,
crías, de gran tam año, y proporcionan abundante cuida
alg u n os a nim ales desvían su energía al cuid a d o de sus crías. Cada anim al ha d e sa rro lla d o un e q u ilib rio entre
do paternal. Por ejem plo, el kiwi produce un huevo que
las dem andas fisio ló g ica s opuestas para in v e rtir al m á
tuye casi el 20% de su masa corporal. El huevo de esta
x im o en la repro d u cció n en algún m o m e n to de su
ave es casi seis veces m ayor que los huevos de otras
vida. Los patrones de las h istoria s de vida que surgen
aves de tam año sim ilar. Para soportar el crecim iento del
ocupa la m ayor parte de su espacio interno, lo que consti
se ven m u y in flu id o s p o r la p re visib ilid a d del e nto rn o y
huevo, la hem bra triplica el consum o de alim ento. Más
la d is p o n ib ilid a d de los recursos. Las estrategias de
tarde en el desarrollo, el huevo es tan grande que co m pri
h istorias de vida se desa rro lla n con el fin de m axim iza r
me el estóm ago, lo que im pide a la hem bra alim entarse.
Cuando se reproduce, retiene s u ficie n te energía para asegurar su supervive ncia , y presenta la p o s ib ili dad de re pro d u cirse nuevam ente. Si un in d iv id u o a l canza la m adurez re p ro d u cto ra en un mal año, cuando existe la p o s ib ilid a d de que la cría no sobre viva , puede te n e r otra o p o rtu n id a d de otra repro d u cció n m ás e xi tosa en el sigu ie nte p e rio d o reproductor. S u p erficia lm e n te , estas dos estrategias, sem élpara e iterópara, parecen re q u e rir sistem as fis io ló g ic o s m u y d iferentes. S o rpre n d en te m e n te , existen eje m p lo s de a nim ales relacionados que presentan estrategias co m ple ta m e nte d iferentes. C onsiderem os a los peces s a lm ó n id o s. Los salm ones del A tlá n tic o son iteróparos H uevas de salmón.
y capaces de d esovar repe tid a m en te d urante varios años. Los salm ones del Pacífico son g en eralm ente se-
Un estratega de tipo r se reproduce lo m ás rápido posible, produce m uchas crías y gen e ra lm e n te les p ro porciona poco o nada de cuid a d o paternal. Los insec tos e je m p lifica n las estrategias de tip o r. A lgu n o s, c o m o las langostas, pueden re pro d u cirse tan rápido que dan la im p re sió n de su rg ir e spontáneam ente y crecen hasta ta l p u n to en cantidad que son ca lificados de plaga, que amenaza con d e s tru irto d a la vegetación en e norm es fra n ja s de tie rra. Por supuesto, son pocos los anim ales que entran d e n tro de estas dos estrate gias. Los conejos y los h ám sters se reproducen a una
m élparos, se reproducen una vez y lue g o m ueren. Sin e m ba rg o , cuando las especies del Pacífico se e ncuen tran sin salida al m ar, la pob la ció n e x p e rim e nta una tra n sició n e v o lu tiv a hacia la estrategia ite róp a ra y los peces se co nvie rte n en desovadores re pe titivo s. D ebi do a que los a nim ales ín tim a m e n te relacionados son tan sim ila re s en su g en o tip o, la hab ilid a d para presen ta r diferencias radicales en las estrategias de h istoria s de vida depende de la m anera en que se regule el fe n o tip o fis io ló g ic o , m a yorm e n te p o r el c o m p le jo c o ntro l h orm o n a l d ura n te el d e sa rro llo y la re pro d u cció n . •
edad re la tiva m e nte te m p ran a y producen grandes ca m adas de crías (am bas características de la estrategia de tip o r), pero ta m b ié n invie rte n m u cho en ellas (es trate g ia de tip o K). Podem os ta m b ié n d e scrib ir las estrategias de h is to ria s de vida basándonos en el m o do en que un ani mal reparte de manera p ro p o rcio n a l el esfuerzo re p ro d u cto r a lo largo de toda su vida. Las especies sem élparas pasan la m a yo r parte de su vida acum u la nd o recursos, preparándose para una única repro d u cció n a la que destinarán to d a s sus energías d isp o n ib le s, y luego m ueren in m e d ia ta m e n te después, habiéndose quedado sin energía para su p rop ia su pervivencia. Por el co n tra rio , los a nim ales ite rop á ro s pueden e xp e ri m e nta r m ú ltip le s ciclos reproductores.
Kiw i con huevo.
670 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
I Presentación
Espermatozoides
El ciclo de vida de u n anim al com ienza con u n a única célula, que se divide repetidam ente a través de fases m ulticelulares (zigoto, blástula y gástrula) que se dife rencian p ara form ar tejidos (morfogenia). A continua ción, las form as jóvenes experim entan m ás desarrollo p a ra alcanzar la m adurez reproductora (Figura 15.1). Los rasgos reproductores del individuo se establecen generalm ente en el desarrollo em brionario, con la adquisición de las principales características sexua les: las g ó n a d a s. Estos tejidos multicelulares incluyen células que producen g a m e to s , así como tam bién tejidos som áticos que respaldan la producción de gam etos (g a m e to g e n ia ). Las gónadas se desarrollan en com binación con otros sistem as fisiológicos y comportam entales en preparación p a ra el apaream iento. El com portam iento en el apaream iento puede estar relacionado con las condiciones del entorno y suele seguir complejos rituales de cortejo. Los anim ales luego liberan gam etos, óvulos o esperm atozoides, cuando se m axim izan las probabilidades de un a ferti lización exitosa. Los esperm atozoides, o el esperm a p a ra abreviar, se enfrentan a m uchos desafíos. Deben encontrar al óvulo en un entorno complejo y com petir con otros esperm as p a ra ser los que fertilicen al óvulo. Después de la fertilización, el em brión crece bajo el control de su único genom a, un mosaico de sus p adres. Todos los elem entos de la reproducción sexual, la determ inación del sexo, la gam etogenia, el apaream iento, la fertilización y el desarrollo, depen den de la coordinación de los procesos celulares en m últiples tejidos. La responsabilidad de la coordina ción de estos procesos recae sobre las horm onas endocrinas.
Óvulo Fertilización
Zigoto (fase celular 2) División celular
Morfogenia
Larva
Metamorfosis
Juvenil (no reproductora)
I Reproducción sexual Comencemos p o r considerar los aspectos de la reproducción que son com unes a m uchos anim ales. Mucho antes de que ap arecieran los anim ales en escena, los prim eros eucariotes (por ejemplo, los protistas) ya h ab ían desarrollado la capacidad p ara reproducirse sexualm ente. Como F rank S inatra cantó alguna vez, “las aves lo hacen, las abejas lo h acen ”, pero tam b ién los hongos y las plantas, a p esar de que el proceso no m erezca tanto u n a can ción. La esencia de reproducción sexual es la genera ción de descendencia a p artir de dos padres, cada uno de los cuales contribuye con cantidades casi
Senescencia y muerte Adulto postreproductor
Fig u ra 15.1.
C ic lo de v id a a n im a l.
Este ciclo de vida generalizado destaca las fases evolutivas observadas en la mayoría de los animales.
C A P ÍTU LO 15
iguales de m aterial genético. El concepto biológico de “m asculinidad” y “fem inidad” se b asa en el tam año de los gam etos. En la reproducción sexual, los gam e tos son de distinto tam año (anisogam éticos): el m acho posee gónadas (testículos) que producen pequeños gam etos (esperm atozoides) y la h em bra posee gónadas (ovarios) que producen grandes gam etos (óvulos). La gam etogenia se produce a tr a
Reproducción
vés de la m eiosis, a p esar de que existen im portantes diferencias entre la producción de esperm atozoides (e s p e r m a to g e n ia ) y la producción de óvulos (o v o g e n ia ) (Figura 15.2). Los sistem as reproductores inclu yen las gónadas, el tracto reproductor a través del cual escapan los gam etos y los tejidos accesorios que proporcionan las m oléculas reguladoras, los n u trie n tes y los líquidos.
Espermatogenia
Ovogonio
Espermatogonio
Ovocito primario
m
(crecimiento)
\
División meiótica I
Espermatocito primario
Ovocito primario
(a)
Fig u ra 15.2.
G a m e to g e n ia .
Los gametos se forman por el proceso de dos pasos de la meiosis. Las células germinativas (espermatogonio y ovogonio) proliferan en las gónadas para crear una reserva de células diploides que pueden experimentar la gametogenia. Los dos alelos de cada gen se muestran como cromosomas rojos y azules. La meiosis comienza cuando el cromosoma se duplica; la progresión a través de la meiosis difiere en los machos y en las hembras, (a) La ovogenia se detiene cuando el ovocito primario crece de tamaño y permanece inactivo en la hembra durante largos periodos. Cuando se activa, el ovocito primario experimenta una división celu lar asimétrica, dedicando la mayor parte del citoplasma a una única célula hija (ovocito secundario). La otra, la célula hija más pe queña, denominada primer cuerpo polar, se suele degradar. El ovocito secundario experimenta otra ronda de división celular asimétrica, dando lugar al óvulo y al segundo cuerpo polar más pequeño, que también es degradado, (b) La espermatogenia con tinúa cuando el espermatocito primario experimenta la división celular para producir dos espermatocitos secundarios. La meio sis continúa y cada espermatocito secundario se divide para producir dos espermátides haploides.
671
672 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
La reproducción sexual es un a de las razones por la que los anim ales h an tenido tanto éxito a la hora de explotar nichos ecológicos diversos. El proceso genera variaciones genóm icas a tres niveles. En prim er lugar, un anim al produce gam etos con genom as que consis ten en la combinación de crom osom as originalmente proporcionados por los propios padres del animal. En el caso de un anim al con 23 pares de cromosomas, m ás de 8 millones de gam etos genéticam ente diferen tes pueden ser producidos por un único individuo. En segundo lugar, durante la meiosis, las recom binacio nes cromosómicas pueden crear cro m osom as híbridos de los crom osomas m aternos y paternos, sum ándose al núm ero total de gam etos únicos. En tercer lugar, las crías diploides produ cidas por la fertilización son com bina ciones únicas de los diferentes tipos de variantes que surgen independiente m ente de los dos prim eros procesos, la ovogenia y la esperm atogenia. Por esto motivos, cada cría producida en la reproducción sexual es diferente a sus herm anos o padres. Por lo tanto, la reproducción sexual crea im a pobla ción que es u n grupo de genotipos dis tintos, una diversidad genética que es la m ateria prim a sobre la cual actúa la selección natural.
destacado en las características sexuales prim arias y secundarias de los m achos, pero posee adem ás un papel im portante en las hem bras. Las horm onas con funciones im portantes en otros sistem as fisiológicos tam bién poseen funciones vitales en la reproducción. La fisiología reproductora de los anim ales se encuen tra regulada por un grupo de horm onas con similitu des estructurales considerables (Figura 15.3). Las sutiles diferencias en la estructura confieren efectos
Ecdisteroides
20-Hidroxiecdisona Hormonas juveniles c a
H o rm o n a s re p ro d u c to ra s Las horm onas reproductoras orques tan el desarrollo, la m aduración sexual, la gam etogenia y el ap area miento. Existen varios tem as comunes sobre cómo los diferentes anim ales uti lizan las horm onas p a ra controlar la reproducción. Complejas vías de retroalim entación positiva y negativa con trolan la síntesis horm onal. Los niveles horm onales están determ inados por la regulación de la síntesis, así como por la degradación. En determ inadas espe cies, los m achos y las hem bras utilizan la m ism a serie de horm onas, a pesar de que una única horm ona puede tener funciones específicamente se xuales. Por ejemplo, en los vertebrados, la testosterona tiene un papel
c„h
Andrógenos H
oh~
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Androstenediona
Testosterona
Estrógenos OH
ó
6 Estrona F ig u ra 15.3.
£
& Estradiol-17fi
H o rm o n a s re p ro d u c to ra s . Las á r e a s d e s ta c a d a s d is tin g u e n
d ife r e n c ia s q u ím ic a s en h o rm o n a s ín tim a m e n te r e la c io n a d a s .
CAPÍTULO 15
únicos a través de interacciones con receptores especí ficos y com petencia por las enzim as que metabolizan las horm onas.
Lo esteroides son centrales para la fisiología reproductora de los vertebrados e invertebrados Los esteroides son reguladores cruciales de la fisiolo gía rep ro d u cto ra de los anim ales. Recordem os que en el Capítulo 4 dijimos que los esteroides regulan la fisiología a través de efectos en la expresión genética. Cada esteroide se une a un receptor horm onal nuclear, u n a p roteína que heterodim eriza con otra p roteína de unión al DNA p a ra form ar un factor de transcripción activo. Los anim ales interceden en los efectos de los esteroides alterando los índices de síntesis horm onal, los niveles de receptores en los tejidos objetivos, los índices de degradación de h o r m onas y receptores, y produciendo proteínas extracelulares que se u n en a los esteroides. Todos los esteroides derivan del colesterol, pero diversas vías enzim áticas perm iten a los anim ales producir una gam a de h o rm onas específicas estructuralm ente relacionadas. Los ecdisteroides, un grupo de horm onas deri v adas del esteroide ecdisona, son horm onas de los in v ertebrados que controlan los sucesos reproducto res, así como tam b ién el desarrollo. M uchos artró p o dos dependen de la 20-hidroxiecdisterona (20HE), producida a p a rtir de la ecdisona. (En bibliografía m ás antigua, a la 20HE se la denom ina a m enudo pecdisona, y a su p recu rso ra a-ecdisona). A p esar de que la 20HE es el ecdisteroide m ás potente, la ecdi sona y otros derivados tam bién d esem peñan un papel im portante en algunas especies. Los ecdiste roides son producidos p o r las glándulas protorácicas o gónadas, dependiendo de la especie y la etapa de la vida. En los vertebrados, u n complejo grupo de este roides con sutiles diferencias estructurales im parte actividades únicas. Los andrógenos controlan las características m asculinas. El andrógeno m ás com ún es la testosterona, a p esar de que otros andrógenos (11 -cetotestosterona, androstenediona) predom inan en algunas especies y procesos. Los estrógenos, incluidos la estrona y el estradiol-17p, derivan de los andrógenos y producen las características fem eni nas. La progesterona, que es estructuralm ente dife ren te a los andrógenos y los estrógenos, ejerce sus efectos principales sobre el sistem a reproductor fem enino. Los anim ales poseen vías com plejas p a ra
Reproducción 673
convertir estas horm onas, m ediante reacciones oxidativas de las enzim as citocrom o p450 del retículo endoplasm ático. El citocrom o P 4 5 0 arom atasa m etaboliza los andrógenos a estrógenos. Por ejem plo, convierte la testosterona en estradiol-17p, y la androstenediona en estrona. Los esteroides rep ro ductores son producidos en m uchos tejidos, pero los tejidos esteroidogénicos m ás activos son las gónadas.
La JH y la 20HE controlan la fisiología reproductora y del desarrollo de los artrópodos El control horm onal en la reproducción de los inver tebrados se conoce a fondo sólo en algunos taxones, generalm ente en aquellos de im portancia económ ica 0 m édica p a ra los seres hum anos. En los insectos y otros artrópodos, la 20HE y la h orm ona juvenil (JH)1 controlan el desarrollo reproductor, la m eta morfosis, la m uda y el m etabolism o. Cuando el huevo de un insecto se rom pe, em erge u n a form a juvenil (larva) y em pieza a comer. A m edida que la larva crece, alcanza la capacidad de su exoesqueleto rígido. La p rim era larva, tam bién conocida como in s tar, experim enta ecd isis (muda): el exoesqueleto se rom pe, rápidam ente aum enta de volum en y luego resintetiza un esqueleto nuevo y m ás grande. Muchos insectos experim entan m últiples m udas larvales antes de la edad adulta. El último paso del desarrollo, el surgim iento del adulto, se produce por u n a de dos vías alternativas. En los insectos holometabólicos, el último in star form a un capullo, una cubierta externa fibrosa alrededor de la form a joven interna, denom i n a d a en este punto crisálida. M ientras ésta aparece como aletargada, dentro del capullo la crisálida está reorganizando su sistem a fisiológico p a ra p re p a ra rse p a ra la m aduración reproductora. La form a adulta surge del capullo, a p esar de que necesitará experim entar un desarrollo sexual adicional. En los insectos hemimetabólicos, las form as de las larvas, generalm ente llam adas ninfas, experim enta repeti das m udas, y la últim a ninfa surge como un adulto. Los insectos holom etabólicos incluyen los lepidópte ro s (m ariposas), dípteros (moscas), y coleópteros (escarabajos). Los odonatos (libélulas), ortópteros (langostas) y los insectos verdaderos (hem ípteros y hom ópteros) son hem im etabólicos. 1 La horm ona ju ve n il es en realidad una clase de horm onas relacionadas derivadas de un ácido graso. JH1, JH2 y JH3 po seen variaciones m ínim as en el tam año de las cadenas latera les, que conducen a diferencias en la actividad biológica.
674 SEGUNDA PARTE
Integrando sistemas fisiológicos
La ho rm o n a juvenil se denom ina así debido a su papel de m antención de las características juveniles en las larvas. Estim ula la síntesis del exoesqueleto larval, que difiere en la com posición m olecular del exoesqueleto adulto. Los altos niveles de JH tam bién im piden que las larvas de los insectos holometabólicos experim enten la form ación de crisálidas. Sólo cuando los niveles JH descienden, la larva puede en trar en la fase crisálida (Figura 15.4). D urante la fase crisálida, los niveles de JH continúan cayendo y la crisálida se d esarrolla a la form a adulta. Una vez que los niveles de JH h an descendido a un nivel m ínim o, las células n eurosecretoras del cerebro libe ra n otra horm ona, la h orm ona de eclosión , y el adulto em erge del capullo (eclosión). Tras la eclo sión, la JH asum e una nueva fimción reguladora, aum entando la concentración p a ra activar la m adu ración sexual tanto en el m acho como en la hem bra.
Los niveles de 20HE dependen del control de la síntesis y la degradación. Además, las vías de síntesis cam bian a m edida que el anim al m adura. Una larva produce ecdisteroides en sus glándulas protorácicas, pero cuando el anim al sufre la m etamorfosis, estas glándulas degeneran y las gónadas se convierten en el principal sitio de producción. La síntesis y liberación de ecdisteroides se encuentra regulada por num ero sas horm onas péptidas. Uno de los prim eros de dichos reguladores en ser identificado fue la bombixina. Esta horm ona, aislada por prim era vez del gusano de seda Bombyx morí, es una proteína que se encuentra relacionada estructuralm ente a las horm o nas proteicas de los vertebrados de la familia de facto res de crecimiento de insulina o análogo a la insulina. La actividad de la JH, al igual que la de 20HE, está controlada po r la síntesis y la degradación. La biosíntesis de la JH en el cuerpo alado se encuentra regulada po r factores liberados po r las neuronas y por las células neuroendocrinas. Las alatotrop in as son horm onas péptidas que estim ulan la producción y liberación de JH, m ientras que la alatostatin as son horm onas péptidas inhibidoras. Los insectos adem ás controlan los niveles de JH po r la d egrada ción, utilizando la enzim a esterasa de la JH p a ra con vertir la JH en m etabolitos m enos activos. Por lo tanto, un aum ento en la actividad de la esterasa de la JH es la única form a con la que cuenta la larva del insecto p a ra reducir los niveles de JH y poder conti n u ar con su desarrollo. M uchas plantas poseen im i tadores químicos de JH que desestabilizan el desarrollo norm al de los insectos, protegiendo a las plantas de los insectos herbívoros. Del m ism o modo, m uchos insecticidas como el metopreno trab ajan bajo el m ism o principio que los agentes naturales de las plantas que actúan como im itadores de JH.
Las gonadotrofinas del eje hipotálamohipofisario controla los niveles de esteroides en los vertebrados
Larva
Crisálida
Adulto
Fase evolutiva F ig u ra 15.4.
Los n iv e le s de J H en la m e ta m o rfo s is de los
in s e c to s h o lo m e ta b ó lic o s .
Una larva posee altas concentraciones de JH que m antienen el estado ju venil. Una vez que las JH descienden por debajo del um bral, la larva puede transform arse en crisálida. Los ni veles de JH continúan descendiendo hasta alcanzar un m íni m o, una señal que dispara la eclosión (Fuente: Adaptado de Spratt, 1971).
Las gónadas son los sitios principales de la síntesis de esteroides sexuales en los vertebrados. Tanto en los ovarios como en los testículos, la síntesis de este roides se encuentra controlada por los niveles de horm onas no esteroides producidas por la adenohipófisis: las gonadotrofinas. La m ayoría de los verte brados producen el m ism o tipo de gonadotrofinas: la h orm ona estim u lad ora d el folículo (FSH) y la h orm ona lu tein izan te (LH). U na tercera gonadotrofina, la gon ad otrofln a coriónica, se produce únicam ente en los prim ates.
CAPÍTULO 15
En todos los vertebrados, las gonadotrofinas son producidas p o r los heterodím eros de u n a subunidad alfa (com partida por todas las gonadotrofinas) y una subunidad beta que im parte las propiedades únicas de cada horm ona. Por lo tanto, la FSH se com pone de u n dím ero de gonadotrofina alfa y FSH beta. Cada subunidad tiene u n a longitud de casi 100 am inoáci dos, y se encuentra fuertem ente m odificada po r la glucosilación. A diferencia de los esteroides, cada u n a de los cuales posee la m ism a estructura química independientem ente del taxón, las gonadotrofinas son proteínas con secuencias específicas de cada taxón. Por lo tanto, la FSH de los peces no es idéntica a la FSH de los m am íferos, pero se denom inan de la m ism a m an era debido a sus sim ilitudes estru ctu ra les. Las funciones exactas de las gonadotrofinas generalm ente difieren entre las clases taxonóm icas de los vertebrados. Son sim ilares en los aspectos m ás generales de controlar la gam etogenia y la m adurez reproductora, actuando directam ente sobre los teji dos objetivo e indirectam ente a través de los efectos de la síntesis de las horm onas esteroides. La FSH estim ula la esperm atogenia en los m achos e induce a la m aduración del folículo en las hem bras. La LH induce a las células intersticiales de los testículos a producir testosterona en los m achos e induce al fo lículo a producir estrógeno en las hem bras. La liberación de gonadotrofinas por la adenohipófisis se encuentra bajo el control de m últiples h o r m onas. El regulador principal es u n a horm ona hipotalám ica, la horm ona liberadora de gonadotro fina (GnRH). La GnRH está com puesta po r 10 am ino ácidos (un decapéptido) en todos los anim ales estudiados h asta la fecha. Sin em bargo, se h an visto m ás de 20 versiones diferentes de GnRH en los v erte brados y m uchas especies producen dos o m ás ver siones de GnRH con efectos sutilm ente diferentes en los tejidos objetivo. La función principal de la GnRH se encuentra en la reproducción, pero posee tam bién otras funciones, como el control del com portam iento. La GnRH es producida por las neuronas hipotalám icas y es liberada al sistem a porta que tran sp o rta los factores hipotalám icos a la adenohipófisis. Las neuro nas liberan u n a explosión de GnRH que dispara la secreción de LH y FSH. Las diferencias en la form a de alm acenam iento de la LH y la FSH afectan al perfil de estas horm onas en la sangre. La adenohipófisis alm a cena gran cantidad de LH en las vesículas que pueden liberarse en sincronía p ara inducir un im pulso de LH en la sangre. Por el contrario, la adenohipófisis alm a cena FSH preform ada, y produce FSH a m edida que se necesite, en respuesta a la GnRH.
Reproducción 675
Las gonadotrofinas regulan m uchos aspectos de la fisiología reproductora, m ediante la actuación a través de los efectos en su principal tejido objetivo, las gónadas. A dem ás de los efectos en los tejidos gam etogénicos y otras funciones de las gónadas, inducen la liberación de estrógenos en las hem bras y andrógenos en los machos. E stas horm onas luego actúan en otros tejidos, entre ellos tanto los tejidos reproductores prim arios (ovarios y testículos) como tam bién las consideradas características sexuales secundarias (glándulas m am arias, folículos pilosos y los rasgos sexuales masculinos). E stas relaciones entre el eje hipotálam o-hipofisario y las gónadas se describen en la Figura 15.5.
D e te rm in a c ió n del sexo El sexo se define estrictam ente con relación al tam año del gam eto, pero existe un concepto equivo cado que el sexo es siem pre el resultado de la p resen cia o ausencia del crom osom a Y. En los m am íferos, el crom osom a Y se denom ina crom o som a determ inante del sexo; se rá m acho cuando el zigoto sea heterogam ético (XY) y h em b ra cuando sea hom ogam ético (XX). Este patrón, sin em bargo, no es universal. En las aves y m ariposas, por ejem plo, la h em b ra es el individuo heterogam ético (designado como ZW) y el m acho hom ogam ético (ZZ). En otras especies, el sexo se d eterm ina por m uchos factores, p o r lo que el genotipo no es un buen pronosticador del sexo. C onsiderem os, por ejem plo, la situación en las abejas m elíferas. Si un huevo es fertilizado, la descendencia diploide será hem bra, pero si el huevo perm anece sin ser fertili zado, se pro d u cirá un m acho haploide. Los m achos rep ro d u cto res producen esperm a a trav és de u n a form a m odificada de m itosis. Este p a tró n de la determ inación sexual, denom inado haplodiploidia, p erm ite a la abeja rein a controlar el núm ero de m achos y h em b ras dentro de la colonia.
La reproducción asexual surge por clonación y partenogenia La diversidad genética que surge de la reproducción sexual ayuda a los anim ales a desarrollarse en entor nos cam biantes, pero p a ra aquellas especies que hab itan en un entorno relativam ente constante, la variación genóm ica no es necesariam ente u n a ven taja. La evolución a dotado a algunos anim ales que se reproducen sexualm ente con la capacidad de repro-
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Integrando sistemas fisiológicos
Características sexuales secundarias (a) Hembra Fig u ra 15.5.
(b) Macho
E je h ip o tá la m o -h ip o fis a r io .
El hipotálam o recibe señales del cerebro horm onas de tran sm isión hem ática y responde m ediante la liberación de la horm ona li beradora de gon adotrofin a a la hipófisis. Esto induce la liberación de gon adotrofin as (LH y FSH) a la sangre, para el tran sporte ha cia las gónadas. Las gónadas responden m ediante el aum ento de la síntesis de esteroides. (a) Los ovarios liberan estrógenos y progesterona, que ejercen efectos sobre los tejidos p rim arios reproductores, com o el útero, y los tejid o s sexuales secundarios, com o las glándulas m am arias, (b) En los m achos, los testículos liberan andrógenos, que ejercen efectos sobre los testículos, pero que además afectan a otro s tejidos, in cluidos los órganos sexuales secundarios y los músculos.
ducirse asexualm ente. Los corales, po r ejemplo, se reproducen sexualm ente pero h a n desarrollado la capacidad p a ra la reproducción asexual, po r medio de la producción de brotes que son clones del padre. Los brotes se form an con tejidos som áticos del adulto, ya sea h em b ra o m acho. Esto perm ite a un único coral producir u n a colonia de clones.
M uchas form as de reproducción asexual en los anim ales no tien en lugar a trav és de m ecanism os clónales, sino p o r p a r te n o g e n ia (“nacim iento vir gen ”). Al contrario que con la clonación, la p a rte n o genia se produce a trav és del uso de los óvulos y el sistem a rep ro d u c to r fem enino. Al contrario que con la repro d u cció n sexual, no se e n c u e n tra involu-
C A P ÍTU LO 15
Reproducción
erado nin g ú n m acho. La p arten o g en ia es im p o r óvulo, lo que resu lta en un zigoto hom ogam ético. ta n te en m u ch as especies de in v erteb rad o s. Por Debido a que la descendencia de la parten o g en ia ejem plo, cuando el alim ento es ab u n d an te un p ul autom íctica es hom ogam ética, el sexo de las crías gón h em b ra pu ed e u tilizar la p arten o g en ia p a ra d ep en d erá de cuál de los sexos sea hom ogam ético. p ro d u cir ráp id am en te de 50 a 100 crías de pulgón. La telitoquia es u n a form a de p arten o g en ia au to D entro de u n o s pocos días estas crías, que son m íctica en la que u n a h em b ra hom ogam ética (XX) d im in utas v ersiones de su m ad re, se rep ro d u c irán produce hem bras; carece de alelos. Y que son nece p arten o g én icam en te, lo que pro v o cará u n a plaga sario s p a ra la producción de un m acho heterogade pulgón. La p arten o g en ia es m enos h ab itu al en m ético (XY). Por el contrario, en la arrenotoquia, los v erteb rad o s. La lag artija cola de látigo (Cnemilas h em b ras h eterogam éticas (WZ) prod u cen sólo dophorus uniparens) existe como u n a especie com m achos (ZZ). Si el óvulo y el segundo cuerpo p olar pletam en te fem enina que se rep ro d u c e por se originan en u n alelo Z, las descendencias se rán p arten o g en ia. Cnemidophorus inornatus, su p a m achos ZZ. Si el óvulo y el segundo cuerpo p olar rien te m ás cercano y p ro b ablem ente la especie presurgen de un alelo W, se fo rm ará un genotipo WW decora, se rep ro d u c e sexualm ente. N otablem ente, no viable. La población sobrevive altern an d o entre m uchos de los co m p o rtam ientos del ap aream ien to la reproducción sexual y p artenogénica. E stas dos que o cu rren en la especie an cestra l todavía ocu form as de p arten o g en ia se en cu en tran resu m id as rre n en las especies p artenogénicas. En las esp e en la F igura 15.6. Obsérvese que la m eiosis es cies sexuales, u n au m en to de p ro g estero n a provoca tam b ién im p o rtan te en la parten o g en ia, y las crías que u n m acho m onte a u n a h em b ra. En las esp e parten o g én icas tam bién se benefician po r la r e cies asex u ales, u n au m en to de p ro g estero n a en u n a com binación de crom osom as. h e m b ra que está ovulando, provoca que ésta m onte a o tra h em b ra. Estos co m p o rtam ien to s en el “a p a r e a m ien to ” son com unes en las e sp e cies p arten o g én icas. En algunas especies, estos co m portam ientos Ovocito primario Ovocito primario son sim plem ente u n vestigio re g u la d o r de sus an tep asad o s sexuales, p ero algunos ritu a le s de a p a r e a m iento ad o p tan n u ev as funciones. Por ejem plo, el com portam iento de ap aream ien to de dos h em b ra s p a r tenogénicas p uede in d u cir a ovula ción. La p arten o g en ia perm ite a u n a única h em b ra diploide utilizar su tejido re p ro d u c to r p a ra p roducir la cría que p o d rá ser diploide o haploide, d ependiendo de las vías involucradas. Las vía m ás com ún de p arten o g en ia, d en o m in ad a p a rten o g en ia a u to m lctica (automíctica = que se m ezcla consigo m ism a), es u n a v ariació n en la vía m eiótica e stá n d a r p a ra la ovogenia, que p ro cede h a s ta el p u nto en que se form a (a) (b) el ovocito secu n d ario (véase la Figu Fig u ra 15.6. P a rte n o g e n ia a u to m íc tic a . ra 15.2). Cuando el ovocito se cu n d a En algunas especies, las hem bras se reproducen por partenogenia cuando el se rio ex p erim en ta la seg u n da división gundo cuerpo polar fertiliza el óvulo, (a) En la telito q u ia , las hem bras hom ogam ém eiótica, el segundo cuerpo p olar ticas producen sólo crías hem bras, (b) En la arrenotoquia, las hem bras no se d eg rad a sino que fertiliza el heterogam éticas producen crías m acho por partenogenia.
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678 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Los a n im a les pueden ser s im u ltá n e o s o h e rm a fro d ita s en serie La reproducción sexual no necesariam ente requiere de sexos genéticam ente separados. M uchas especies son herm afroditas, y poseen la capacidad de producir tanto huevos como esperm a. Algunos herm afroditas, como las lom brices, producen huevos y esperm a al mismo tiem po. Los testículos se en cu entran en segm en Fig u ra 15.7. A ro m a ta s a y s ín te s is de h o rm o n a s tos que están separados de los segm entos que s e x u a le s . contienen ovarios. Cuando dos lom brices copu La arom atasa convierte los andrógenos en estrógenos. La in hibición lan, ju n tan sus lados ventrales, pero orientando de la arom atasa puede provocar que un pez protogin o hem bra se la p arte an terio r con la posterior. Por lo tanto, el tran sform e en un pez macho. tejido esperm atogénico se encuentra directa m ente contra la región ovogénica. A p esar de que esta disposición antiparalela optim iza la posibili Las co n d icio n e s del e n to rn o pueden a lte rar dad de u n a fertilización cruzada p ara am bos gusa la p ro p o rció n sexual nos, puede ocurrir la autofertilización. Otras especies son herm afroditas en serie; P ara m uchos anim ales, las condiciones del am biente durante parte de su vida son de un sexo, pero a veces determ inan el sexo. La form a principal de determ i ejercen la opción de cam biar al otro sexo en un nación sexual po r el entorno es la determ inación m om ento m ás avanzado de su vida en determ inadas sexual dependiente de la tem p eratu ra (TSD). En un circunstancias. Los anim ales protoginos son prim ero entorno de tem p eratu ra interm edia, denom inada hem bras (producen huevos) y luego se convierten en tem p eratu ra fun d am en tal, se produce el mismo m achos (producen esperm a). Los anim ales protannúm ero de m achos y hem bras. La TSD se estudia dros son m achos en p rim er lugar y luego se convier m ucho m ejor en los reptiles. Algunas tortugas produ ten en hem bras. En m uchos casos, el cambio de un cen m achos cuando las tem p eratu ras están por sexo al otro se produce en respuesta a las condiciones debajo de la tem p eratu ra fundam ental y hem bras am bientales, que incluyen las interacciones sociales. cuando está por encim a. Por el contrario, algunos Por ejemplo, como se explicó en el Capítulo 4, algunos lagartos producen m achos cuando las tem peraturas peces de arrecifes de coral hem bra se transform an son altas. Un tercer patrón se observa en los cocodri espontáneam ente en m achos si el m acho dom inante los y caim anes: la descendencia fem enina se impone es eliminado de la com unidad. La transición de hem tanto en altas como en bajas tem peraturas, pero la b ra a m acho parece im plicar u n cambio en el m etabo descendencia m asculina es m ás abundante en tem lismo de las principales horm onas sexuales. El p eratu ra s interm edias. sistem a reproductor m asculino se m antiene por la No siem pre es obvio por qué un sexo en particu testosterona y su metabolito 11-cetotestosterona. El lar puede predom inar en u n a tem p eratu ra determ i estado reproductor femenino se m antiene por el nada, y no es seguro aú n que la m adre condicione estradiol-17(3. El control del sexo se encuentra ligado activam ente la proporción sexual m ediante la elec al metabolism o de la testosterona. En las hem bras, la ción del lugar p a ra poner los huevos. La TSD tam bién testosterona se m etaboliza a estradiol-17(5 a través de p resen ta algunos riesgos; si la tem p eratu ra fuese el u n a vía que involucra la enzim a citocromo P450 aro único factor de influencia sobre el sexo, podrían su r m atasa (Figura 15.7). Cuando las hem bras reciben gir situaciones en las que poblaciones enteras inhibidores de la arom atasa, experim entan un cam podrían estar am enazadas po r tem p eratu ras an o r bio de sexo en poco m enos de dos m eses. Los nuevos m alm ente altas (o bajas), lo que provocaría la p re m achos poseen bajos niveles de estradiol-17(5 y altos ponderancia de un solo sexo en la población. Por lo niveles de testosterona y 11-cetotestosterona. Aún se tanto, esas especies correrían un gran riesgo por el desconoce cómo los factores am bientales, incluidas cam bio climático global. las interacciones sociales, actúan sobre los regulado La proporción sexual que resulta de la TSD se ve res fisiológicos p ara alterar el m etabolismo de los influida po r otros factores tam bién. Por ejemplo, los esteroides en un escenario natural. niveles de horm onas sexuales en el vitelo afectan al
C A P ÍTU LO 15
p atrón de la determ inación sexual durante el des arrollo. Estos niveles de horm onas varían por las estaciones, e infunden así aspectos estacionales a la proporción sexual. Por ejemplo, en las tortugas pinta das, una tem p eratu ra de 28 °C genera casi el mismo núm ero de m achos y hem bras en el medio de la esta ción de celo. En los extrem os del celo, la m ism a tem p eratu ra puede producir el 75% de m achos o el 75% de hem bras. Esta diferencia parece estar ligada a los niveles relativos de estradiol-17 y testosterona en el huevo. Cuando el huevo presenta niveles relativa m ente altos de estradiol-17|3, la nidada se inclina m ás hacia las hem bras. E stas especies tam bién son particularm ente sen sibles a los desestabilizadores endocrinos (véase la Caja 4.2), que pueden alterar las proporciones sexua les independientem ente de la tem peratura.
Ovogenia En la m ayoría de especies, las hem bras producen su reserva de óvulos p a ra toda la vida al comienzo de su vida y los retienen en latencia evolutiva h asta que sean necesarios. El térm ino óvulo se refiere al gameto no fertilizado. El térm ino huevo se utiliza en muchos contextos diferentes. Por ejemplo, en los seres hum a nos los térm inos huevo y óvulo se utilizan de m anera intercam biable. Más com únm ente, un huevo se refiere a un óvulo rodeado de u n a cáscara o m em brana. M ientras que un óvulo no está fertilizado, un huevo puede o no estarlo. El óvulo es u n a célula sim ple, pero tam bién se asocia con m aterial no celular producido por el tracto reproductor femenino.
Los tres p rin cip a le s m od os de rep rod ucció n son ovíp aro, v ivíp a ro y o vo vivíp a ro Los tres principales tipos de estrategias reproducto ras, ovípara, vivípara y ovovivípara, se distinguen p o r el destino de los óvulos antes y después de la fer tilización. Los diferentes grados de cuidado paternal van en consonancia a grandes rasgos con las tres estrategias reproductoras. Los anim ales ovíparos expulsan los óvulos del cuerpo y todo el desarrollo ocurre externam ente p o r medio de la utilización de los recursos del interior del huevo. La fertilización puede ser externa, como en la m ayoría de los peces, o in tern a, como en las aves y los reptiles. Los niveles de cuidado p atern al varían de ninguno a intenso. Algunos insectos p resen tan cuidado p atern al m ien
Reproducción
tra s que la m ayoría de las aves protegen los huevos y alim entan a la cría. Los anim ales vivíparos utilizan la fertilización in tern a y la cría se desarrolla en el interior del cuerpo de la hem bra. Al comienzo del desarrollo, la cría obtiene gran cantidad de recursos de la m adre. Los m am íferos placentarios son los ejemplos m ás evidentes de anim ales vivíparos, pero tam bién algunos peces, serpientes y escíncidos. El tracto reproductor fem enino produce nutrientes p ara la cría, que pueden ser sim plem ente un líquido de “leche u te rin a ” segregada po r el útero, o un com po nente m ás elaborado que le perm ita al em brión obte n e r nutrientes de los vasos sanguíneos uterinos. Los anim ales ovovivíparos m uestran características tanto de los ovíparos como de los vivíparos. Utilizan la fertilización interna, seguida del desarrollo exten sivo interno de los em briones. M ientras se encuen tra n en el útero, los em briones se n u tren del vitelo, m ás que de la m adre. Al m adurar, los huevos se ro m pen dentro de la m adre. Esta estrategia es com ún en los peces, pero tam bién en tiburones, reptiles y m uchos invertebrados. Sorprendentem ente, el m odo de reproducción varía am pliam ente dentro de los distintos taxones. La estrategia puede diferir entre las poblaciones de una única especie. El escíncido L erista posee pobla ciones ovíparas y vivíparas. Entre los condrictios (tiburones y rayas), algunas especies de m antas ponen los huevos fertilizados que flotan en las corrientes oceánicas. Algunos tiburones son ovoviví p aros y otros vivíparos. En varias especies de tiburo nes, el em brión ovovivíparo se alim enta de los n utrientes del huevo, pero luego en un m om ento dado com ienza a alim entar a sus herm anos y he rm a n as dentro del tracto reproductor, u n a estrategia de historias de vida difícil de categorizar.
Los ó vu lo s se producen d e ntro de los fo líc u lo s del te jid o som á tico El tracto reproductor fem enino incluye el ovario, el oviducto, el útero y el gonoporo. El ovario está com puesto por los ovogon ios productores de óvulos, así como tam bién po r un a célula som ática envolvente, que proporciona apoyo estructural y nutricional p ara la ovogenia. En m uchas especies, la ovogenia pro gresa a través de la prim era fase del ovocito (véase la Figura 15.2) al comienzo de la vida de la hem bra, pero los pasos finales de este proceso se retrasan hasta el final de su vida. A m edida que se form a el ovocito, las células envolventes som áticas, conocidas como célu la s gran u losas, proliferan p a ra form ar
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Integrando sistem as fisiológicos
un folículo que encapsula a los ovocitos. Las células foliculares segregan los com ponentes de la m atriz extracelular que form an u n a capa acelular entre el ovocito y las células foliculares, denom inada zona pelúcida. Todo el folículo está envuelto po r una m em b ran a basolateral, que en los vertebrados se conoce como teca. Las células foliculares organizan la ovogenia, incluso el retraso en la m aduración y finalm ente la liberación del óvulo. Se com unican con el ovocito por factores paracrin o s y contactos directo de célula a célula. A ntes de la ovulación, u n subgrupo de folícu los es estim ulado p a ra m ad u rar (foliculogenia). Pri m ero, el ovocito debe aum en tar el volum en citoplasm ático, a p esar de que aum ento del tam año celular ocurre p o r m últiples m ecanism os. Los ovoci tos de los vertebrados crecen po r medio de la acepta ción de p recu rso res biosintéticos de las células som áticas foliculares. Un p atrón diferente se produce en m uchos invertebrados. En las m oscas de la fruta, p o r ejemplo, los ovocitos absorben el citoplasm a de las células nutricias envolventes, derivadas de los ovogonios que no fueron capaces de diferenciarse en ovocitos (Figura 15.8). Cuando u n folículo se rom pe, el óvulo sale del ovario y se dirige al celoma. En algunas especies, los óvulos son retenidos en el celoma. Por ejemplo, algu nos insectos acum ulan huevos hasta que el abdom en explota, m atando a la hem bra. Más com únm ente, el óvulo cruza un corto tram o del celoma y p enetra en la ab ertu ra del oviducto, denom inado trom pa de Falopio en los m am íferos. El óvulo pasa a través del ovi ducto al útero. Esas especies que utilizan la fertilización in tern a retienen los óvulos en el oviducto o útero. El útero puede ser un simple conducto, o puede ser un tejido m uscular fuerte que utiliza las contracciones de los m úsculos lisos p a ra expulsar los óvulos, los huevos fertilizados o las crías a través del gonoporo: la vagina en esas especies con un poro reproductor dedicado, o una cloaca si los sistem as reproductores y excretores poseen un poro en común.
El v ite lo p ro p o rcio n a bloq ues de con stru cció n y precursores m etab ólicos M uchos anim ales, con excepción de los m am íferos placentarios, p roporcionan a cada óvulo u n a fuente de nu trientes en form a de vitelo, un a m ezcla com pleja de pro teín as y lípidos. La m ayoría de las m acrom oléculas en el vitelo se producen fuera del ovocito al com ienzo de la ovogenia. El triglicérido de los líquidos extracelulares p asa de la sangre entre
Células nutricias Células foliculares Lámina basal Ovocito
(a) Folículo de los invertebrados (Drosophila)
Células foliculares Zona pelúcida Ovocito Teca
(b) Folículo de los vertebrados Fig u ra 15.8.
El fo líc u lo o v á ric o .
Cada o vocito se encuentra rodeado por células som áticas fo liculares. Todo el fo lículo se encuentra encapsulado en una capa delgada de m atriz extracelular (lám ina basal), (a) Los ovocitos de los vertebrados reciben el citoplasm a de las célu las nutricias a través de espacios en la m em brana plasmática, (b) Los folículos de los vertebrados producen una m atriz ex trace lular más am plia en las superficies apicales (zona pelúci da) y basolaterales (teca).
las células del folículo al ovocito, en donde es reco lectado y alm acenado dentro de las vesículas. El vitelo posee m uchas proteínas, pero la vitelin a es la m ás abundante. Se produce en el ovocito de la vitelogen in a, un a fosfolipoglicoproteína volum inosa y com pleja producida por el cuerpo graso del insecto, el hígado del vertebrado y en algunos anim ales po r las células foliculares. La vitelogenina es recolectada desde el líquido extracelular po r endocitocis. Las vesículas internalizadas se u n en p a ra form ar cu er pos vitelinos m ayores. U nas series de horm onas intervienen en la vitelogenia. Señales externas de varias form as estim ulan el sistem a nervioso central p a ra lib erar los factores vitelogénicos (Figura 15.9). En los insectos hem atófagos, la vitelogenia com ienza poco después que el anim al consum a sangre, punto en el cual un aum ento de JH provoca que el cuerpo graso produzca la vitelogenina. En los vertebrados, la vitelogenina es producida en resp u esta al estradiol-17 p.
C A P ÍTU LO 15
Invertebrados
Vertebrados
Células neurosecretoras que liberan alatotropinas
El hipotálamo | libera GnRH a la hipófisis, que libera FSH
J
Cuerpo alado/ cuerpo cardiaco
Objetivo periféri QQ l __J
Células foliculares
Hormona juvenil
Liberación hormc
Estrógeno
Cuerpo graso
Vitelogenia
Hígado
Transporte transfolicular
Recolección del ovocito
Procesamient< de vitelogenia Fig u ra 15.9.
V ite lo g e n ia .
Los anim ales com ienzan la vitelogenia en respuesta a señales externas, com o una condición am biental o program a de des arrollo. Las vías com ienzan en posición central dentro del ce rebro, activando una cascada horm onal que provoca que los tejid o s biosintéticos produzcan y segreguen vitelogenina. Esta proteína pasa las células foliculares y es recolectada por los ovocitos, se almacena y lu ego se convierte en vitelina. Los invertebrados y los vertebrados difiere n en las horm onas es pecíficas y en los tejid o s obje tivo pero las características ge nerales son sim ilares.
El co rión pro te in áceo del huevo de un insecto im p id e la de shidratación La ovogenia h a sido estudiada a fondo en muchos insectos. En el gusano de seda, los óvulos se desarro llan en cuatro ovarios (ovariolos), cada uno de los cua les contiene m ás de 100 folículos dispuestos en serie. El folículo m ás cercano al gonoporo experim enta pri m ero la ovogenia (Figura 15.10). Después de casi dos horas y m edia, el próximo folículo entra en ovogenia, y así sucesivam ente a lo largo de cada ovariolo. Por lo tanto, en las últim as fases de la ovogenia, un simple ovariolo posee cada u n a de las fases evolutivas sepa rad as por casi dos horas y m edia de desarrollo. Las fases se dividen en tres grupos: previtelogenia, vitelo genia y coriogenia. La ecdisona controla el desarrollo tem prano de los ovariolos, así como tam bién las fases previtelogénicas. Durante la previtelogenia, los folícu
Reproducción
los no h an com enzado aún a producir el vitelo. El ovo cito luego com ienza a acum ular proteínas vitélicas, m arcando el comienzo del periodo vitelogénico. Las proteínas vitélicas del cuerpo graso son transferidas desde la hem olinfa al ovocito a través de las células foliculares. Las células foliculares tam bién producen proteínas específicas del huevo que son segregadas y recolectadas por el ovocito. Como en las prim eras fases del desarrollo, la ecdisona controla la produc ción de las proteínas del huevo, a pesar de no hacerlo directam ente a través de cambios en los niveles de 20HE, sino a través de la inducción de un tipo especí fico del receptor ecdisteroide. Después de com enzada la vitelogenia, u n a reducción en los niveles de 20HE hace que las células de los folículos comiencen la for m ación del corión (coriogenia). Las células foliculares producen y segregan m ás de 100 tipos de proteínas p a ra construir la capa externa, o corión. El óvulo se m ueve hacia el oviducto, en donde es fertilizado. El esperm a cruza esta capa im perm eable a través de un túnel denom inado m icropilo. Luego se colocan los huevos fertilizados. Los insectos fueron los prim eros anim ales en inva dir con éxito la tierra. Lo prim ordial en esta invasión fue la evolución de un huevo que pudiera soportar las condiciones terrestres. El corión es lo suficientemente elástico p ara soportar la desecación aun perm itiendo el movimiento de los gases (02, C02). Como verem os en la próxim a sección, los prim eros vertebrados terres tres se enfrentaron al mismo problem a pero lo resol vieron de distinta m anera.
La estructura del huevo d ifie re en los v e rte b ra d o s acuáticos y terrestres Muchos peces y anfibios producen huevos que son sim ples en estructura. El óvulo está físicam ente conectado al vitelo. A m edida que el óvulo p asa a tr a vés del tracto reproductor, recibe u n a cubierta vis cosa procedente de las secreciones del mism o. Los huevos gelatinosos son liberados por el anim al al agua sin fertilizar. En los anfibios y los peces, la cría deja el huevo como larva acuática y com pleta su m aduración reproductora. La restricción de esta estrategia es la necesidad de agua en todas las fases evolutivas. P ara que los prim eros vertebrados fueran com pletam ente terrestres, se necesitó un m ecanism o de reproducción en la tierra. Al igual que los insectos, produjeron u n a d u ra capa externa alrededor del huevo que proporcionaba soporte e im pedía la deshi dratación. Al contrario que con el corión proteináceo de los insectos, la cáscara del huevo de los reptiles y
681
682 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
rente de fertilización. El óvulo en los reptiles, aves y m onotrem os (mamífe ros que ponen huevos) debe ser fertili zado antes que se forme la cáscara del huevo. Por lo tanto, la fertilización es interna y la cáscara del huevo se form a en el oviducto alrededor de un óvulo fertilizado. Los m am íferos euterios (placentarios) y los m etaterios (m arsupiales), han abandonado la cáscara del huevo y h an resuelto los desafíos de la vida terrestre m ediante la cría de sus óvu los fertilizados internam ente. Si em bargo, cada una de las líneas de estos vertebrados terrestres produce em briones que, al comienzo del des arrollo, producen un complejo grupo de m em branas internas y com parti m entos llenos de líquidos. Los repti les, las aves y los m am íferos son conjuntam ente am niotas, nom bre derivado de u n a de las cuatro m em b ran as extraem brionarias. E studiare m os los orígenes de estas m em branas m ás adelante en este capítulo.
Glándula accesoria
Tracto reproductor de un insecto hembra F ig u ra 15.10.
O v o g e n ia en el g u s a n o de s ed a .
Cuando los ovario los del gusano de seda experim entan la ovogenia, los folículos m aduran en secuencia. Cada fo lículo está cerca de dos horas y media más desarrollado que el fo lículo de al lado. Los óvulos se liberan y pasan por el o v i ducto al útero, donde son fertilizados con esperm a recolectado y alm acenado en la esperm ateca tras un apaream iento anterior.
las aves está com puesta p o r carbonates de calcio dentro de u n a m atriz orgánica. La cáscara del huevo posee u n a capa delgada de sales de carbonato de cal cio, lo que le proporciona u n a textura frágil pero rígida. Muchos reptiles producen cáscaras de huevo com parables a la de las aves, pero algunos reptiles, como los cocodrilos y las tortugas, poseen u n a cás cara flexible y curtida. En estos anim ales, los crista les de carbonato de calcio se aglom eran en islas sep arad as, perm itiendo a las cáscaras de los huevos cam biar de form a e incluso dilatarse en presencia de agua. Cada huevo es dotado de vitelo p a ra actuar como u n a fuente de com bustible a bordo. Los huevos tam bién poseen u n a p roteína viscosa e hid ratad a (album en) que actúa como am ortiguador. Debido a que la cáscara del huevo en las aves y los reptiles es im perm eable, aun p ara el esperm a, los ani m ales tam bién tuvieron que desarrollar un modo dife
Esperm atogenia y fertilización
En m uchas especies, los m achos pro ducen esperm a continuam ente desde la m aduración hasta el final de su vida (senescencia reproductora). Una vez que se producen los gam etos, el m acho se involucra en actividades que aum entan la posibilidad de fertilización de los óvulos por el esperm a. Algunas especies producen abundan tes núm eros de gam etos, repartiéndolos al entorno, donde u n a dim inuta proporción de esperm a fertiliza con éxito unos pocos óvulos. Otros anim ales, tienen com portam ientos en el apaream iento que acercan a los m achos y a las hem bras p a ra aum entar la posibili dad de un a fertilización exitosa (véase la Caja 15.1). Al final del ritual de apaream iento, los m achos y las hem bras copulan p ara perm itir el acceso del esperm a al óvulo. Los órganos copulatorios tienen varias confi guraciones y generalm ente están asociados al macho. U na vez que el esperm a h a pasado del m acho, los esperm atozoides deben encontrar y fertilizar el huevo, norm alm ente compitiendo con el esperm a de otros machos.
C A P ÍTU LO 15
Reproducción
Las células de Leydig y las células de S erto li co n tro la n la esp erm a to ge nia Los testículos típicos producen esperm atozoides en túbulos sem iníferos, que están com puestos por célu las de Leydig, células de Sertoli y esperm atozoides en v arias fases de desarrollo (Figura 15.11). Las células de L eydig son células intersticiales que se encuen tran en lado de la sangre de la lám ina basal. P rodu cen la testosterona que controla la esperm atogenia. Las células de S e rto li son células de gran tam año que llenan el espacio entre las colum nas de las células esperm atogénicas. Cada célula de Sertoli está en con tacto con 50 células esperm atogénicas. Las células de Sertoli cum plen m uchas funciones en la esperm ato genia; producen moléculas reguladoras y nutrientes, utilizados tanto p ara la energía m etabólica como p ara la biosíntesis. Regulan las vías de señalización de testosterona m ediante la producción de un a prote ína de unión al andrógeno. Tam bién m edian la res puesta de los testículos a la FSH, segregando otros factores esperm atogénicos. Los principales efectos de las horm onas sexuales en los m am íferos m achos se encuentran resum idos en la Tabla 15.1. La progresión de esperm atogonios a esperm átides y esperm atozoides involucra u n a serie de cam bios coordinados en la estructura y función celular, con m uchos de los p recursores proporcionados por los puentes citoplasm áticos que interconectan los esperm atozoides con las células vecinas. En las fases finales de la esperm atogenia, im esperm átide reo r ganiza sus m icrotúbulos p a ra form ar el axonem a que
Tabla 15.1.
T ú b u lo sem inífero
Lu z d e l tú b u lo
E s p e rm a to z o id e s C é lu la d e S ertoli —
E sp e rm á tid e s N ú c le o (C é lu la d e S ertoli) E s p e rm a to c ito ------E sp e rm a to g o n io — L á m in a b a s a l--------C é lu la d e L e y d ig -
F ig u ra 15.11.
T ú b u lo s s e m in ífe ro s .
La producción de esperma es controlada por las células de Ser to li de los túbulos seminíferos. Las células de Sertoli interactúan a través de conexiones con las células espermatogénicas en varias fases, e interactúan entre ellas para form ar una barre ra hemato-testicular. Las células de Leydig se encuentran en el espacio intersticial en el lado sanguíneo de la barrera hematotesticular. Estas células producen factores reguladores que ac túan en las células de Sertoli para controlar la espermatogenia.
Las horm onas reproductoras de los m am íferos en el desarrollo y la rep ro d ucció n sexual m asculina.
Hormona
Tejidos de origen
Acciones principales
Testículos
C aracterísticas sexuales secundarias: promueven el crecimiento del vello axilar, cambio de la voz y la libido
GnRH
Hipotálamo
Adenohipófisis: estimula la liberación de LH, y la síntesis y liberación de FSH
LH
Adenohipófisis
Células de Leydig: estimula la síntesis y la liberación de andrógenos
FSH
Adenohipófisis
Células de Sertoli: estimulan la esperm atogenia
Andrógenos
Testículos (Células de Leydig)
Células de Sertoli: estimulan la esperm atogenia
Prostaglandinas
Vesículas seminales
Útero de la pareja: induce cambios dentro del útero que afectan a la motilidad de los esperm as
M aduración sexual Andrógenos E sperm atogenia
683
684 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Caja 15.1 Evolución y diversidad Feromonas M uchos animales grandes encuentran
plantas que liberan quim iotácticos, com o la Stapelia Hir
pareja utilizando señales visuales que identi
suta, que atrae a las m oscas m ediante la em isión de un olor
fican los rasgos específicos com o el sexo, receptividad y
fé tid o com o el de un animal en descom posición.
"ca lid a d " evolutiva. Por el contrario, los anim ales peque
M uchos vertebrados (aunque no todos) em iten fero m o
ños que viven en espacios abiertos utilizan las ferom onas
nas. Los roedores em iten una ferom ona que, cuando es
para atraer o localizar parejas. Una ferom ona, que tradu
detectada por una hembra, acelera el ciclo reproductor para
cida a grandes rasgos del griego significa transportador de
inducir a la ovulación. Los ratones m acho liberan fero m o
excitación, es un quím ico liberado por un anim al que evoca
nas en la orina. En los tetrápodos, m uchas ferom onas son
una respuesta específica de o tro m iem bro de la m ism a
detectadas en una región de la fosa nasal conocida com o el
especie. La especificidad de la respuesta se debe a la acti
órgano vom eronasal. Los nervios tran sm iten señales del
vación de receptores únicos de ferom onas que inician una
epitelio del órgano vom eronasal al lóbulo olfativo. Los qui-
cascada de señalización previsible. Por lo tanto, las fe ro
m iosensores en el órgano vom eronasal difieren de los
m onas se distinguen de otras señales quím icas, com o
receptores olfativos que se encuentran en cualquier otro
aquellas que, en térm in os hum anos, equivalen a aromas
s ector de las fosas nasales. A pesar de que los receptores
agradables.
de ferom onas y los receptores olfativos son receptores
No todas las ferom onas están involucradas con el apa
ligados a la proteína G, los receptores de ferom onas son
ream iento. Algunas ferom onas actúan com o alarmas, libe
m ucho más sensibles y activan una vía de señalización dis
radas por animales perturbados para indicar a otros una
tinta. Algunos receptores de ferom onas se encuentran
situación peligrosa. Las horm igas reina liberan ferom onas,
fuera del órgano vom eronasal. Por ejem plo, el conejo euro
una mezcla de ácidos grasos, que indican su estado a las
peo libera ferom onas por el pezón para atraer a la cría y ali
obreras que las sirven. Las ferom onas del sexo son libera
m entarla durante un periodo corto e intenso. El hecho de
das para atraer parejas potenciales. La im portancia de las
destruir el órgano vom eronasal de la cría no le im pide
ferom onas en la biología reproductora de las especies noci
encontrar rápidam ente el pezón.
vas, com o los artrópodos, han conducido al uso de las fero
Com o se ha tratado en el Capítulo 7, cuando los recep
m onas com o plaguicidas alternativos. Las ferom onas se
tores unidos a la proteína G en el epitelio olfativo se unen a
esparcen por los cultivos para confundir a los machos, que
un aroma entrante, una vía de transducción de señales
luego no podrán localizar el rastro em anado por una hem
mediada por adenilato ciclasa y A M P c estim ula el epitelio
bra. O tros organism os han optado tam bién por las señales
olfativo para enviar señales al bulbo olfativo del cerebro,
de ferom onas para sus propios objetivos. Algunas arañas
donde son integradas e interpretadas. Por el contrario, el
depredadoras em iten una sustancia química que im itan las
órgano vom eronasal se encuentra en la base de la cavidad
ferom onas utilizadas por algunas especies específicas de
nasal en dos cápsulas cartilaginosas, una a cada lado del
polillas; las polillas m acho son engañadas y atraídas por la
tabique nasal. Las señales de los quím icos solubles en
araña y luego atrapadas en su tela. Algunas especies de
agua son arrastradas al órgano vom eronasal a través de la
orquídeas han evolucionado de manera que producen sus
sangre. El órgano vom eronasal utiliza tipos de receptores
tancias quím icas que im itan a las ferom onas de los insec
unidos a la proteína G diferentes a aquellos del órgano olfa
tos. Esta vía depende de los receptores específicos de
tivo, y se conecta a una parte com pletam ente diferente del
ferom onas, y se distingue de otras vías utilizadas por las
cerebro, denominada bulbo olfativo. Los receptores unidos
subyace al flagelo. La longitud y la estructura del fla gelo varían am pliam ente en los anim ales. No existe en algunas especies, pero puede ten er un a longitud de h asta 6 cm, como con el esp erm a de la m osca de la fruta Drosophila bifurca (Figura 15.12). Los esper m atozoides elim inan g ran p arte de su citoplasm a, dejando pequeñas células d ensam ente agrupadas
con abundantes m itocondrias organizadas alrededor de la base del axonem a (véase la Figura 6.9). Tam bién reorganizan el DNA en sus núcleos, reem pla zando las histonas con proteínas básicas específicas del esperm a denom inadas protam inas, que m antie n en el DNA altam ente condensado y transcripcionalm ente oculto.
C A P ÍTU LO 15
Reproducción
a la proteína G del órgano vom eronasal em iten señales a
órgano vom eronasal se encuentra am pliam ente reducido
través de una vía de transducción de señales mediada por
en tam año en los seres hum anos adultos en comparación
fosfolipasa C que afecta la actividad de un canal iónico
con el tam año del órgano en el fe to hum ano y en otros
denom inado TRP2, que se expresa sólo en el órgano vom e
m am íferos adultos. Los seres hum anos además carecen
ronasal. Por lo tanto, las vías de transducción de señales
del bulbo olfativo accesorio, la parte del cerebro responsa
para el sentido del olfato y la percepción de las ferom onas
ble de interpretar las señales de ferom onas en otros anima
son distintas en m uchos vertebrados.
les. Además, la mayoría de los genes que codifican
Los científicos han utilizado ratones transgénicos con
receptores vom eronasales contienen supresiones u otros
genes desactivados que carecen de la proteína TRP2 para
cam bios, que podrían hacerlos no funcionales, y los hum a
evaluar la función de las ferom onas en el com portam iento
nos no poseen una copia del canal iónico TRP2. El gen
del ratón. Norm alm ente los ratones son m am íferos te rrito
TRP2 está encuentra presente en los prosim ios y los
riales, un tanto agresivos. Si se coloca un ratón m acho solo
m onos del Nuevo M undo, pero está m utado o ausente en
en una jaula durante un día o dos, éste establecerá toda la
los m onos del Viejo M undo y los sim ios. Curiosam ente, la
jaula com o su territorio y atacará a cualquier nuevo m acho
pérdida de señalización basada en las ferom onas en los
que se introduzca en ella. Los ratones m acho no atacan a
m onos del Viejo M undo coincide a grandes rasgos con la
las intrusas hem bras o a los m achos castrados. Sin
evolución de la visión en color. Puede ser que los m onos
em bargo, si se restriega con orina de un ratón m acho
del Viejo M undo, los sim ios y los seres hum anos dependan
intacto a un ratón castrado y se lo introduce en la jaula, el
de las señales visuales más que de las ferom onas para
m acho residente atacará al m acho castrado intruso, com o
detectar el género. Sin embargo, m uchos experim entos
lo haría con un m acho intacto. Esta observación dem uestra
sugieren que las señales químicas pueden influir en el com
que los ratones distinguen entre m achos y hem bras por el
portam iento hum ano. Por ejem plo, si se expone la axila de
aroma de su orina. Los ratones con genes desactivados
una m ujer a la m uestra de la axila de otra, los tiem pos de su
TRP2 no com ienzan la agresión de m acho a m acho hacia
ciclo m enstrual pueden alterarse. Se desconoce aún si
los m achos castrados m ojados con orina masculina, salvo
estas señales son detectadas a través del pequeño órgano
que respondan apropiadam ente a la agresión, si ésta es
vom eronasal (denom inado órgano de Jacobson en los
dirigida hacia ellos. Los ratones con genes desactivados
seres humanos) o a través del epitelio olfativo.
TRP2 se aparean in discrim inadam ente tanto con las hem bras com o con los m achos castrados m ojados con fe ro m o nas de la orina. Por lo tanto, los ratones con genes desactivados TRP2 no son capaces discrim inar entre los géneros, lo que indica que la transducción de señal TRP2 es una parte esencial para la com unicación de las señales sexuales en los ratones. En los seres hum anos, la existencia y la im portancia fisiológica de las ferom onas no está clara. Varias líneas de
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pherom ones: Integrating neuroendocrinology and ethology.
Neur
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evidencia sugieren que las ferom onas no desem peñan un
tion.
papel im portante en los seres hum anos. Por ejem plo, el
3 328-3332.
U na vez que se com pletan estos cam bios estruc turales, los esperm atozoides son liberados de los límites de las células de Sertoli a la luz del túbulo. Desde aquí p rogresan a lo largo del tracto reproduc to r m asculino (Figura 15.13). En este punto, el esperm a no es capaz de n a d a r ni fertilizar, y por lo tanto debe experim entar u n a serie de modificacio
Cell 108: 735-7 3 8 .
• Kohl, J. V., M . Atzm ueller, B. Fink, and K. G ram m er. 2001. Human
Proceedings of the National Academy of Science USA 100(6):
nes. A m edida que el esperm a p asa al epidídim o, m ad u ra aún más. En esta región es donde obtiene la capacidad de nadar. El esperm a se alm acena en el epidídim o y los líquidos son elim inados p a ra concentrar el esperm a en un pequeño volum en. Son propulsados por los cilios a lo largo del tracto a través del conducto
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686 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
experim entan una transición evolutiva conocida como capacitación sólo después de haber entrado al tracto reproductor femenino. Una vez dentro, son expuestos a factores reguladores producidos por la hem bra que cam bian el metabolismo de los espermas, la regulación iónica y la fluidez de la m em brana, lo que hace que los esperm as sean capaces de fertilizar el óvulo.
Los órg a n o s m ascu lin os de cop ulació n au m entan la eficacia en la transfe rencia de esperm a
1 cm F ig u ra 15.12.
D r o s o p h ila b ifu r c a .
La im agen muestra el largo tracto reproductor m asculino de una mosca de la fruta (D rosophila bifurca). El tracto desenro llado, de 7 cm , es sólo un poco más la rgo que el esperma, cada uno de cerca de 6 cm. (Foto cortesía de Scott Pitnlck, Universidad de Siracusa).
d eferen te, que conecta con la u re tra y luego sale a través del gonoporo. A m edida que el esperm a p asa a través del tracto reproductor, es bañado p o r el líquido sem inal, un rico extracto nutritivo producido po r varias glándulas. Las v esícu la s sem in a les producen un líquido alcalino con nutrientes y factores reguladores. El pH alto neu traliza el líquido ácido del ovario p a ra perm itir que los esperm as naden. Los esperm as utilizan los nutrientes, en su m ayoría la fructosa, como com busti ble p ara la actividad flagelar. Los factores reguladores incluyen las prostaglandinas, que influyen en la re s p uesta del ovario, y las enzim as que descom ponen los antagonistas químicos a la fertilización. La glándula pro stá tica tam bién secreta nutrientes, principal m ente citrato, así como tam bién las enzim as que ayu dan a la fertilización. La glándula bulbouretral secreta m ucosa que actúa como lubricante. En algunas especies, los esperm as liberados del gonoporo masculino no son capaces de fertilizar un huevo. Los esperm as de los mamíferos, por ejemplo,
De las m uchas especies que utilizan la fertilización interna (artrópodos, m am íferos, reptiles y algunos peces), la m ayoría posee algún tipo de órgano de copulación u órgano introm itente. Las aves, u n a nota ble excepción, trasfleren esperm as directam ente desde la cloaca del m acho a la cloaca de la hem bra. En otras especies, se utiliza un apéndice modificado o extraordinario como órgano de copulación. Una ara ñ a m acho expulsa esperm a y lo reviste de seda. La ara ñ a luego utiliza un apéndice especializado con form a de pata p a ra transferir el paquete de esperm a a un depósito en su p arte inferior. D urante el ap area m iento, la ara ñ a inserta el paquete de esperm a en el gonoporo de la hem bra. Algunos peces poseen aletas pélvicas modificadas que se unen p ara form ar un canal que guía los esperm as al oviducto. Esos órganos copulatorios son apéndices modificados, y el control de sus m ovimientos es sim ilar en m uchos aspectos al control locomotor. Muchos reptiles poseen un apén dice cerca de la cloaca, denom inado hem ipene, que actúa como un órgano de copulación. Una serpiente o u n lagarto introducirán el hem ipene en la hem bra, canalizando los esperm as a lo largo de un surco superficial. Los hem ipenes generalm ente están deco rados con b arb as y púas que m axim izan la duración de la penetración. El pene verdadero se distingue de los dem ás órganos copulatorios por ser u n a extensión directa del tracto reproductor m asculino. Algunos invertebrados posen un pene que utilizan como una lanza, penetrando la pared corporal de la h em bra y liberando esperm a en la cavidad corporal que con tiene los óvulos. Más com únm ente, el pene se intro duce directam ente en el tracto reproductor femenino. El pene de los m am íferos cambia la distribución de la sangre p ara crear la presión hidrostática necesaria p ara el cambio de form a (erección) que facilita la pene tración. Muchos mamíferos tam bién poseen un hueso dentro del pene denom inado hueso del pene o baculum. Esto le perm ite al m acho penetrar a la hem bra
C A P ÍTU LO 15
F ig u ra 15.13.
Ca2+ citoplasmáticos. La PKG fosforila las proteínas de los filamentos gruesos y delgados p ara desintetizar el aparato contráctil. La PKG tam bién puede fosforilar los canales K+ p ara hiperpolarizar la célula. Una vez que se relaja el músculo liso arteriolar, la sangre fluye al pene, llena el tejido espongiforme circundante y provoca un aum ento en el volumen sanguíneo que comprime las venas de alrededor. La combinación de la m ayor entrada de corriente san guínea y m enor retom o venoso redu cido provoca el agrandam iento del pene. Los fármacos comercializados para combatir la disfunción eréctil en los hom bres apuntan a estas vías de señali zación. El Sildenafil (Viagra), por ejem plo, inhibe la fofodiesterasa 5 (PDE5) del músculo liso vascular. Debido a que la PDE5 descompone GMPc. el Sildena fil aum enta los niveles de GMPc, perm i tiendo los cambios necesarios en el músculo liso vascular p ara responder a un estímulo erectogénico.
El tr a c to re p ro d u c to r m a s c u lin o .
Los esperm as liberados por las paredes de los túb u lo s sem iníferos son tran spor tados a lo la rgo del tracto reproductor. A medida que pasan a través del epldídlm o y los vasos deferentes, las secreciones de las glándulas accesorias proporcionan el líquido sem inal.
antes de que el pene esté erecto. Después de la pene tración, el pene se agranda, trabándose en la vagina p ara m axim izar la probabilidad de una exitosa tran s ferencia de esperm as. Un estímulo erectogénico, gene ralm ente de naturaleza visual, activa las neuronas en el cerebro que transm iten señales a la vascularización que alim enta el pene. Esto activa la enzim a óxido nítrico sintasa (NOS), lo que conduce a la producción del neurotransm isor gaseoso óxido nítrico (NO) (Figu ra 15.14). Recordemos del Capítulo 6 que la contracti lidad del músculo liso se encuentra bajo el complejo control de las vías de señalización que influyen en los filamentos gruesos y delgados. Como tratam os en el Capítulo 9, en la vascularización del músculo liso del pene, NO hace que existan uniones de guanilato ciclasa, lo que le estimula a aum entar la producción de GMPc, que activa la proteincinasa dependiente de GMPc (PKG). La PKG fosforila proteínas críticas para favorecer la relajación del músculo liso. Fosforila los canales de Ca2+, inhibiéndolos a reducir los niveles de
Reproducción
El esperm a altera su a ctivida d com o respuesta a las m olécu las q u im io cin é tica s y q u im io tá xica s
En fimción de la estrategia reproductora, la eyaculación puede lanzar el esperm a en agua dulce, agua salada o el líquido del tracto reproductor femenino, generalm ente llam ado el líquido ovárico. El esperm a es inducido a n a d a r (activado) por u n a señal externa, como por ejemplo un cambio en la fuerza iónica o la concentración de Ca2+. La señal iónica es transducida por receptores en la m em brana celular del esperm a, lo que induce cam bios en los segundos m ensajeros intracelulares (AMPc o GMPc). Estos segundos m ensajeros activan sus respectivas proteincinasas (PKA y PKG), que fosforilan las proteínas reguladoras en el axonem a p ara estim ular la activi dad flagelar. Una vez activado, la m ayor p arte del esperm a n a d a sólo d u ran te un breve periodo de tiem po. Por ejem plo, el esp erm a de la m ayoría de los peces de agua dulce n a d a sólo d u ran te uno o dos m inutos, lo que les perm ite cru zar d istan cias de sólo unos pocos m ilím etros. Con u n a capacidad ta n lim itada
687
688 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
1 Del cerebro
CD L°s nervios del cerebro envían una señal T al músculo liso vascular en el pene.
2 ) El oxido nítrico (NO) producido por los nervios activa una guanilato ciclasa soluble.
f
La actividad de la guanilato ciclasa aumenta la concentración de GMPc.
@ T
La GMPc elevada estimula la protein quinasa G (PKG).
f
La PKG fosforiliza la fosfatasa de cadena ligera de miosina, estillándola.
t
La PKG fosforiliza la cinasa de cadena ligera de miosina, inhibiéndola.
GMPc
1®
Protein quinasa G (inactiva)
Protein quinasa G (activa)
\® Activa MLCP 1
Inactiva MLCK 1
Inhibidor de los anales Ca2+
Defosforilización de MLC
7 ) La PKG también fosforiliza los canales de Ca2+, inhibiéndolos para reducir los niveles de Ca2+.
1
— \
i [CeA ] ( s ) Estos cambios provocan la relajación del músculo liso vascular, y permite los cambios en la corriente sanguínea que inducen la erección.
Relajación
Fig u ra 15.14.
C on tro l de la e r e c c ió n en e l p e n e de un m a m ífe ro .
p a ra n a d a r activam ente hacia los óvulos, la fertili zación exitosa pu ed e d ep en d er de señales quím icas que au m en tan la p o sibilidad de p o n erse en con tacto con u n huevo. A lgunas su stan cias quím icas son q u im io cin ética s y estim ulan al esp erm a a que n ad e m ás ráp id o , p ero no n ecesariam en te en u n a dirección concreta. O tras su stan cias quím icas son q u im io tá x ica s, e in ducen al esp erm a a n a d a r h acia m ay o res co n cen tracio nes del agente. A falta de estos ag en tes quím icos, el esp erm a n a d a a u n a velocidad m ás lenta, que conserva los com bustibles a bordo h a s ta que se d etecta u n huevo. La n a tu r a leza quím ica de los ag entes quim iotáxicos y quim iocinéticos es d iv ersa y puede incluir am ino ácidos, pép tid o s y com puestos esteroides sulfonatados. E stas su stan cias quím icas p u ed en ser lib erad as p o r el tracto rep ro d u c to r fem enino o por el óvulo m ism o.
Las hem bras utilizan el alm a ce n a m ie n to de esperm a para asegurar una fe rtiliza ció n in in te rru m p id a Las hem bras de algunas especies alm acenan esperm a durante periodos prolongados en com partimentos especializados del tracto reproductor. El alm acena miento de esperm a perm ite a las hem bras fertilizar sus óvulos m ucho después del apaream iento, lo que es adaptativo en anim ales que pueden encontrar pareja de m anera poco frecuente. Algunas especies se ap a rean antes de que la hem bra haya alcanzado su m adu rez reproductora y el alm acenam iento de esperm a le perm ite cubrir el espacio entre el apaream iento y la m aduración gonadal. El esperm a puede ser alm ace nado durante largos periodos. Las m oscas de la fruta alm acenan especies durante un poco m ás de una sem ana. Sin em bargo, las abejas hem bra que se han
C A P ÍTU LO 15
apareado pueden reten er esperm a viable durante varios años. Algunas serpientes de gran tam año cria das en cautividad h an puesto huevos fertilizados cinco años después de aparearse. Las estrategias anatóm icas para el alm acena m iento de esperm a son diversas. Los reptiles poseen túbulos de alm acenam iento de esperm a que se ramifi can desde útero, o en otras especies, desde la vagina. El aum ento preovulatorio de estrógenos produce la contracción del músculo liso que expulsa el esperm a alm acenado de los túbulos hacia el oviducto, donde puede fertilizar el huevo. Los insectos poseen un órgano de alm acenam iento de esperm a m ás elaborado llamado la esperm ateca. La longitud de la esperm ateca refleja la longitud del esperm a. En la Drosophila bifurca, las hem bras tienen u n a esperm ateca muy larga p ara alojar el esperm a de 5 cm de largo.
Los esp erm a to zoid es pueden c o m p e tir p o r la o p o rtu n id a d de fe rtiliz a r el huevo En las especies m onógam as, un único m acho se ap a re a con u n a única hem b ra. Sin em bargo, en m uchas especies, las h em b ras tienen m últiples ap aream ien tos, lo que crea u n a situación donde el esperm a de m últiples m achos com pite p a ra fertilizar los óvulos. Se h an utilizado tecnologías de identificación gené tica p a ra estudiar el parentesco de los descendientes en m uchos taxones. A hora está claro que la polian dria, en la que los descendientes de una m ism a cam ada tienen diferentes padres, es com ún en los anim ales. Los apaream ientos m últiples tam bién crean u n a oportunidad p a ra que la hem b ra utilice efectores químicos p a ra influir en la utilización de esperm a. M uchas de las especies que realizan m últi ples apaream ientos pueden experim entar u n a com petencia de esperm a como resultado del orden de copulación. Las m oscas de la fruta h em bra pueden ap arearse con m últiples m achos, pero el último m acho en copular con ella es probable que fertilice aproxim adam ente el 80% de los óvulos. Aún no está claro p o r qué el último bolo de esperm a, en lugar del prim ero, es el que tiene m ás éxito. Es probable que la h em b ra sea capaz de expulsar el esperm a del ap a ream iento previo, perm itiendo que el esperm a del nuevo pretendiente fertilice los óvulos.
A lg u n o s an im a les utilizan la im p la n ta ció n retardada U na vez que el esp erm a en tra en el huevo, el ovo cito sufre m uchos cam bios que inician el desarrollo
Reproducción
em brionario. El DNA del esp erm a e n tra en la célula organizado en u n fuerte h az de DNA asociado con p ro tam in as. El óvulo fertilizado debe rem o d elar el DNA condensado de los esperm atozoides en u n a organización m ás convencional. Poco después de la fertilización, el DNA del esp erm a se d isp e rsa y luego se reco n d en sa a m edida que las p ro tam in as son reem p lazad as po r las h istonas. Una vez o rg a n izados en nucleosom as, el DNA p atern o dentro del ovocito p uede volverse tran scrip cio n alm en te activo. En esta p rim e ra etapa, el ovocito tiene dos genom as separados: el pronúcleo m atern o y el p ro núcleo p atern o . El óvulo fertilizado experim enta m uchas ro n d as de división celular p a ra alcan za r la etap a de blastocito. Poco después, se form an varias capas de gérm enes, que se diferencian p a ra form ar los tejidos com plejos que finalm ente form an el em brión. Algunas especies tienen u n a p au sa de desarrollo en algún punto en la fase tem p ran a de la em brioge nia. Algunos retardos sirven p a ra h acer coincidir el desarrollo em brionario con las condiciones externas. Por ejemplo, los em briones de los cam arones m en cionados en el Capítulo 11 se desarrollan h asta el punto de ir a rom perse, pero perm anecen lo suficien tem ente sim ples como p ara sobrevivir a la in terru p ción m etabólica asociada con la deshidratación. En otras situaciones, el retard o perm ite a la h em bra coordinar cam adas secuenciales. Muchos m am íferos p resen tan im plan tación retard ad a, en la cual el huevo fertilizado se desarrolla h asta la etapa tem p ra n a de blastocito (100-400 células) en el útero, pero la im plantación en la pared uterina se retrasa, lo que posterga la continuación del desarrollo. Algu nos m am íferos tienen un periodo obligado de im plantación dem orada, pero m uchas otras especies pueden utilizar la im plantación dem orada de m an era oportunista. Por ejemplo, un roedor puede copular poco después de h a b e r parido u n a cam ada, luego re tra sa r la im plantación de los em briones varias sem anas. En los m am íferos, el retraso es generalm ente de pocos días o sem anas, pero puede ser de hasta 11 m eses, como en el caso de la nutria de río.
El d e sa rro llo p o s te rio r a la fe rtiliza ció n depende de factore s m aternos El desarrollo em brionario tem prano es un periodo d urante el cual el control de los procesos celulares se transfiere de los dos genom as independientes de los pad res al genom a integrado del descendiente. En la
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690 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
prim era etapa, los cam bios celulares están regidos po r factores m aternos que existieron preform ados en el óvulo. Esto incluye h o rm onas (andrógenos y estrógenos) que ejercen efectos reguladores sobre las variables de desarrollo, tales como la determ inación del sexo. Gradualm ente, el control celular se tra n s fiere al em brión, cuando las contribuciones de los genes de los p ad res com ienzan a influir sobre el p atró n de desarrollo. En los m am íferos, esta tra n si ción de control m atern al a em brionario ocurre ap ro xim adam ente en la etap a de dos células. En los v ertebrados e invertebrados m enores, el control m aterno se extiende h asta que el em brión consta de miles de células. Incluso después de que los genes de los p ad res se vuelven activos, los factores presentes en el ovocito pueden continuar desem peñando un p apel im portante bien avanzado el desarrollo embriológico. La división de los genom as de am bos padres p erm ite p atro n es de m odificación diferencial que influyen sobre el desarrollo posterior, a través de procesos conocidos como im p resión gen ética. En condiciones norm ales, cada célula diploide es capaz de pro d u cir mRNA ya sea de los alelos m aternos o p atern o s de u n gen. Antes de que los genes m aterno y p atern o se fusionen en u n solo núcleo, un pequeño subconjunto de genes pu ed e ser m odificado p ara evitar que se exprese. A dem ás, este gen im preso p erm an ece transcripcionalm ente latente a lo largo del desarrollo, m ien tras que el alelo del gen derivado de otro p ad re se expresa. La m ayoría de los genes sujetos a im presión codifican proteínas cruciales p a ra el crecim iento n o rm al y el com portam iento n euronal, como el factor II de crecim iento análogo a la insulina (IGF-II) y sus reguladores. E stas vías h o r m onales controlan el crecim iento em brionario, por lo que el em brión está en el centro de un conflicto evolutivo in teresan te. El em brión posee genes tanto del p ad re como de la m ad re, pero los gastos de p ro ducir y criar el em brión son soportados en m ayor m edida p o r la m adre. Por lo tanto, al p ad re le in te re sa p o r su bien p a s a r genes que induzcan el creci m iento em brionario rápido; sus descendientes p ro sp eran , pero la m ad re es quien sufre el creci m iento em brionario rápido. A m an era inversa, a la m ad re le interesa aco rtar el crecim iento a un nivel m anejable. Dentro del em brión, los genom as de los p ad res tien en objetivos encontrados y los patrones de im presión genética de los alelos de genes m a te r nos y p atern o s p a ra pro teín as reguladoras de creci m iento determ in an la tray ectoria del desarrollo em brionario.
Las a m n io ta s producen cua tro m em b ran as e xtra e m b rio n a ria s en fases tem pra na s de d e sa rro llo Poco después de la fertilización, el em brión de los am niotas produce lám inas de células que se separan del em brión p a ra form ar las cuatro m em branas extraem brionarias: corión2, am nios, alantoides y saco vitelino. Estas m em branas crecen en tam año a m edida que el em brión se desarrolla (Figura 15.15). El corión, la m em brana m ás externa que se encuen tra debajo del album en, actúa como u n a superficie de intercam bio gaseoso. El am nios rodea al em brión. A m edida que el em brión se desarrolla, el am nios se llena con líquidos que actúan como am ortiguador hidráulico y proporcionan un am biente iónico y osmótico favorable p a ra el em brión. El alantoides es un bolsillo m em branoso externo del intestino primi-
El término corión generalmente se refiere a una capa externa de una estructura extraembriónica. Los coriones de los insec tos y los amniotas no están relacionados en el origen o la com posición. 2
F ig u ra 15.15.
El hue vo a m n io ta .
Una vez que el óvulo de un am niota es fertilizado, expe rim en ta la divisió n celular. M uchas de estas células form an el em brión, pero cuatro capas de células se separan del tejido em briona rio para fo rm a r la m em brana extraem briónica: el c orión , el am nios, el alantoides y el saco v ite lin o , que encierra los com partim e nto s para alm acenar los nutrientes (saco vitelino), los líquidos (espacio am nió tico) y los desechos (cavidad alantoica).
C A P ÍTU LO 15
tivo. D urante el desarrollo, se vasculariza y tra n s p o rta gases entre la circulación em brionaria y las capas superficiales externas. En las aves y reptiles, el alantoides tam bién es un saco de alm acenam iento p ara el desecho de nitrógeno, principalm ente el ácido úrico. El saco vitelino rodea la yem a, secretando enzi m as digestivas que descom ponen la yem a en m acro moléculas que pueden transferirse al em brión. El anim al crece dentro del huevo h asta que alcanza un punto en el que puede rom per el cascarón. A pesar que los m am íferos no m onotrem os carecen de la cás cara endurecida de los otros vertebrados terrestres, tam bién son am niotas y el em brión posee las m ism as m em branas. Más adelante en este capítulo, tra ta re m os sobre los orígenes y papeles de estas m em branas en la reproducción de los mamíferos.
El ciclo reproductor de los m am íferos El com portam iento reproductor de los m am íferos h em b ra está íntim am ente ligado al ciclo ovulatorio, conocido como el ciclo estru al. Los m am íferos difie ren en la cantidad y la coordinación de los ciclos estruales. Los m am íferos m onoestruales, como los caninos, tienen un único ciclo estrual cada año. Los m am íferos poliestruales tienen ciclos estruales a lo largo del año, a p esar de que pueden reproducirse sólo durante d eterm inadas estaciones. Los hum anos y otros prim ates son anim ales poliestruales, a pesar de que el ciclo estru al es m ás com únm ente conocido como el ciclo m enstrual. Algunas perso n as hacen u n a distinción entre ciclos estruales y m enstruales en función del com portam iento de las hem bras; una especie tiene un ciclo estrual si la h em bra dem uestra u n periodo de in terés intenso po r aparearse que coincide con u n a p arte específica del ciclo ovulatorio. Por ejemplo, los p erro s y gatos en tran en celo en im punto específico del ciclo estrual. De m an era inversa, la receptividad sexual en los hum anos ocurre en m uchas fases del ciclo reproductor. Otros distinguen u n ciclo m en stru al de u n ciclo estrual por la m agni tud de la pérdida de tejido uterino al final de un ciclo. A p esar de que m uchas de las especies con ciclos estruales m u estran algún sangrado vaginal, el volu m en relativo es m ucho m ayor en los prim ates. Por lo tanto, las diferencias entre los ciclos estruales y m enstruales son cualitativas en naturaleza y cual quier esfuerzo p o r distinguir m ás los ciclos estruales y m enstruales es algo arbitrario. Las horm onas controlan la m aduración cíclica de los folículos, la ovulación y los cam bios paralelos en
Reproducción
la pared uterina. Los cam bios están im pulsados por la progesterona y el estrógeno 3 liberados en sangre, a p esar de que la fuente de estas horm onas cam bia a lo largo del ciclo reproductor. La síntesis de estas h o r m onas es controlada po r las gonadotrofinas, LH y FSH derivadas de la adenohipófisis. E stas horm onas interactúan a través de ciclos de retroalim entación positivos y negativos. El ciclo regular cam bia cuando u n óvulo es fertilizado. La placenta gradualm ente se convierte en u n a glándula endocrina, tom ando el control central de los niveles horm onales p a ra asegu r a r que el feto m ad u ra al punto que puede ser expul sado del útero en el proceso del parto.
Los ciclos de o vu la ció n ocurren en m o m e n to s predecibles El ciclo reproductor está im pulsado por horm onas que coordinan los sucesos foliculares con los otros cam bios fisiológicos en las hem bras. El ciclo estrual está compuesto de cuatro fases: estro, m etaestro, diestro y proestro. El prim er día del estro está m arcado por el inicio del interés por aparearse, generalm ente identi ficado por la naturaleza de las interacciones sociales o la adoptación de posturas de apaream iento en la pre sencia de m achos. En los hum anos, donde hay poca relación entre el com portam iento y la ovulación, el ciclo se explica en térm inos de dos fases: la fase folicu lar y la fase luteínica. Sin em bargo, los sucesos repro ductores subyacentes son similares. P ara simplificar, hablarem os del ciclo estrual como dos fases. La relación entre la coordinación de las fases se m uestra en la Figura 15.16. Com enzare m os hablando de un punto avanzado de la fase luteínica, cuando los niveles de estrógeno y progesterona dism inuyen po r m ecanism os clarificados m ás ad e lante en este apartado. Recuérdese que estas horm o nas suprim en la liberación de GnRH del hipotálam o y, por lo tanto, m inim izan la liberación de gonadotrofina de la adenohipófisis. De este modo, un a vez que los niveles de progesterona y estrógeno caen por debajo del um bral crítico, se secreta el GnRH hipotalámico en la sangre, lo que estim ula a la adenohipófi sis p a ra que secrete FSH y LH. E stas dos horm onas actúan sobre diferentes tipos de células del ovario p a ra coordinar la m aduración del folículo con la 2 Estrógeno es un término general que no distingue entre los varios estrógenos. A pesar de que el estradiol-17p es el estró geno más importante en la mayoría de los mamíferos, los de más estrógenos como la estrona contribuyen a la señalización del estrógeno.
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692 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
Ciclo no exitoso -
LH FSH Estrógeno Progesterona
Fig u ra 15.16.
C ic lo o v u la to rio en los m a m ífe ro s .
El ciclo estrual se divide en proestro (P), estro (E), m etaestro (M) y diestro (D) o alternativam ente la fase fo lic u la r y luteínica. La re lación exacta difiere entre las especies, pero, en general, en el estro coincide con la ovulación, la dem arcación entre las fases fo li cular y luteínica. Las figura m uestra dos ciclos ovulatorios, el prim ero term in a sin fertilización y el segundo con fertilización. (Fuen te .'Adaptado de M cN aught y Callander, 1975).
reorganización de las vías del m etabolism o horm o nal. Los prim eros efectos están m ediados por la FSH, que induce la proliferación de las células granulosas. A m edida que el folículo crece en tam año, la capa m ás externa de células granulosas se diferencia p ara form ar la teca. Las células de la teca expresan recep tores de LH, que perm iten a la LH activar la vía de señalización que induce la síntesis andrógena. Los andrógenos viajan desde la teca a las células granu losas internas, que las m etabolizan en estrógenos. A
p esar de que varios folículos com ienzan a m adurar, aleatoriam ente un subconjunto de folículos, uno en los hum anos o h asta diez o m ás en otros m am íferos, crece m ás que los otros. Los estrógenos producidos po r el conjunto de folículos viajan a través de la sangre hacia el hipotá lam o, bloqueando la producción de LH y FSH de la adenohipóñsis. Como estas gonadotrofinas inducen la producción de estrógeno, éste es un ejemplo de retroalim entación negativa. Las células granulosas
C A P ÍTU LO 15
tam bién producen u n a horm ona, inhibina, que suprim e aú n m ás la liberación de FSH. A m edida que los niveles de FSH dism inuyen, sólo los folículos dom inantes pueden sostener su propio desarrollo y los dem ás retroceden. D urante este último periodo, conocido como atresia, las células del folículo sufren im a m uerte celular pro g ram ada (apoptosis). Después de u n corto periodo de tiempo, el eje hipotálam ohipofisario reorganiza sus vías de señalización p a ra así rev ertir los efectos del estrógeno. En lugar de debilitar la liberación de GnRH, el estrógeno estim ula su liberación. El aum ento resultante de LH estim ula aún m ás la liberación de estrógeno por el folículo o los folículos, lo que a su vez m ejora la liberación de LH. Este aum ento de LH es un ejemplo de retroali m entación positiva. Más adelante en la fase folicular, la LH focaliza las células granulosas, haciendo que éstas secreten varios factores. Los factores paracrinos inducen al ovocito a que complete su vía meiótica, lo que genera el óvulo. Las enzim as son secretadas p ara digerir la m atriz extracelular entre las células de los folículos. El folí culo se debilita y se rom pe p a ra liberar el óvulo. Justo antes de la ovulación, las células de los folículos aum entan la producción de progesterona. La ovula ción m arca el comienzo de la fase luteínica. Según las especies, la transición desde el estro al m etaestro ocu rre ya sea justo antes o justo después de la ovulación. D espués de la ovulación, los restos del folículo form an el cu erp o lu teín ico. A m edida que el folículo cam bia, reduce la producción de estrógeno, lo que hace que los niveles de estrógeno caigan lo suficiente como p a ra reducir la secreción de LH. Más adelante, a m edida que el cuerpo luteínico continúa diferen ciándose, au m en ta la síntesis y secreción de proges tero n a y estrógeno. El aum ento de la progesterona circulante induce cam bios en la h em bra que p re p a ra n el sistem a reproductor p ara una posible gesta ción. Si el óvulo no está fertilizado, el cuerpo luteínico com ienza a degradarse, reduciendo la secreción de progesterona y estrógeno. D espués de que los niveles de progesterona dism inuyen por debajo de un um bral, la fase luteínica está completa. Los sucesos en el ciclo de ovulación están coordi nados con cam bios en el ciclo uterino. La capa m ás in tern a del útero, el en d om etrio, está com puesto de células epiteliales. Al comienzo del ciclo estrual, las células endom etriales proliferan, al tiem po que au m en ta la vascularización. Si el óvulo no es fertili zado, la dism inución de progesterona m ás tard e en las fases luteicas activa la apoptosis en las células que com ponen las capas in tern as del endom etrio. A
Reproducción
m edida que la superficie endom etrial se degrada, el tejido escapa a través de la vagina (menstruación). Las horm onas involucradas en la regulación del ciclo reproductor de los m am íferos hem bras se resum en en la Tabla 15.2. La píldora anticonceptiva, desarrollada a p rin cipios de la década de los sesenta, funciona evitando la fertilización e im plantación. A p esar de que las composiciones varían entre las m arcas comerciales, la m ayoría de las píldoras anticonceptivas están com puestas de análogos químicos de estrógeno y proges terona. La píldora anticonceptiva actúa de tres m aneras: evita la ovulación, reduce el crecimiento endom etrial en el útero p a ra reducir la posibilidad de u n a im plan tación exitosa y vuelve m ás gruesa la capa de mucosidad cervical, lo que dificulta el movimiento de esperm a en el útero.
Una placenta se fo rm a después de que un ó v u lo fe rtiliz a d o se im p la n ta en la pared uterina Un óvulo fertilizado com ienza el proceso de división celular y continúa dividiéndose d urante varios días. Se desprende de la zona pelúcida y luego las células restan tes form an el blastocisto. Grupos de células se diferencian p ara form ar estructuras em brionarias. Las células m ás externas se diferencian p a ra form ar el trofob lasto (Figura 15.17). Luego, el em brión se sujeta a la p ared u terin a p ara com enzar el proceso de im plantación. Las células del trofoblasto prolife r a n e invaden el endom etrio, form ando u n a asocia ción que d esarrollará la placenta. Las células del trofoblasto se diferencian p ara form ar el corión. Al m ism o tiem po, la celular in tern a del blastocisto con tinúa dividiéndose y diferenciándose. En prim er lugar, aparece un a separación intercelular p a ra for m a r la cavidad am niótica. Las células que rodean la cavidad am niótica se diferencian p a ra form ar el am nios. Las células restantes de la m asa celular in tern a del blastocisto form an el em brión, que crece p a ra convertirse en el feto. La placenta es central p a ra el desarrollo del feto. Es la interfase entre la m adre y el feto y se compone de células derivadas de am bos. D urante el prim er tercio del em barazo, la placenta tiene u n a función endocrina vital. La región de la placenta que se derivó del corión secreta gonadotrofina coriónica (CG). Como la LH, otra gonadotrofina, la CG, se dirige al cuerpo luteínico en el ovario p a ra asegurar que continúa secretando estrógeno y progesterona.
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SEGUNDA PARTE
Tabla 15.2.
Integrando sistem as fisiológicos
Horm onas reproductoras de los m am íferos hem bras en el c ic lo ovulatorio.
Hormona
Tejidos de origen
Acciones principales
Estrógenos
Ovario
Características sexuales secundarias: promueve las grasas la deposi ción, la m aduración de los ovarios y las glándulas m am arias
Andrógenos
Ovario, glándula suprarrenal
Características sexuales secundarias: promueve el crecimiento del vello axilar y la libido
M aduración sexual
Pubertad y m enarquía Fase folicular GnRH
Hipotálamo
Adenohipófisis: controla la liberación de LH, síntesis y liberación de FSH
LH
Adenohipófisis
Folículo ovárico: activa la ovulación
FSH
Adenohipófisis
Folículo ovárico: estimula el estrógeno la síntesis y la m aduración del folículo
Estrógenos
Folículo ovárico
Folículo ovárico: estimula la proliferación de células granulosas Endometrio: estimula la proliferación de células endometriales, la sensibilización a la progesterona, angiogenia Eje hipotálamo-hipofisario: reduce los niveles de gonadotrofina por retroalim entación negativa
Fase luteínica Estrógenos
Cuerpo luteínico
Hipotálamo-adenohipófisis: inhibe la liberación de GnRH, reduciendo la liberación de FSH y LH por la adenohipófisis para prevenir la foliculogenia
Progesterona
Cuerpo luteínico
Útero: promueve la m aduración del endometrio y reduce la contracti lidad del músculo liso uterino
Inhibina
Cuerpo luteínico
Hipotálamo-adenohipófisis: deteriora la síntesis y liberación de FSH
E stas horm onas son vitales p a ra la rem odelación de la fisiología de la m adre, necesaria p a ra sostener el em barazo y p re p a ra rla p a ra el p arto y el cuidado m aterno posterior. Más adelante en el em barazo, la placenta se convierte en la fuente principal de prog esterona y estrógeno, m ien tras que el cuerpo luteínico se degenera. La duración de la gestación v aría am pliam ente entre los m am íferos. Las especies altriciales (aque llas que tienen grandes cam adas de jóvenes poco desarrollados) tienen periodos de gestación m ás cor tos que las especies precociales (aquellas que tienen m enos descendencia, pero bien desarrollada). En el caso de los anim ales que poseen el m ism o tam año corporal, el periodo de gestación de u n a especie precocial es tres veces m ás largo que el de u n a especie altricial. El tam año del cuerpo tam bién cum ple una función (Figura 15.18).
Las con tra ccio nes del m ú scu lo liso u te rino inducen el parto El útero está form ado por paredes gruesas de m ús culo liso (m iom etrio) por debajo del endom etrio. A m edida que el feto se desarrolla, los niveles elevados de progesterona y estrógenos resta u ra n el músculo liso uterino p a ra prepararlo p a ra el parto. Los altos niveles de estrógenos aum entan la fuerza contráctil del m úsculo. Tam bién inducen la expresión de los genes codificando el receptor p a ra la oxitocina, que tiene u n a función im portante en el parto. M ientras que el m úsculo liso crece en fortaleza, la progeste ro n a altera el acoplam iento excitación-contracción p ara im pedir que el m úsculo liso se contraiga p rem a turam ente. El parto comienza en respuesta a una serie de cambios horm onales. Los niveles de progesterona dis-
C A P ÍTU LO 15
Reproducción
minuyen, lo que perm ite que los fuertes m úsculos uterinos se con traigan. Cuando se inicia el parto, las células fetales producen oxitocina, que actúa sobre la placenta p ara inducir la liberación de prostaglandinas. Al mismo tiempo, el estrés creciente de la m adre activa el eje hipotálamico-pituitario, que produce la liberación de oxitocina 5 días desde su propia neurohipófisis. Las (después de la fertilización) protaglandinas y la oxitocina actúan directam ente sobre el músculo liso Endometrio Cavidad uterino p ara inducir contracciones amniótica que com ienzan a em pujar a la cría a lo largo del útero. A m edida que el parto progresa, el estrés adicional activa la liberación de m ás oxitocina p ara fortalecer las contracciones, un ejemplo de regulación de retroalim entación positiva. Poco después de que nazca la cría, la placenta es expulsada. Durante la gestación, la placenta fue la fuente principal de estrógeno y 3 semanas 5 semanas 8 semanas progesterona. En este punto, la hem bra experim enta una rápida F ig u ra 15.17. D e s a rro llo e m b rio n a rio en e l ú te ro de un m a m ífe ro p la c e n ta r io . disminución en la producción de La divisió n celular com ienza una vez que se fertiliza el huevo, lo que suele o c u rrir en el oviducto. La Im plantación com ienza después de que el blastocito se une a la pared estrógeno y progesterona como uterina. Las células en la capa exterior de los blastocltos, el trofo b la sto , invaden el resultado de la pérdida de su glán end om e trio del útero y com ienzan a fo rm a r la placenta. Se desarrollan las m em bra dula endocrina. Una vez que el feto nas extraem brlonarlas y la cavidad am niótica aum enta de volum e n. La línea de tie m nace, la fisiología m aterna comienza po que se m uestra en esta figura es para un prim ate. el proceso de recuperación post parto desde el nacimiento y sim ultáneam ente inicia los prim eros pasos de cuidados m aternos, incluida la pro ducción de leche. Las horm onas involucradas en regu lar los sucesos de parto y posparto están resum idas en la Tabla 15.3. Células epiteliales
Células invasoras del trofoblasto
La leche es un p ro d u cto secretado p o r las glá n d u la s m am a rias
Registro del peso corporal (g) F ig u ra 15.18.
P e rio d o de g e s ta c ió n y e l ta m a ñ o del
c u e rp o de los m a m ífe ro s .
Los m am íferos más grandes poseen tiem pos de gestación más largos. {Fuente: A daptado de Spratt, 1989).
Los m am íferos son los únicos que poseen glándulas m am arias que perm iten a u n a h em b ra producir leche p a ra su descendencia. A p esar de una a d a p ta ción notable, la glándula m am aria de los m am íferos tiene m uchos paralelos. Como m encionam os antes en este capítulo, algunas especies producen secre ciones que alim entan a la cría m ientras aú n está en el tracto reproductor, tal como la leche uterin a de los peces ovovivíparos. Algunas especies que no m am íferas producen nu trien tes p a ra su cría de vida libre.
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696 SEGUNDA PARTE
Tabla 1 5 .3 .
Integrando sistem as fisiológicos
H o rm o n a s re p ro d u c to ra s de los m a m ífe ro s en la g e s ta c ió n y el p a rto .
Hormona
Tejidos de origen
Acciones principales
Gonadotrofina coriónica
Placenta
Estimula la liberación de estrógenos desde el cuerpo luteínico
Estrógenos
Placenta
Glándulas mamarias: estimulan la proliferación de las células secre toras pero previene la secreción de la leche
Gestación
Cuello del útero: reduce la resistencia mecánica (madura) Útero: estimula el músculo liso uterino (bloqueo por progesterona) Útero: estimula la angiogenia y la división mitótica en el endometrio Progesterona
Placenta
Útero: bloquea la estimulación de estrógenos del músculo liso Ovario: previene la ovulación
Parto Oxitocina
Neurohipósifis
Útero: promueve la contracción del músculo liso
Prostaglandinas
Placenta
Útero: promueve la contracción del músculo liso
Prolactina
Adenohipófisis
Glándulas mamarias: promueven el crecimiento y la síntesis del calostro
Oxitocina
Neurohipósifis
Glándulas mamarias: promueven la contracción del músculo liso
Prolactina
Adenohipófisis
Glándulas mamarias: estimulan el crecimiento y la síntesis de la leche
Episodios posparto
Por ejemplo, las palom as producen leche de buche, u n a secreción producida p o r el tracto gastrointesti n al su p erio r y regurgitado en las bocas de los polli tos. La leche es producida p o r la glándula m am aria y en casi todos los casos sólo la h em b ra produce leche. A m ediados de la década de los noventa, investiga dores en M alasia descubrieron que los m achos de las especies locales de m urciélagos frugívoros p odían p roducir y secretar leche. Incluso los m achos h u m an o s p u ed en sufrir cam bios que inducen a sus glándulas m am arias inactivas a que produzcan leche. Muy com únm ente esto se debe a cam bios patológicos en los tejidos endocrinos, pero ha habido inform es verificados de lactancia en m achos p ú b eres e incluso casos docum entados de hom bres adultos que p roducían suficiente leche como p ara am am an tar a u n bebé. La h o rm o n a que controla la producción de la leche en los m am íferos es la prolactina, u n a h o r m ona p ép tid a lib erad a p o r la glándula adenohipofisaria. C uriosam ente, el papel de la p rolactina en los m am íferos es u n a variación de su papel en otros v erteb rad o s, incluida la regulación de la función secretora, equilibrio iónico e hídrico e incluso el com portam iento. D urante el em barazo, el estrógeno
producido po r el cuerpo luteínico y luego la placenta induce la liberación de la prolactina. La prolactina p re p a ra la g lándula m am aria p a ra la producción de leche aum entando la m asa de la glándula m am aria y asegurando que la m aq u in aria biosintética está en buen estado. D urante el em barazo, los altos niveles de prog estero n a y estrógeno suprim en la p ro ducción real de leche. Sólo u n a vez que los nive les de estrógeno y pro g estero n a h ayan dism inuido d u ran te el parto, la glándula m am aria produce leche. Varias características de las glándulas m am arias son com partidas en todos los mamíferos. Como las glándulas sebáceas, las glándulas m am arias están asociadas con folículos pilosos. Las glándulas m am a rias están com puestas tanto de células exocrinas, que secretan la leche, como de células mioepiteliales, que controlan las secreciones. La leche m ism a es u n a m ez cla de líquidos y m acromoléculas liberadas por las células exocrinas bajo el control de la prolactina. Sin em bargo, los tres grupos de m amíferos difieren en la complejidad de la secreción y de la estructura anató m ica de la glándula m ism a. La glándula m am aria m onotrem a consta de tubos enrollados que se encuen tra n debajo de la piel ventral de la hem bra. No hay
C A P ÍTU LO 15
tetillas o pezones p ara ubicar las secreciones; la leche exuda a través de conductos sobre la piel de la m adre, donde se acum ula en entrantes de la superficie. Los m arsupiales tienen u n a glándula m am aria m ás com pleja con tetillas distintas. Las crías ubican la tetilla y la succionan hacia la boca, donde se ingurgita para llenar la cavidad bucal, bloqueando a cada cachorro en su lugar. Los m am íferos euterios poseen glándulas m am arias complejas que son redes de lóbulos agrupa das en alveolos, con conductos que se vacían a través de u n a tetilla externa (Figura 15.19). Al contrario que
Conductos de la leche Alveolos
Células mioepltellales
Células epiteliales segregadoras de leche
Células epiteliales segregadoras de leche Góbulos grasos de la leche Transcitosis de las proteínas sanguíneas Vesícula secretora (caseína, lactosa)
Reproducción
los m arsupiales, las crías de m am íferos euterios pue den sujetarse y soltarse a voluntad. Las interacciones com portam entales asociadas con la alim entación establecen un lazo social entre la m adre y la cría.
Las secreciones de la g lán dula m am aria in cluye n dos p ro d u cto s nuevos, la caseína y la lactosa Las secreciones de las glándulas m am arias son u n a fuente de agua, sales y n u trie n te s p a ra la cría, pero la n atu raleza de la leche cam bia con el tiem po. Las p rim e ras secreciones de la glándula m am aria, llam adas calostro, son ricas en agentes inm unoprotectores, factores de crecim iento, m inerales y vita m inas A y D. El calostro tam bién tiene un inhibidor de trip sin a que protege las p roteínas vitales en el calostro de la digestión en el tracto gastrointestinal del lactante. En este punto de desarrollo, el tracto gastrointestinal del lactante es capaz de tra n sp o rta r anticuerpos intactos, transfiriéndolos a su propia circulación. A m edida que el calostro es agotado por el infante, la glándula m am aria produce u n a leche que es m ucho m ás rica en lípidos y carbohidratos. Los lípidos p ro p o rcio n an en erg ía y p recu rso res b iosintéticos. La leche de los an im ales m arinos puede te n e r un exceso de lípidos del 60%, lo que p erm ite que los cach o rro s acum ulen la g ra sa nece sa ria p a ra la aislación. Los azú ca res de la leche están dom inados p o r la lactosa (a m enudo llam ada azú ca r de la leche), pero tam b ién hay oligosacáridos m ás com plejos. Los azú ca res sirven p a ra dos p ropósitos principales. En p rim e r lugar, son u n a fuente de en erg ía que es catabolizada ráp id am en te p o r los tejidos fetales. En segundo lugar, los azú ca re s son im p o rtan tes p re c u rso re s biosintéticos, especialm ente los oligosacáridos m ás com plejos con am in o azú cares que son im p o rtan tes p a ra los glicolípidos y glicoproteínas de m em b ran a. La leche tam b ién posee a b u n d a n te p ro teín a, princi-
F ig u ra 15.19.
S ín te s is de la s s e c r e c io n e s de la g lá n d u la
m a m a ria .
Las unidades secretoras de las glándulas m am arias son los alveo los. Producen caseína (proteína de la leche) y lactosa en la red de RE-Golg¡, segregándolas al conducto de la leche por exocitosis. Las gotas de lípidos se acum ulan en el in te rio r de las células epiteliales de los m am íferos a través de la síntesis y la recolección de adipocitos. Algunas proteínas son recolectadas de la sangre y tran sporta das por transcitosis a través de las células epiteliales y segregadas al conducto de la leche.
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698 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
pálm en te caseín a (a m enudo llam ada p ro teín a de la leche) que sirve como u n a im p o rtan te fuente de am inoácidos p a ra la b iosíntesis. E sta p ro teín a es altam en te fosforilada, lo que le p erm ite u n irse a Ca2+. Casi el 90% del Ca2+ en la dieta del lactante está bloqueado en la e s tru ctu ra de las p artícu las de caseína. Los dos nuevos productos que se encuentran en la leche, la lactosa y la caseína, tienen orígenes que están íntim am ente ligados a la evolución de los m am íferos. La lactosa es producida por la enzim a lactosa sintasa, que es un complejo de dos proteínas: galactosiltransferasa y a-lactalbúm ina. La galactosiltransferasa, que se encuentra en los eucariotes, es u n a de las m uchas enzim as que cataliza las reaccio nes de glucosilación en el aparato de Golgi, ag re gando galactosa a distintas macrom oléculas, incluidas p roteínas y lípidos. Sin em bargo, en la glándula m am aria, el aceptor de galactosa p a ra la galactosiltransferasa es la glucosa y se produce el disacárido lactosa. Esta capacidad única es conferida po r la segunda subunidad de la lactosa sintasa, la alactalbúm ina. Esta subunidad está estructuralm ente relacionada con otra enzim a, la lisoenzim a. Por lo tanto, la capacidad p a ra producir lactosa puede h a b e r surgido sólo después de la duplicación de un gen de lisozim a a principios de la línea de los m am í feros. El gen duplicado, posteriorm ente m utado a u n a form a que podría d im erizar con la galactosil tran sferasa p a ra form ar la enzim a única lactosa sin tasa. La p ro teín a caseín a se asem eja m ucho a la cad en a 7 del fibrinógeno, u n a p ro teín a sérica que está in volucrada en la coagulación de la sangre. C uriosam ente, las g lándulas m am arias m ás p rim i tivas p ro d u cen u n a secreción que se deriva p rin ci p alm en te de com ponentes p resin tetizad o s de la san g re, incluido el fibrinógeno. Los m am íferos m ás av an zad o s d ep en d en p rin cip alm ente de m oléculas p ro d u cid as d irectam en te en la glándula m am aria. Por lo tan to , se p ien sa que la evolución llevó a un cam bio de la provisión de p ro teín as séricas, como el fibrinógeno, a la p roducción de p ro teín as análo gas al fibrinógeno p ro d u cid as d irectam ente dentro de la glándula. La g lándula m a m aria es un exce lente ejem plo de la m a n e ra en que los procesos evo lutivos p ro d u cen algo nuevo m odificando genes ex istentes y estru ctu ras anatóm icas. La producción de leche y la n atu raleza de la glándula m am aria reflejan u n a in teg ració n de aspectos únicos de la bioquím ica, la regulación fisiológica y la estru ctu ra anatóm ica.
La p ro la ctina co n tro la el c o m p o rta m ie n to m a te rn o en m uchas especies Cuando existe el cuidado de los padres, lo suele asu m ir la m ad re de la cría. Esto es racionalizado por argum entos evolucionistas de que sólo la m adre puede estar segura de la patern id ad de la cría y que la energía del padre se utiliza m ejor apareándose. El cuidado de los p ad res es im portante sólo en algunos m am íferos, principalm ente, caninos, roedores y algunos prim ates. Resulta interesante que el cuidado paterno parece estar controlado por la prolactina, la m ism a horm ona que controla la inversión m aternal en la form a de lactancia. En el hám ster enano ruso de Zungaria, el cuidado paterno puede com enzar con el parto, con los padres actuando como com adronas al asistir en el parto de los cachorros. D urante el principio del crecim iento de los cachorros, los padres pueden ayudar a cuidar a la cría, recu p erar cacho rro s perdidos y asistir en la term orregulación. E xtraordinariam ente, las p arejas de las hem bras p reñ ad as experim entan cam bios horm onales que alteran su com portam iento paternal. El grado (y capacidad) de com portam iento p atern al está vincu lado a cam bios horm onales y experiencia. Entre aquellas especies de m am íferos que m uestran cuida dos paternos, los p ad res asistentes generalm ente tie n en niveles m ás altos de prolactina en la sangre que los m achos no paternales. Las superiores capacida des y atención dem ostradas po r los m achos experi m entados tam bién pueden deberse a niveles de prolactina m ás altos. Curiosam ente, la prolactina tam bién se ve im plicada en otras especies que p re sentan cuidado de los p adres, incluidos peces y aves. Aún no se sabe cómo afecta la prolactina al sistem a nervioso central p a ra influir sobre el com porta m iento de los padres.
S is te m a s in te g ra d o re s
Reproducción y estrés El e s tré s y la re p ro d u c c ió n son in separables. La re p ro d u c c ió n es una a c tiv id a d e x ig e n te q u e in flu y e s o b re o tro s s is te m a s fis io ló g ic o s y c o n s e c u e n te m e n te de safía
la
reg u la c ió n
h o m e o s tá tic a .
La
re p ro d u c c ió n
altera la h o m e o s ta s is y p ro d u c e e s tré s de do s m ane ras. En p rim e r lugar, e je rc e e fe c to s s o b re el m e ta b o lis m o
e n e rg é tic o .
Los
a n im a le s
que
se
están
re p ro d u c ie n d o in c u rre n en g a s to s e n e rg é tic o s co n s i-
C A P ÍTU LO 15
Reproducción
de ra b le s para p ro d u c ir y m a n te n e r s is te m a s re p ro d u c
des, p ro d u c ie n d o p ro te ín a s q u e s e unen a é s to s , y al
to re s , s u m in is tra r re cu rso s para el c re c im ie n to fe ta l,
a lte ra r el p e rfil de los re c e p to re s e s te ro id e s . C o m o
c o n s tru ir y m a n te n e r te jid o s para e x h ib ic io n e s se x u a
re s u lta d o , la m a g n itu d de la re s p u e s ta al e s tré s pue d e
les y s o p o rta r d e sa fío s fís ic o s al c o m p e tir p o r la pareja.
d e p e n d e r del s e x o y del e s ta d o re p ro d u c to r del anim al.
En s e g u n d o lugar, la re p ro d u c c ió n p ro d u c e e s tré s a
C o n s id é re s e la fo rm a en que el s e x o y el e s ta d o re p ro
tra v é s d el a n ta g o n is m o ho rm o n a l. Los g lu c o c o rtic o s -
d u c to r in flu y e n en c ó m o la captura se m a n ifie s ta c o m o
te ro id e s (h o rm o n a s de e stré s ) que a c tivan la m o v iliz a
e s tré s en las to rtu g a s m arinas. C u ando los m a c h o s y
ció n d el m e ta b o lis m o de la energía ta m b ié n ejerce n
las h e m b ra s son c a p tu ra d o s en el mar, los m a c h o s p re
e fe c to s d ire c to s s o b re la fis io lo g ía re p ro d u c to ra . Las
s e n ta n m a y o re s a u m e n to s en la h o rm o n a del e s tré s
h o rm o n a s sexu a le s ta m b ié n e je rc e n sus p ro p io s e fe c
c o rtic o s te ro n a . D e fo rm a sim ilar, las h e m b ra s q u e no
to s so b re o tro s s is te m a s , que p u e den s e r ve n ta jo s o s y
se están re p ro d u c ie n d o p re s e n ta n un grado m a y o r de
c o s to s o s , aun q u e ta m b ié n p u e d e n s e r a lte ra d o re s
e s tré s de ca p tu ra q u e las h e m b ra s que se están re p ro
p e ro to le ra d o s . La te s to s te ro n a , en c o n c re to , tie n e
d u c ie n d o (Figura 15.20). Los a n te c e d e n te s h o rm o n a
m u c h o s e fe c to s s o b re la fis io lo g ía no re p ro d u c to ra . En
les aso c ia d o s con el s e x o y el e s ta d o de re p ro d u c c ió n
gen era l, las in te ra c c io n e s e n tre la re p ro d u c c ió n y el e s tré s son recíp roca s; la re p ro d u c c ió n p ro d u c e estré s, p e ro el e s tré s o b staculiza la re p ro d u c c ió n . Se ha plan te a d o la te o ría de que las e x h ib ic io n e s de los m a c h o s re fle ja n una capa cidad de los é s to s para to le ra r con é x ito el e s tré s de la re p ro d u c c ió n . Las m u ch a s fo rm a s del e s tré s e s tá n reguladas por la red de c o m u n ic a c ió n q u ím ic a fo rm a d a p o r el h ip o tá lam o, la a d e n o h ip ó fis is y la c o rte z a sup ra rre n a l (o c é lu las in te rre n a le s en los v e rte b ra d o s c o m o los peces). C u ando son e x p u e s to s a un e s tré s e x te rn o , los a nim a les a lteran s u s co n d ic io n e s h o rm o n a le s (g e n e ra lm e n te elevada c o rtic o s te ro n a ) para m o v iliz a r c o m b u s tib le s , p ro d u c ir glu co sa y s u p rim ir la ene rgía d e p e n d ie n te de p ro c e s o s c o m o el c re c im ie n to y la re p ro d u c c ió n . Esta re sp u e sta d e fe n s iv a p e rm ite al a nim a l so b re v iv ir. A la in versa , la re p ro d u cció n m is m a pu e d e c re a r una co n d i
Tiempo después de la captura (h) (a) Efecto del sexo
ció n e s tre s a n te que re q u ie re q u e el a nim a l m o d ifiq u e su p ro d u c c ió n de h o rm o n a s de e s tré s para o b te n e r alg u n o de los b e n e fic io s , c o m o p ro d u c c ió n de energía m ie n tra s se re d u ce n los e fe c to s re p re s o re s d el e s tré s s o b re la re p ro d u cció n . En m u c h o s casos, la e levació n en los n ive le s de h o rm o n a s c o m o la c o rtic o s te ro n a es un c o m p o n e n te n e ce sa rio de la fis io lo g ía re p ro d u c to ra . Por e je m p lo , cuan do las ranas llam an, es tá n reali zando uno de los c o m p o rta m ie n to s m ás c o s to s o s en té rm in o s e n e rg é tic o s v is to en los e c to d e rm o s . La
o
energía para llam ar es pro d u c id a c uan do los g lu c o c o rtic o s te ro id e s a ctivan la m o v iliz a c ió n de c o m b u s tib le s , p e ro la llam ada p o r sí m ism a d e p e n d e de la te s to s te rona. M á s te s to s te ro n a im p lic a una m a y o r llam ada, lo que dem a n d a m ás energía, q u e re q u ie re m ás g luco-
Tiempo después de la captura (h) (b) Efecto del estado reproductor
c o rtic o s te ro id e s . D e sp u é s de un p u n to , los g lu c o c o rtic o s te ro id e s alcanzan n ive le s ta n a lto s que s u c e d e una re sp u e sta al e s tré s y se re d u c e la p ro d u c c ió n de te s to s te ro n a . Los a n im a le s pue d e n in flu ir en las vías d e p e n d ie n te s de e s te ro id e s , al a lte ra r la p ro d u c c ió n de e s te ro i
Fig u ra 15.20.
N iv e le s de c o r tic o s te r o n a p la s m á tic a en
la s to rtu g a s v e rd e s m a rin a s .
M uchos anim ales responden a la captura induciendo las hor m onas del estrés, com o la corticosterona. La m agnitud de la respuesta se ve in fluida por otras horm onas relacionadas con los estados (a) sexuales o (b) reproductores.
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700 SEGUNDA PARTE
Integrando sistem as fisiológicos
in flu y e n en el m o d o en q u e o tra s h o rm o n a s ejerce n sus e fe c to s . M u c h a s de las in te ra c c io n e s e n tre la re p ro d u c c ió n y la fisio lo g ía d el e s tré s pue d e n re m o n ta rs e a las in te r accio n e s
e n tre
la te s to s te ro n a ,
las
c a ra c te rís tic a s
se xu a le s se cu n d a ria s y el s is te m a in m u n o ló g ic o . A lto s nive le s de te s to s te ro n a obsta c u liz a n el s is te m a in m u n ológico, c o m p ro m e tie n d o la ¡n m u n o c o m p e te n c ia . La relación se co m p ru e b a e x p e rim e n ta lm e n te al tra ta r a m a ch o s co n im p la n te s de te s to s te ro n a . Los e s tu d io s en m u ch a s e sp e cie s m u e s tra n que los in c re m e n to s de te s to s te ro n a a u m e n ta n los rasgos se x u a le s s e c u n d a rios, pero ta m b ié n pue d e n hace r a los m a c h o s m ás p ro p e n s o s a los pa rá sito s y e n fe rm e d a d e s . Se cree q u e la relación a n ta g o n is ta es un fa c to r im p o rta n te en la s e le c c ió n sexua l para las e x h ib ic io n e s d e los m a ch o s. La h ip ó te s is de la d e s v e n ta ja de in m u n o c o m p e te n c ia su g ie re q u e los rasgos de los m a c h o s e vo lu cio n a ro n de una m anera que p e rm itía a cada m a ch o e la b o ra r la e x h ib ic ió n m ás im p re s io n a n te po s i b le sin c o m p ro m e te r su propia salud. Por lo ta n to , en el m u n d o natural s ó lo aqu e llo s m a c h o s con una gran ¡n m u n o c o m p e te n c ia p u e d e n to le ra r los e fe c to s n e g a ti vo s de e laborar e xh ib ic io n e s im p re s io n a n te s . N o le serviría a un c ie rv o m a ch o e laborar una e x h ib ic ió n tan g ra n d e que su s is te m a in m u n o ló g ic o s e dete rio ra ra hasta el p u n to en q u e deje de e s ta r sano. C o m o la te s to s te ro n a está vin culad a a los rasgos s e x u a le s s e c u n d ario s m a s cu lin o s, m u c h o s e s tu d io s han ilu s tra d o la relación e n tre las e xh ib ic io n e s de los m a c h o s y la in m u n id a d . Por e je m p lo , los m irlo s a lirro jo s m a c h o s cantan fu e rte a in te rv a lo s fre c u e n te s para a tra e r a las h e m b ra s y d e fe n d e r un te rrito rio . La h ip e rtro fia de los m ú s c u lo s nece saria para ca n ta r d e p e n d e de los n ive les de te s to s te ro n a . Los m irlo s a lirro jo s m a c h o s con la m e jo r capa cidad para ca n ta r ta m b ié n tie n e n los s is te m as in m u n o ló g ic o s m ás fu e rte s , c o m o lo in dica la carga parasitaria y los in m u n o c ito s sang u ín e o s . !
Resumen Las h orm onas son centrales p a ra el control de la m aduración rep ro d u cto ra y la reproducción m ism a. Los anim ales d ependen de varios tipos de horm o n as, incluidos los esteroides, p a ra controlar la re p ro ducción. Las h o rm o n as de los invertebrados son m enos com prendidas que las de los vertebrados, excepto en los artrópodos, en los que se sabe que la h o rm o n a juvenil y la 20 -hidroxiecdisona controlan la reproducción en los adultos y el desarrollo larval. En los vertebrados, los andrógenos, estrógenos y
progesterona regulan la reproducción. La produc ción de esteroides es regulada por el eje hipotálam ohipofisario. Las n euronas del hipotálam o secretan un a horm ona liberadora de gonadotrofina en la región de la adenohipófisis, que responde secre tando la horm ona luteinizante y la horm ona estim u ladora de folículos. La eficacia de estas horm onas es controlada po r la síntesis y degradación de am bas h orm onas y receptores. M uchos anim ales se reproducen m ediante una reproducción asexual, principalm ente m ediante im a reproducción po r clonación o partenogenia. Sin em bargo, la m ayoría de los anim ales se reproduce m ediante u n a reproducción sexual, en la cual un gam eto pequeño (esperm a) fertiliza a un gam eto grande (óvulo). Los dos sexos se definen por la capa cidad de producir gam etos grandes o pequeños. En la m ayoría de las especies, el m asculino es el sexo heterogam ético (YY), a p esar de que en algunas espe cies la h em b ra es la heterogam ética (WZ). Algunas especies son herm afroditas, por lo que un único indi viduo puede producir tanto esperm a como óvulos, ya sea sim ultánea o secuencialm ente. En m uchos casos, el sexo se determ ina en el desarrollo como resultado de condiciones am bientales, m ás com únm ente la tem peratura. Los gam etos se producen por meiosis. Los óvulos se producen dentro de los folículos del tejido som á tico en un ovario. El óvulo es aum entado con el saco vitelino, u n a fuente de nutrientes rica en proteínas y lípidos p a ra el em brión en crecimiento. Los anim ales ovíparos expulsan sus óvulos (fertilización externa) o huevos fertilizados (fertilización interna), lo que p e r m ite que el em brión se desarrolle externam ente. Los anim ales ovovivíparos retienen los huevos fertiliza dos internam ente. Los anim ales vivíparos llevan crías vivas que se desarrollan internam ente y d eri van la nutrición de los tejidos m aternos. La esperm atogenia ocurre en los testículos. Los órganos copulativos m asculinos aum entan la eficien cia de la transferencia de esperm a. El esperm a busca activam ente un óvulo, cam biando su actividad en resp u esta a m oléculas quim iocinéticas y quimiotáxicas. Las hem bras de algunas especies pueden alm a cenar esperm a durante largos periodos de tiempo después de aparearse p a ra asegurar im a reproduc ción ininterrum pida. Los esperm atozoides pueden com petir por la oportunidad de fertilizar el huevo. U na vez que el óvulo es fertilizado, factores derivados del óvulo controlan el desarrollo tem prano. En los am niotas, el em brión produce u n a serie de cuatro m em branas celulares extraem briónicas p a ra crear
C A P ÍTU LO 15
com partim entos con papeles específicos en el des arrollo em brionario. En los m am íferos placentarios, las m em b ran as extraem briónicas interactúan con el tejido m aterno p a ra crear la placenta. Los m am íferos p resen tan un patrón de ovulación llam ado ciclo estrual, controlado por el eje hipotálam o-hipofisario. U na vez que el folículo se rom pe, liberando al óvulo, el resto de las células foliculares se diferencian p a ra form ar el cuerpo luteínico, que continúa produciendo estrógenos y progesterona. En los m am íferos, el óvulo fertilizado se im planta en la p ared u terin a y actúa conjuntam ente con las células del endom etrio p a ra producir la placenta. A m edida que el em brión crece, el cuerpo luteínico se degrada y la placenta asum e el papel de m an ten er niveles ele vados de progesterona y estrógenos. E stas horm onas p rep aran a la h em b ra p a ra el parto y el cuidado pos tnatal. La leche, u n producto de la secreción de las glándulas m am arias, es único de los m am íferos, y perm ite a la h em b ra tran sferir nutrientes a los lac tantes. La prolactina controla la producción de leche, así como el com portam iento m aterno y paterno.
P reguntas de revisión 1. Com pare las funciones de los esteroides en la reproducción de los v erteb rad o s e in v erteb ra dos. 2. Argum ente cómo las horm onas regulan el ciclo ovulatorio en los m am íferos. 3. Explique sobre los distintos m odos de determ i nación del sexo en los anim ales. 4. Com pare las características de los ovíparos, ovovivíparos y vivíparos.
Reproducción
5. Explique las distintas funciones del m úsculo liso en la fisiología reproductora.
6 . Compare las vías de la gam etogenia en los machos con las hem bras.
P reguntas de síntesis 1. Los em briones obtienen los nutrientes del saco vitelino, excepto en los m am íferos placentarios. Explique los beneficios y los riesgos de am bos m odos de sum inistro de nutrientes. 2. ¿Por qué los anim ales cuya determ inación sexual depende de la tem p eratu ra están en riesgo por los desestabilizadores endocrinos? 3. Tanto el saco vitelino como la leche son produc tos de secreción celular. Compare sus vías p a ra la síntesis y la secreción.
4. Los m achos y las hem bras se desarrollan a p artir de genom as iguales, excepto por unos pocos genes en el crom osom a que determ ina el sexo. Explique cómo la m ism a m aquinaria celular es utilizada de m an era diferente en m achos y h em bras. 5. Sólo con ejemplos de los m am íferos, argum ente las ventajas y desventajas energéticas p ara las estrategias de historia de vida de tipo-K en com paración con las de tipo-r.
6 . Adem ás de afectar la energética del nado, ¿cómo puede la longitud de la cola del esperm a tener ventajas o desventajas evolutivas? 7. Elija ejemplos de exhibiciones sexuales m asculi
n as y argum ente los m ecanism os celulares que utilizarían los anim ales p a ra producir las carac terísticas.
701
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Apéndice Sistema internacional de unidades (Systéme Internationale d'Unités) Las m ediciones resu ltan útiles sólo si se expresan en unidades. Si u n a perso n a afirm ara que su perro pesa 30, sería im posible establecer si se trata de un chi h u ah u a o de un g ran danés, pero si indicara que pesa 30 kilogramos, sabríam os que el perro tiene el ta m año aproxim ado de u n pastor alem án adulto. Así, u n sólido sistem a de u nidades nos perm ite in terp re ta r las m ediciones y com partirlas con otras personas. Las u n id ad es del S istem a In tern ac io n a l (SI) son las u n id ad es de m ed id a p refe rid as p a ra la m ayoría de las d isciplinas científicas. El sistem a SI p re se n ta las v en tajas de se r decim al, co n tar con u n a cohe ren cia in te rn a p ro p ia y e s ta r definido con p reci sión. G ran p a rte de las publicaciones fisiológicas exigen que las can tid ad es físicas se expresen en u n id ad es SI. No ob stan te, con frecuencia se ob serv an o tras u n id ad es em pleadas en los docum en tos fisiológicos antiguos o en situaciones clínicas, p o r lo que es im p o rtan te co n tar con la capacidad de co n v ertir los diferen tes sistem as de unidades. Las u n id ad es SI prin cip ales y algunos factores de
conversión seleccionados se exponen en la tabla adjunta. El S ystém e Internationale consiste en siete unida des de m edida básicas (el m etro p ara la longitud, el kilogramo p ara la m asa, el mol para la cantidad de sustancia, el segundo p a ra el tiempo, el am perio para la corriente eléctrica, el kelvin p ara la tem peratura y la candela para la intensidad luminosa). Todas las dem ás unidades se derivan de estas unidades básicas: por ejemplo, la unidad de la velocidad (la distancia reco rrida por unidad de tiempo) es m etros por segundo. Las unidades SI derivadas pueden representarse m ediante la notación por num erador/denom inador (por ejemplo, m /s) o la notación exponencial (m-s_1). Si bien la form a SI correcta es la segunda, dado que perm ite expresar unidades com plejas claram ente, po r lo general en este libro hem os em pleado el p ri m er tipo de notación, no sólo porque a los estudian tes les resulta m ás fácil com prenderlas de este modo, sino tam bién debido a que tratam os con unidades relativam ente sim ples tales como la velocidad.
U n id a d e s SI y d e riv a d a s C an tid ad
U nidad SI
A b re v ia tu ra
F acto res de con v ersió n seleccio n ad o s
U nidades b ásic as Longitud
metro
m
1 m = 3,28 pies
Masa
kilogramo
kg
1 kg = 2,20 libras
Cantidad de sustancia
mol
mol
Tiempo
segundo
s
Temperatura
kelvin
K
La diferencia de 1 K equivale a la diferencia de 1°C (Celsius); OK = -273°C
Corriente eléctrica
amperio
A
1 A = 6,24 x 1018 cargas por segundo
Intensidad luminosa
candela
cd
Superficie
metros cuadrados
m2
1 m 2 = 10,8 pies2
Volumen
metro cúbico
m3
1 m 3 = 1.000 litros (1)
Unidades derivadas
1 cm3 = 1 millilitro (mi) 3,7851 = 1 galón estadounidense Densidad
kilogramos por metro cúbico
kg-m 3 (o kg/m3)
1 kg-m-3 = 1 g/1
Velocidad
metros por segundo
m-s_1 (o m/s)
1 m-s-1 = 3,28 pies/s (continúa) 703
704 A p é n d ice
U n id a d e s SI y d e riv a d a s (c o n tin u a c ió n ) C antidad
U nidad SI
A b rev iatu ra
F acto res de co n versión seleccio n ad o s
Frecuencia
ciclos por segundo; hercio
Hz = s 1
Aceleración
metros por segundo cuadrado
m-s 2(om /s2)
1 m-s 2 = 3,28 pies/s2
Fuerza
newton (N)
N = m-kg-s_2
1 N = 0,102 kg de fuerza
Presión
pascal (Pa)
Pa = N-m-2 = m_1-kg-s_2
1 N = 0,225 libras de fuerza 1 Pa = 0,0075 milímetros de mercurio (mm Hg) 1 kilopascal (kPa) = 7,5 mm Hg 1 atmósfera (atm) = 101,3 kPa = 760 mm Hg Energía (trabajo)
julio (J)
J = N-m = m2-kg-s~2
1 J = 0,239 calorías (cal)
Potencia
vatios (W)
W = J/s = m2-kg-s~3
1 W = 0,239 cal/s
Potencial eléctrico
vatios por amperio; voltios (V)
V = W-A'1 = m2-kg-s_3-A_1
Resistencia eléctrica
voltios por amperio; ohmio (£2)
Q = V/A = m 2-kg-s_3-A_2
Carga eléctrica
culombio (C)
C = sA
Capacitancia eléctrica
faradio (F)
F = C-V"1 = m -2*kg-1*s4A 2
Prefijos para las unidades
Los prefijos pueden anteponerse a un a im idad SI a fin de indicar los múltiplos y subm últiplos decim ales de dicha unidad. Estos prefijos se utilizan p ara evitar valores num éricos m uy grandes o m uy pequeños. Probablem ente estén fam iliarizados con im idades tales como el kilómetro, que representa 1.000 m etros. Estos prefijos pueden utilizarse con cualquier u nidad SI, con la excepción del kilogramo, que es la
única unidad que ya cuenta con un prefijo propio. En su lugar, los prefijos se añaden a la unidad “gram os” (g). Así, 10 6kg = 1 m g (un miligramo) y no 1 u k'g (un microkilogramo). A continuación se presenta un listado de los 20 prefijos SI aceptados, algunos de los cuales (indica dos en negrita) son los que aparecen con m ayor fre cuencia en los textos de biología.
P re fijo s pa ra las u n id a d e s SI P refijo
A b re v ia tu ra
F acto r
yotta
Y
1024
D enom inación en inglés septillón en el sistema estadounidense: cuatrillón en el británico
zetta
Z
1021
sextillón en el sistema estadounidense
exa
E
1018
quintillón en el sistema estadounidense: trillón en el británico
peta
P
1Q15
cuatrillón en el sistema estadounidense
tera
T
1012
trillón en el sistema estadounidense: billón en el británico
giga
G
109
billón en el sistema estadounidense
mega
M
106
millón
kilo
k
103
mil
hecto
h
102
cien
deca
da
101
diez
deci
d
ío -1
décimo
centi
c
10"2
centésimo
mili
m
10"3
milésimo (continúa)
A p é n d ic e 705
P re fijo s pa ra las u n id a d e s SI (c o n tin u a c ió n ) Prefijo
A b rev iatu ra
F acto r
P
10-6
micro
D enom inación en inglés millonésimo
nano
n
lo -9
billonésimo en el sistema estadounidense
pico
P
10"12
trillonésimo en el sistema estadounidense; billonésimo en el británico
femto
f
10-is
cuatrillonésimo en el sistema estadounidense
atto
a
10-18
quintillonésimo en el sistema estadounidense; trillonésimo en el británico
zepto
z
i o - 21
sextillonésimo en el sistema estadounidense
yocto
y
10 24
septillonésimo en el sistema estadounidense; cuatrillonésimo en el británico
Logaritmos Los logaritmos son im portantes en la fisiología princi palm ente por tres motivos: (1) la escala de pH es loga rítm ica, (2) el potencial de m em brana de una célula depende del logaritmo natu ral de la proporción de las concentraciones iónicas in tra y extracelulares, y (3) los datos fisiológicos se suelen representar en gráficos con escalas logarítm icas o semilogarítmicas, por lo que resulta im portante contar con un sólido manejo de los logaritmos a fin de entender la fisiología. En esencia, u n logaritm o es lo m ism o que una potencia o u n exponente. Por ejemplo, sabem os de la m atem ática básica que 10 2 = 100. El logaritm o com ún de 100 es sim plem ente la potencia de 10 que nos perm ite obtener 100, es decir, 2. Del mismo modo, el logaritm o com ún de 1.000 es 3 y el de 10.000 es 4. Los logaritm os de los núm eros que se en cu entran entre estos valores pueden establecerse con facilidad m ediante u n a “tabla de logaritm os” o con la m ayoría de las calculadoras. Un punto im por tan te que cabe señ alar es que el logaritm o de un núm ero m enor que uno pero m ayor que cero es un núm ero negativo. Por ejemplo, el núm ero 0,1 puede rep re sen tarse como 10 _1, po r lo que el logaritm o de 0,1 es - 1 . Como puede observarse, el logaritmo común en todos los casos h ace referencia a u n a potencia de 10 , es decir, 10 es la base del logaritm o com ún. Es posi
ble ten er logaritm os con otras bases: por ejemplo, los logaritm os naturales son potencias de la constante m atem ática e. La base de un logaritm o se indica m ediante el subíndice que sigue a la abreviatura “log”. Por ejemplo, un logaritm o con base 10 se rep re sen taría como log10, m ientras que uno con base 4 sería log4. No obstante, po r convención los logarit m os con base 10 (o comunes) se rep resen tan sim ple m ente con la abreviatura “log” (sin subíndice), m ientras que los de base e (o naturales) se abrevian como “ln”. Recordem os que el pH de u n a solución equivale al logaritm o negativo de la concentración iónica de hidrógeno de dicha solución (pH = -log[H+]). A fin de calcular el pH de un a solución, es necesario conocer dos reglas sencillas sobre los logaritm os y los expo nentes: -logfct) = log(l/x) 1/ ( 10*) = 10- '
Una solución cuya concentración iónica de hidróge no fuese 10 ~8 M presenta un pH equivalente a —log(10 8). Al aplicar la prim era regla m encionada, es posible reescribir la expresión como log(l /10 8) y, em pleando la segunda regla, la ecuación se represen taría como log 108. Así, el pH de la solución es 8 .
706 A p é n d ice
Funciones lineales, exponenciales, potencial y alométricas Las v ariab les fisiológicas suelen analizarse de fo rm a gráfica. Las rep re sen tacio n es gráficas nos p erm ite n d eterm in ar la relación en tre dos variables (por ejem plo, tam añ o co rp o ral e índice m etabólico, o ed ad y p resió n sanguínea). Luego estas relaciones p u ed en ex p resa rse como funciones m atem áticas: las que se aplican con m ayor frecuencia en los datos fisiológicos son ( 1 ) las funciones lineales, (2) las funciones exponenciales y (3) las funciones potenciales. La form a están d ar de u n a función lineal es y = ax + b donde x es la variable independiente, y es la variable dependiente, a es la pendiente de la línea y 6 es la intersección de la línea en el eje y. La form a están d ar de u n a función exponencial es y = b-a‘ donde x es la variable independiente, y es la variable dependiente y a y 6 son las constantes. Podemos to m ar el logaritm o de am bos lados de la ecuación p a ra obtener log y = log b + x log a Cabe se ñ alar que esta ecuación a h o ra p resen ta la m ism a form a que u n a función lineal en la que la p en d ien te de la línea es log a y la intersección es log b. Al utilizar u n a escala sem ilogarítm ica, es posible tra z a r log y co n tra x, obteniendo u n a línea recta. De esta m an era, podem os tra n sfo rm a r u n a función exponencial en u n a lineal, la cual suele se r m ás fácil de an alizar que el gráfico de u n a función exponen cial.
La función potencial a sim ple vista se asem eja a la exponencial y presen tan la form a y = bxa donde la x es la variable independiente, y es la varia ble dependiente y a y b son constantes. Resulta fácil confundir la función potencial con la exponencial, aunque cabe destacar que en la prim era la variable independiente se eleva a u n a potencia constante, m ientras que en el caso de la segunda es la base constante la que se eleva a un exponente variable. Al igual que con las funciones exponenciales, es posible convertir un a función potencial en u n a lineal m ediante logaritm os. Al aplicar el logaritm o en am bos lados de la función potencial se obtiene log y = log 6 + a log 2 A través de u n a escala logaritm o-logaritm o podem os tra z a r el log y contra el log x y así obtener u n a línea recta con u n a pendiente de a y im a intersección de log b. Por lo general las funciones potenciales se utili zan en la fisiología p ara estudiar relaciones alom étri cas o de escala: de hecho, esta utilización es tan h abitual que los fisiólogos suelen referirse a las fun ciones potenciales como fu n cio n es alométricas. Gali leo fue uno de los prim eros científicos que notaron las relaciones de escala. Señaló que los anim ales g randes presen tan huesos en las extrem idades cuyo grosor no guarda proporción alguna con los de los anim ales pequeños. Asimismo, m uchos otros p a rá m etros fisiológicos varían de form a desproporcional con respecto al tam año corporal y estas relaciones suelen describirse m ediante funciones potenciales.
A p é n d ic e 707
F ó rm u las ú tile s Ley de Ohm
C o n s ta n te s fís ic a s y q u ím ic a s V = IR
v = caída de voltaje en el sistema
Potencia (eléctrica)
Presión
Potencia
corriente resistencia eléctrica
P P 1 V=
IV
Constante de Faraday
F = 96.487 C/mol
Constante del gas
R = 8,314 J-K^-mol
Constante de Planck
h = 6,626 x lO - ^ J - s - 1
Velocidad de la luz en el vacío
c = 2,997 x lO 8m-s"1
Calor específico del agua
4,187 J-mol_1-°C_1
Capacidad calorífica del aire
1,21 kJ-m_3-°C_1 (20°C, 101.3 kPa)
Capacidad calorífica del agua
4,18 MJ-m_3-°C_1 (20°C, 101,3 kPa)
potencia corriente caída de voltaje en el sistema
AP/R 0 Q = flujo AP caída de presión en el sistema R resistencia al flujo P P w
w /t
potencia trabajo tiempo
t Ley del gas ideal
PV = nRT P = presión v = volumen n = cantidad de moléculas R = constante del gas T = temperatura (en kelvin)
Ley de Boyle
pi v i = P 1 2V2 _ P = presión y = volumen
Ley de Dalton de las PT = Pt + P2 + P3. . . presiones parciales PT = presión total P ,P ,P , etc. = presión de cada componente en una mezcla gaseosa Segunda ley de Newton (del movimiento)
F F m a
= ma = fuerza
Energía potencial
E E m 9 h
= mgh = energía
= masa = aceleración
= masa = aceleración por la gravedad = altura por encima de la superficie
Energía cinética
E = 1kmv2 E = energía m masa v = velocidad
Peso y m asa
W W m 9
= mg = peso
F F k T
= = = =
kT
dQ/dt dQ/dt D A dC/dx
= = = = =
DA dC/dx
Ley de Hookc de la elasticidad
Ley de difusión de Fick
V alor Na = 6,022 x 1023
1 R
P f/a P = presión f = fuerza a = superficie
Ley de flujo global
C onstante Número de Avogadro (cantidad de moléculas en un mol)
= masa = aceleración por la gravedad fuerza constante de elasticidad tensión tasa de difusión coeficiente de difusión superficie de la membrana gradiente de concentración (o energía)
= 0,082 L-atm-K_1-mol = 1 ,5 8 x 1 0”34 cal-s"1
Lecturas recomendadas C a p ítu lo 1 S ubdisciplinas de la Fisiología Costa, D. P., and B. Sinervo. 2004. Field physiology: Physi ological insights from animals in nature. Annual Review o f Physiology 66 : 209-238. Feder, M. E., A. F. Bennett, and R. B. Huey. 2000. Evolu tionary physiology. Annual Review o f Ecology and Systematics 31: 315-341. Somero, G. N. 2000. Unity in diversity: A perspective on the m ethods, contributions, and future of comparative physiology. Annual Review o f Physiology 62: 927-937. Tracy, C. R., and J. S. Turner. 1982. W hat is physiological ecology: A collection of commentaries by noted physio logical ecologists. Bulletin o f the Ecological Society of America 63: 340-346.
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These four papers are essays on the history of impor tant subdisciplines in physiology. Each provides insight into the major questions and suggestions fo r the future o f the field.
This brief review summarizes the mechanisms of insec ticide resistance in mosquitoes. Schmidt-Nielsen, K. 1984. Scaling: Why is animal size so important? Cambridge: Cambridge University Press. This readable book discusses the physiological implica tions o f animal size. Vogel, S. 1988. Life’s devices. Princeton, NJ: Princeton Uni
Breve historia de la Fisiología Franklin, K. J. 1949. A short history o f physiology. London: Staples Press. Leake, C. D. 1956. Some founders o f physiology. W ashing ton, D.C.: A merican Physiological Society.
These short books summarize the history of medical physiology and some o f the most important contribu tors to its development. Schmidt-Nielsen, K. 1998. The camel’s nose: Memoirs of a curious scientist. W ashington, D.C.: Island Press/ Shearw ater Books.
This entertaining autobiography provides a personal glimpse into the life and work o f one o f the 20th centu ry’s greatest animal physiologists. U nifican do conceptos en Fisiología Feder, M. E., A. F. Bennett, W. W. Burggren, and R. B. Huey. 1987. New directions in ecological physiology. Cam bridge: Cambridge University Press. Mangum, C. P., and P. W. Hochachka. 1998. New directions in comparative physiology and biochemistry: Mechanisms, adaptations, and evolution. Physiological Zoology 71: 471-484.
These works summarize some of the important unifying themes in animal physiology. Gerhart, J., and M. Kirschners. 1997. Cells, embryos and evolution: Toward a cellular and developmental under standing o f phenotypic variation and evolutionary adaptability. Malden, MA: Blackwell Science. This fascinating book attempts to unify the disparate fields of developmental biology and evolution. It con tains many important themes that are relevant to ani mal physiology. Haldane, J. B. S. 1985. On being the right size and other essays, J. M. Smith, ed. Oxford: Oxford University Press. This book o f the collected essays of J. B. S. Haldane in 708
cludes his famous essay on the problems of biological scaling.
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This book provides a comprehensive introduction to physics and engineering principles as applied to phys iology. B ibliografía adicional Alexander, R. M. 1985. The ideal and the feasible: Physical constraints on evolution. Biological Journal of the Linnean Society 26: 345-358. Bartholomew, G. A. 1986. The role of natural history in contem porary biology. BioScience 36: 324-329. Bennett, A. F. 1997. Adaptation and the evolution of physi ological characters. In: Handbook o f physiology: A criti
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These texts provide good overviews of the chemical and physical underpinnings o f cell biology and biochem istry. Branden, C., and J. Tooze. 1991. Introduction to protein structure. New York: Garland Science. This text is a good primer fo r understanding the factors that affect protein structure.
C a p ítu lo 3 M e ta b o lis m o y B ioquím ica Hochachka, P. W., and G. N. Somero. 2002. Biochemical adaptation. Oxford: Oxford University Press.
This book, written by two pioneers in comparative bio chemistry, explores the metabolic basis o f biological di versity. Although the focus is on animals, they also consider other organisms that exemplify biochemical strategies fo r survival in adverse environments. Kornberg, A. 1991. For the love o f enzymes: The odyssey of a biochemist. Cambridge, MA: H arvard University Press.
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Arthur Kornberg’s autobiography gives his perspective on the history of the study o f metabolic biochemistry. Nelson, D. L., and M. M. Cox. 2000. Lehninger principles of biochemistry. New York: Worth. Lehninger is one o f the standard undergraduate text books in biochemistry, with particularly good sections on metabolism and metabolic regulation.
These publications provide good background on the in teractions between energy, chemical bonds, and water. Hochachka, P. W., and G. N. Somero. 2002. Biochemical adaptation. Oxford: Oxford University Press. This book looks at how animals and other organisms alter macromolecules in relation to environmental stress. Sayre, A. 1975. Rosalind Franklin & DNA. New York: Nor
Fisiología celular Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and P. Walter. 2002. Molecular biology o f the cell. New York: G arland Science. Becker, W. M., L. J. Kleinsmith, and J. Hardin. 2002. The world o f the cell. San Francisco: Benjamin Cummings.
ton, 1975. Watson, J. 2001. The double helix: A personal account of the discovery o f the structure o f DNA. New York: Touch stone Books.
These two books present differing views of the history o f the discovery o f the structure o f DNA. B ibliografía adicional Benison, S. A., A. C. Barger, and E. L. Wolfe. 1987. Walter B. Cannon: The life and times o f a young scientist. Cam bridge, MA: H arvard University Press. Dyson, F. J. 1954. W hat is heat? Scientific American 191(3): 58-63.
These two textbooks cover the breadth o f cell and mo lecular biology, with excellent illustrations. The strength of Alberts is its comprehensive nature, while Becker is very readable. Boyer, P. D. 1997. The ATP synthase—A splendid molecular m achine. Annual Review o f Biochemistry 66 : 717-749.
This comprehensive review of the ATP synthase does an excellent job o f explaining how the enzyme works in the context o f structural models o f its function. Gerhart, J., and M. Kirschner. 1997. Cells, embryos and evolution. New York: Blackwell Science. This book discusses the nature o f evolutionary and physiological variation from the perspective of cell and developmental biology.
710 L e c tu ra s re co m e n d a d a s
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Ohno’s early book outlines his perspective on the impor tance of gene duplication in the evolution of biological di versity. More recently, in a series o f papers, a number of authors bring the field up to date, incorporating recent evidence of the role of genome duplications in origins of gene families and cellular diversity. Stein, W. D. 1990. Channels, carriers and pumps: An intro duction to membrane transport. San Diego: Academic Press.
An excellent overview o f transport and transporters. Thompson, D. W. 1961. On growth and form. Abridged edi tion edited by J. T. Bonner. Cambridge: Cambridge Uni versity Press.
The original book by Sir D’A rcy Wentworth Thompson, written in 1917, was one o f the first to examine how physiology was influenced by mathematics and physics. B ibliografía adicional Gibbs, A. G. 1998. The role of lipid physical properties in lipid barriers. American Zoologist 38: 268-279. Kinne, R. K. H., ed. 1990. Basic principles in transport. Basel, Switzerland: Karger. Maloney, P. C., and T. H. Wilson. 1985. The evolution of ion pumps. BioScience 35: 43-48. Mitic, L. L., and J. M. Anderson. 1998. Molecular architec ture of tight junctions. Annual Review of Physiology 60: 121-142. Powers, D. A., and P. M. Schulte. 1998. Evolutionary ad ap tations of gene structure and expression in n atu ral pop ulations in relation to a changing environment: A multidisciplinary approach to address the million-year saga of a small fish. Journal o f Experimental Zoology 282: 71-94.
Neeves, S. R., P. T. Ram, and R. Iyengar. 2002. G protein pathways. Science 296:1636-1639.
These reviews and others from a special issue of magazine entitled “Mapping Cellular Signaling" summarize recent advances in signal trans duction research. Science
S istem as de señalización celular McCann, S. M., ed. 1997. Endocrinology: People and ideas: An American Physiological Society book. New York: Oxford University Press.
This book contains a collection o f essays outlining the development o f concepts in endocrinology from Aristotle to the present, telling the stories o f some of the scientists involved in discovering the fundamental principles o f endocrinology. Neal, M. J. 2001. How the endocrine system works. New York: Blackwell Science.
This highly accessible book provides a review o f the function of the endocrine system in humans. Evolución de la señalización celular Kaier, D. 2001. Building a multicellular organism. Annual Review o f Genetics 35:103-123. Perovic, S., A. Krasko, I. Prokic, I. M. Muller, and W. E. G. Muller. 1999. Origin of neuronal-like receptors in metazoa: Cloning of a m etabotropic glutamate/GABA-like receptor from the m arine sponge Geodia cynodium. Cell and Tissue Research 296: 395-404. Suga, H., M. Koyanagi, D. Hoshiyama, K. Ono, N. Iwabe, KI. Kuma, and T. Miyata. 1999. Extensive gene duplica tion in the early evolution of anim als before the parazoan-eum etazoan split dem onstrated by G proteins and protein tyrosine kinases from sponge and hydra. Journal of Molecular Evolution 48: 646-653.
These papers discuss the evolution o f signal transduc tion pathways and their role in the evolution of the ear liest metazoans from a variety o f perspectives.
C a p ítu lo 4 La base b ioqu ím ica de la com unicación celular Bruener, C. W., and M. Orchinik. 2002. Beyond carrier p ro teins: Plasma binding proteins as m ediators of corticos teroid action in vertebrates. Journal of Endocrinology 175: 99-112.
This review highlights the role o f carrier proteins in the regulation o f steroid hormone activity. Cheskis, B. J. 2004. Regulation of cell signalling cascades by steroid horm ones. Journal of Cellular Biochemistry 93: 20-27. Losel, R., and M. Wehling. 2003. Nongenomic actions of steroid hormones. Nature Reviews: Molecular Cell Biol ogy 4: 46-56.
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C a p ítu lo 7 P ropiedades generales de la recepción sensorial
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El estrés y el encéfalo
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Excreción de nitró geno
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sperm from one male may be forced to outcompete sperm from another male. This paper discusses an in teresting case where the order o f copulation influences the success o f the sperm in fertilization. La reproducción de los m am íferos
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Glosario acción dinám ica específica (SDA) Calor producido durante el proceso digestivo; también conocido como incremento de calor. acetil CoA Forma activada del acetato que sirve como punto de entrada del carbono en el ciclo TCA. acetilcolina Neurotransmisor presente en muchas especies animales, en diversos tipos de neuronas, que incluyen las neu ronas motoras y los ganglios neurovegetativos de los vertebrados, acetilcolinesterasa Enzima que cataliza la descomposición de acetilcolina en colina y acetato. ácido Cuerpo químico que cede un protón (véase también basé). ácido desoxirribonucleico Véase DNA. ácido graso m onoinsaturado Ácido graso con una única unión doble, ácido graso poliinsaturado Ácido graso con dos o más uniones dobles a lo largo de la cadena de carbono, ácido graso saturado Un ácido graso que no tienen uniones dobles, ácido ribonucleico Véase RNA. ácido úrico Desecho de nitrógeno que posee cuatro átomos de nitrógeno por molécula. ácidos grasos insaturados Ácidos grasos con una o más uniones dobles, ácidos grasos volátiles Ácidos grasos de cadenas de menos de 2-6 carbonos; tam bién conocidos como cadena de ácidos grasos. acidosis Disminución en el pH que surge por la respiración (acidosis respiratoria) o el metabolismo (acidosis metabólica). acidosis m etabólica o alcalosis Disminu ción o aumento, respectivamente, en el pH de la sangre como resultado de la actividad metabólica. acidosis o alcalosis respiratoria Disminu ción o aumento del pH sanguíneo como resultado de cambios en el dióxido de carbono de la sangre (generalmente como resultado de cambios en la ventila ción). aclaram iento Véase aclaramiento renal. aclaram iento renal Eliminación de una entidad desde el plasma por el riñón, aclim atación Cambio persistente pero reversible en una función fisiológica que se produce como resultado de una alte ración en un parám etro ambiental, como la temperatura o el fotoperiodo. La acli matación se produce generalmente como resultado de la manipulación expe rimental (véase también aclim atiza ción).
aclim atización Reorganización de las fun ciones que se producen como resultado de cambios ambientales complejos, como las estaciones o la altitud (véase también aclimatación). acomodación Proceso por el cual el ojo cambia su distancia focal. La acomoda ción permite al ojo crear una imagen centrada de los objetos a diferentes dis tancias. acoplam iento excitación-contracción (o acoplam iento EC) Proceso que une la
estimulación externa de un músculo con la activación de la ATPasa de actinomiosina, que origina una contracción mus cular. acrosom a Vesícula en el esperma que con tiene enzimas digestivas que permiten a aquél penetrar las capas exteriores del óvulo. actina La actina-G es una proteína monomérica que puede polimerizarse para construir actina filamentosa (actina-F). La actina es la base de ambos microfila mentos citoesqueletales (compuesto por el isomorfo a-actina de la actina-G) y los filamentos Tin esqueléticos (compuestos por el isomorfo a-actina de la actina-G) {véase también miosina). actinom iosina Combinación de actina y miosina, unidas por un puente cruzado, acuaporina Extenso canal tetramérico que permite el paso de agua a través de la membrana plasmática, adaptación En fisiología se utiliza en dos contextos: (1) un cambio en la estructura de una población como resultado de la selección natural, (2) un cambio rever sible en un parám etro fisiológico que proporciona respuesta a un cambio ambiental. Los fisiólogos evolucionistas y comparativos prefieren utilizar sólo la prim era definición, adaptación del receptor Proceso por el cual las células receptoras sensitivas se vuelven menos sensibles a las señales sensoriales a medida que la duración de la señal aumenta, adaptación homeoviscosa Proceso en el que las células alteran la composición de las membranas celulares para asegurar que la fluidez permanezca constante y compensar los efectos de un cambio en el entorno exterior, adaptación sensorial Véase adaptación del receptor.
adenilato ciclasa (adenilil ciclasa) Enzi m a que convierte ATP en AMP cíclico, adenina Componente de base nitrogenada purina de los nucleótidos, incluidos los ácidos nucleicos, adenohipófisis Lóbulo anterior de la hipó fisis de los vertebrados, que segrega hor monas trópicas, adenosina Nucleósido compuesto de ade nina y de dexorribosa (azúcar), impor tante como molécula de señalización. ADP Véase difosfato de adenosina. adrenorreceptores Véase receptores adre nérgicos.
aerobio Que ocurre en presencia de oxí geno o depende de ella, aferente Que conduce hacia una región de interés (véase también eferente). afinidad Medida del grado de atracción entre un ligando y una molécula que une al ligando (véase también Km). agente generador de núcleos de hielo Mo lécula o partícula que inicia la formación de hielo a una temperatura por debajo del congelamiento, aglom erular Forma derivada del riñón, con túbulos carentes de glomérulos, que se encuentra en muchas líneas de peces marinos. agonista Sustancia que se une a un recep tor e inicia un suceso de señalización. Puede incluir el ligando endógeno natu
ral, así como también los agentes farma céuticos que imitan la sustancia natural, agua m etabólica Agua producida por la descomposición metabólica de las macromoléculas. agua preform ada Agua que llega a la dieta como un líquido o atrapada dentro de alimentos sólidos; diferente del agua metabólica que se produce durante la digestión de alimentos, agua salobre Agua intermedia entre agua dulce y agua salada; generalmente se encuentra en estuarios, salinas o estan ques aislados, aislam iento Capa externa o superficial de m aterial que reduce la pérdida de calor desde el animal al ambiente, como piel, plumas y grasa, alantoína Intermediario en la descomposi ción de nucleótidos y en la síntesis de ácido úrico; una forma importante de desecho de nitrógeno para algunos ani males. alato sta tin a Hormona neuropéptida en los artrópodos que inhibe la secreción de hormonas juveniles del cuerpo alado. alato tro p in a Hormona neuropéptida en los artrópodos que estimula al cuerpo alado para segregar hormonas juve niles. album en Proteína que se encuentra en los huevos y protege al embrión, albúm ina Globulina de unión (proteína transportadora) y principal proteína del plasma de los vertebrados, que contri buye enormemente a la presión osmó tica sanguínea, alcaloides Grupo de compuestos extraí dos de los vegetales que poseen efectos farmacológicos en los animales, alcalosis Condición de ser alcalino (véase también alcalosis metabólica, alcalosis respiratoria).
alcance aerobio Proporción entre el índice metabólico aerobio máximo y el metabo lismo basal, generalmente en un rango de 3 a 10. aldosterona Hormona mineralocorticosteroide segregada por la corteza suprarre nal. Su principal función es alterar los niveles de Na+ y K+ en la orina, y afecta secundariamente al trasporte de agua, alelos Formas diferentes de la misma pro teína codificadas por el mismo gen pero que difieren ligeramente en la secuencia primaria. almacenamiento de energía elástica Ener gía almacenada en un objeto deformado, liberada cuando el objeto recobra su configuración relajada, aloenzim a Variante alélica de una enzima, alom etría (o escalam iento alométrico) Patrón observado al com parar los pará metros funcionales o estructurales en relación con el tamaño del cuerpo, alveolos Sitio de intercambio de gases en los pulmones de los mamíferos, am biente Condiciones externas o ambien tales, como la tem peratura ambiente, am ilasa Enzima que descompone el almi dón (amilasa, amilopectina). am ina Clase de moléculas basada en el amoniaco, con un grupo secundario que sustituye al menos un átomo N. am ina biogénica Clase de neurotransmiso725
726 G lo sario
res derivados de los aminoácidos que incluye las catecolaminas y dopaminas. am inoácidos Moléculas orgánicas que con tienen al menos un grupo amino y un grupo carbonilo. Los aminoácidos utili zados para construir proteínas son los aaminoácidos. am oniaco Término general que incluye NH3 y NH4+ (amonio), neurotoxinas potentes. am oniotélicos Estrategia excretora en la que más de la mitad del nitrógeno es excretado como amoniaco (véase tam bién ureotélico, uricotélico). am ortiguador Sustancias químicas que, al añadirse a una solución, confieren a ésta la capacidad de resistir los cambios en el pH cuando se le agrega ácido o base. AMP cíclico (AMPc) Monofosfato de adenosina cíclico formado por la acción de la adenilato ciclasa, un segundo mensa jero que activa la proteinquinasa A. AMPc (AMP cíclico) Segundo mensajero producido por la adenilato ciclasa, la acción más importante es la estimula ción de la protein quinasa A. amplificación Incremento exponencial en la actividad de un paso de una ruta al siguiente, comúnmente utilizado en el contexto de vías de transducción de señales. anádrom o Estrategia de vida de un animal que pasa la mayor parte de su vida en el mar, regresando al agua dulce para reproducirse (véase también catá
dromo).
anaerobio Sin oxígeno. Que pertenece a un ambiente sin oxígeno, o ruta que se pro duce en ausencia de oxígeno (véase tam bién aerobio). anastom osis Convergencia de dos o más ram as de una estructura tubular, por ejemplo, una conexión directa entre dos arterias en el sistema circulatorio, andrógenos Hormonas esteroides relacio nadas estructuralmente con la testoste rona que controlan las características masculinas, anem ia Afección en la que el número de eritrocitos o hemoglobina en la sangre es menor de lo normal, antipático Molécula con porciones tanto hidrofóbicas como hidrofílicas. angiogenia Síntesis de los vasos sanguí neos nuevos, generalmente en respuesta a la hipoxia local, angiotensina Hormona péptida que controla la presión sanguínea. Su precursor es el angiotensinógeno, que es escindido por la renina para formar la angiotensina I. Este decapéptido es escindido a la forma final, angiotensina II, un octapéptido. an h id rasa carbónica (CA) Enzima que cataliza la conversión del dióxido de car bono y agua a bicarbonato y protones, anim al genom anipulado Animal que ha sido sujeto a manipulación genética, lo que conduce a la incapacidad para ex presar un gen nativo, anim al transgénico Animal que ha sido genéticamente modificado para tener una mutación heredable, anión Ion con carga negativa, ano Esfínter a través del cual las heces salen del tracto gastrointestinal, anóxico Véase anaerobio.
antagonista Sustancia que se une a un receptor pero no estimula un suceso de señalización. Los antagonistas interfie ren en la unión del ligando natural, antidiurético Sustancia que induce una reducción en el volumen de la orina, antígeno Sustancia, generalmente una pro teína, que induce la formación de un anti cuerpo que se puede unir al antígeno. ao rta Arteria principal que sale del cora zón. apagam iento Decoloración de un fotopigmento que sigue a la absorción de ener gía de los fotones. En el caso de la opsina-retinal, la absorción de energía de la luz hace que la retina se desasocie de la opsina. La opsina no es pigmen tada, y por lo tanto el fotopigmento pier de su color, ap arato de Golgi Orgánulo celular involu crado en el procesamiento de proteínas antes de ser exportadas, ap arato vestibular Órgano de equilibrio en los vertebrados, ap arato yuxtaglom erular Grupo de célu las ubicadas cerca del túbulo distal y de las arteriolas aferentes glomerulares. apical Extremo de la estructura opuesta a la base, apnea Periodo sin respirar, apocrina Tipo de secreción por donde la célula derram a la región apical de la membrana plasmática como parte de una vía de señalización, apoenzim a Parte proteica de una enzima, arco reflejo Circuito neuronal simple que no involucra los centros conscientes del encéfalo. arginina fosfato Gran fosfágeno en los invertebrados, que cumple la misma fun ción que la creatina fosfato en los verte brados. arom atasa Véase citocromo P450 aromatasa. arte ria Vaso sanguíneo que transporta sangre desde el corazón, arte ria coronaria Arteria que provee san gre al corazón de los vertebrados, arteriola Pequeña ram a de la red arterial inmediatamente después de los lechos capilares (véase vénula). asa de Henle Región del túbulo del riñón de los mamíferos que conecta los túbulos próximo y distal; central para la produc ción de orina hiperosmótica. asim ilación Transformación de los nutrientes del régimen alimenticio en combustibles metabolizables. asta dorsal Región de m ateria gris dentro de la médula espinal ubicada en el lado dorsal. astrocitos Neurogliocitos de los vertebra dos que ayudan a m antener y regular la acción de las neuronas en el sistema ner vioso central. ATP Véase trifosfato de adenosina. ATPasa Clase de proteínas, incluidas las enzimas y los transportadores, que aso cian la hidrólisis de ATP a un proceso mecánico o químico. ATPS Condición de referencia normalizada para m edir volúmenes de gas: tempera tura ambiente, presión y saturado con agua. atresia Muerte celular program ada (apoptosis) de folículos diferentes del folículo
dominante que m adura durante el ciclo ovulatorio. atrofia Pérdida de masa de tejido como resultado de células que mueren, gene ralmente vista en el músculo locomotor como respuesta a periodos prolongados de inactividad, aurícula Una de las cavidades del corazón. La sangre pasa de la aurícula al ventrí culo. autocrina Tipo de señalización de célula en que una única célula envía señales a otra célula del mismo tipo, incluyéndose a sí misma. autótrofo Organismo que sintetiza sus pro pios nutrientes a partir de material inor gánico, utilizando la energía del sol (fotoautótrofo) o las reacciones inorgáni cas (quimioautótrofos). axón Proyección del soma de una neurona involucrada en el transporte de informa ción, generalmente en la forma de poten ciales de acción, desde el soma al axón terminal. axón gigante Axones con un diámetro extraordinariamente grande que están presentes en algunos invertebrados y vertebrados, axonem a Estructura basada en el microtú bulo que está por debajo de los flagelos y los cilios. balsas de lípidos Región engrosada de la m em brana plasmática; a menudo acu mula colesterol, fosfolípidos con ácidos grasos de cadena larga y proteínas con dominios transm em brana largos. banda-A (o banda anisotrópica) Región de los músculos sarcómeros donde los filamentos delgados se superponen con los filamentos gruesos. ban d a-I (b an d a isotrópica) Región de un sarcóm ero m uscular donde los fila m entos delgados que abarcan un disco Z no se solapan con el filamento grueso. b aro rrecep to r Receptor que detecta la pre sión (detectando el estiramiento resul tante en la m em brana celular), b a rre ra hem atoencefálica Barrera de protección especializada constituida por neurogliocitos que separan el sistema circulatorio y el sistema nervioso central en los vertebrados, base Molécula que acepta un protón, o de lo contrario produce una reducción en la concentración de protones a través de efectos en la disociación del agua, bastón Tipo de célula fotorreceptora de los vertebrados. En los mamíferos, los bas tones son los encargados de la visión en luz tenue (véase cono). bicapa lípidica Modelo de una membrana plasmática en el cual las fases hidrofóbi cas de dos capas únicas de fosfolípidos están asociadas, bilis Líquido espeso, de color amarilloverdoso, compuesto de sales, pigmentos y lípidos producidos por el riñón y almace nados por la vesícula biliar. Al ser li berado dentro del intestino delgado neutraliza los ácidos gástricos y ayuda a la digestión de los nutrientes, particular mente de los lípidos. bioluminiscencia Producción de luz por organismos vivos.
G lo sa rio
blastocele Cavidad formada por el embolsamiento del blastocisto, que forma finalmente el canal alimentario, blastocisto Esfera hueca de las células que se forma en las primeras etapas del de sarrollo embrionario, bolo Volumen de material introducido en un sistema a través de flujo que se mueve por el sistema como una unidad, con alguna dispersión por el camino. Gene ralmente se utiliza en el contexto de bolo alimenticio que se mueve a través del tracto gastrointestinal, bomba de sodio-potasio Véase Na+/K + ATPasa.
bombesina Hormona que regula la libera ción de las hormonas gastrointestinales y controla la motilidad gastrointestinal en los vertebrados, botones gustativos Estructura involucrada en el gusto de los vertebrados, bradicardia de inm ersión Reducción en la frecuencia cardiaca como resultado de la inmersión en animales que respiran aire, bradicardia Frecuencia cardiaca más lenta de lo normal, branquial Relativo a las branquias, branquias Superficies respiratorias que se originan como bolsillos externos de la superficie corporal, generalmente utili zadas para el intercambio gaseoso en el agua. branquias en libro Superficies respirato rias de los quelicerados que respiran en el agua como los cangrejos de herra dura. brazos de dineína Proteínas motoras que se extienden desde los microtúbulos en los axonemas de cilias y flagelos, bronquiolos Ramas más pequeñas de las vías respiratorias de los pulmones de los mamíferos, que conducen a los alveolos terminales, bronquios Vías respiratorias de los pulmo nes que conducen desde la tráquea a los bronquiolos. BTPS Condiciones de referencia estandari zadas para medir volúmenes de gas: tem peratura ambiente, presión atmosfé rica y saturado con agua, bucle de retroalim entación negativa Me canismo regulador por el cual un paso posterior en una vía produce la disminu ción de la actividad de un paso anterior en la vía para reducir el flujo a lo largo de ésta. bucle de retroalim entación positiva Me canismo regulador por el cual un paso posterior en una vía causa el aumento de la actividad de un paso anterior de la vía p ara aum entar el flujo a lo largo de dicha vía. bucle de trabajo Método utilizado para evaluar si un músculo está realizando un trabajo positivo o negativo, bulbo arterioso Tracto del flujo saliente del corazón en peces osteíctios, no muscula res y elásticos (véase también cono arte rioso).
bulbo olfativo Parte del prosencéfalo de los vertebrados que está involucrada en el procesamiento de las sensaciones olfati vas. bulbo raquídeo Región del tronco encefá lico de los vertebrados que contiene cen tros que regulan la frecuencia cardiaca,
la profundidad y frecuencia de la respi ración y la presión sanguínea. cadena ligera de la miosina Proteína que une la miosina proteica motora II, regu lando su estructura o función, cadena pesada de la miosina Proteína motora que interactúa con la actina. cadena respiratoria Véase sistema de transporte de electrones.
caldesmon Proteína transportadora de cal cio importante en la regulación de la contractilidad del músculo liso, calmodulina Proteína involucrada en la percepción de calcio en muchas vías de transducción de señales, calor Energía cinética asociada con el movimiento de átomos y moléculas, calor de vaporización Calor necesario para hacer que un líquido se vuelva gaseoso, expresado como unidad de masa, caloría Unidad de calor equivalente a 4,2 julios; la literatura nutritional se refiere a la unidad Caloría, que equivale a 1.000 calorías. La unidad de calor requerida para elevar 1 g de agua a 1 atm por 1 °C. calorim etría directa Medida de produc ción de calor; en el contexto de la fisiolo gía animal, la medida del índice metabólico. calorim etría Medida de la producción de calor como indicador del índice metabó lico. calsecuestrina Proteína transportadora de calcio que permite a un músculo concen trar Ca2+ dentro del retículo sarcoplas mático. campo receptivo Área del cuerpo que, cuando es estimulada por un estímulo sensorial entrante, afecta a la actividad de una neurona sensitiva, canal Proteína transportadora que facilita el movimiento de iones o moléculas específi cas a través de una membrana celular por el gradiente electromecánico, canal de fuga Canal iónico pasivo en la m em brana celular que permite el movi miento de iones por sus gradientes de concentración, canal iónico dependiente de ligando Ca nal iónico que se abre o cierra en res puesta a la unión de una sustancia química específica, canale iónico dependientes de voltaje Pro teína de la membrana que contiene un poro acuoso que puede abrirse en res puesta a los cambios en el potencial de membrana, canal m ecanodependiente Canal de iones que se abre o cierra en respuesta a la tensión (o elasticidad) de la membrana, canales sem icirculares Estructuras del oído interno responsables del sentido del equilibrio y la orientación corporal. Par te del aparato vestibular, capa de hidratación Cubierta de agua uni da a la superficie de un ion o molécula, capa límite Región de una solución que se encuentra en contacto directo o que se ve influida de otro modo por una superficie, generalmente llamada capa no agitada, capacidad de calor Cantidad de energía térmica requerida para aum entar la tem peratura de 1 g de sustancia en 1 °C. capacidad pulm onar to tal Volumen de aire en los pulmones al final de una ins
piración máxima; cantidad máxima de aire que puede retenerse en los pulmo nes. capacidad tran sp o rtad o ra oxígeno Canti dad máxima de oxígeno que la sangre puede transportar. Incluye tanto el oxí geno disuelto como el oxígeno unido a pigmentos respiratorios, capacidad vital Cantidad máxima del me dio respiratorio que puede moverse den tro o fuera de los sistemas respiratorios con cada respiración, capacitación Paso en la maduración experi mentado por el esperma tras encontrarse con los líquidos del tracto reproductor femenino. capilar Vasos sanguíneos más pequeños en un sistema circulatorio cerrado; el sitio de intercambio de materiales con los teji dos. cápsula de Bowman Expansión del túbulo renal de los vertebrados con forma de copa; rodea al glomérulo. caracol Estructura espiral en el oído interno de los mamíferos contiene los órganos de la audición. Menos elaborada, pero pre sente en las aves como el conducto coclear. Derivada de la lagena de otros vertebrados, c a rb a m in o h e m o g lo b in a H em oglobina unida al dióxido de carbono, carbohidrato Grupo de moléculas orgáni cas que comparten un predominio de grupos hidroxilos (véanse también disacárido, monosacárido y polisacárido). carboxihem oglobina Hemoglobina unida al dióxido de carbono, cardiomiocito Célula muscular que se en cuentra en el corazón, cardiorregulador (célula cardiorregula dora) Célula excitable que espontánea mente activa potenciales de acción en patrones rítmicos, cardiorregulador ectópico Cardiorregula dor en una ubicación anormal, ca rre ra de trabajo Parte de un ciclo de puente cruzado en el cual los cambios estructurales en la miosina alteran la posición relativa del filamento de actina. cartílago En los vertebrados, estructura semisólida compuesta por la matriz ex tracelular de los condrocitos: el compo nente principal del esqueleto de los condrictios, importante en otros verte brados como amortiguación entre las articulaciones, catádrom o Estrategia de la vida de un pez (p. ej., la anguila) en la que el adulto migra desde al agua dulce al agua salada para reproducirse (véase también anádromo).
catálisis Progresión de una reacción quí mica que procede con la ayuda de un catalizador, catalizador Molécula que acelera las reac ciones químicas pero que no cambia en el proceso. catecolam inas Aminas biógenas epinefrina y norepinefrina. catión Ion con carga positiva, caudal Ubicación cerca de la parte poste rior de un animal, causa final Causa por la que un organismo presenta una estructura, función o com portamiento particular; suele involucrar la comprensión de las ventajas evoluti
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vas de los rasgos (véase causa inme diata).
causa inm ediata Causa directa de una estructura, función o comportamiento del organismo; generalmente se refiere al mecanismo fisiológico o de desarrollo (véase causa fundamental).
cavidad bucal Cavidad de la boca, cavidad del m anto Cavidad formada por la pared corporal (manto) de los moluscos; suele contener las estructuras respirato rias. cefálico Hacia la parte anterior de un ani mal. cefalización Tendencia evolutiva hacia la centralización de las funciones nerviosa y sensorial en el extremo anterior del cuerpo (en la cabeza), celoma Compartimento interno de los ani males celomados que se forma entre dos capas de mesodermo. célula de cloruro Célula bombeadora de iones del epitelio de las branquias de los peces (también llamada célula rica en mitocondrias). célula de ganglio Interneurona en la retina de los vertebrados, célula de Leydig Célula productora de tes tosterona intercalada en el intersticio de los testículos, célula de Schwann Tipo de neurogliocito de los vertebrados que forma la vaina de mielina alrededor de los axones en el sis tema nervioso periférico, célula excitable Célula que es capaz de producir una acción potencial, célula germ inativa Célula que produce los gametos haploides de las especies que se reproducen sexualmente. célula m adre totipotente Célula embriónica que tiene la capacidad de diferen ciar en todos los tipos de célula la información de señalización correspon diente de la célula, célula n eurosecretora Neuronas que pro ducen y secretan neurohormonas en la sangre, generalmente en una región lla m ada órgano neurohemático. célula pilosa Células sensitivas ciliadas de los vertebrados que reaccionan a estímu los mecánicos (particularmente a las vibraciones). Son la base de los sentidos de la audición y el equilibrio y de los siste mas de línea lateral de los peces y anfi bios. célula postsináptica Célula (una neurona o un efector) que recibe una señal de una célula presináptica a través de una sinap sis. célula p resináptica Neurona que trans mite una señal a una célula postsináptica a través de una sinapsis. célula principal Célula secretora del epite lio gástrico que libera pepsina, célula rica en mitocondrias Generalmente se refiere a las células epiteliales especiali zadas en el bombeo de iones, que poseen abundantes mitocondrias para satisfacer las demandas de energía del transporte activo (véase célula de cloruró). células caliciformes Células con forma de cáliz que secretan mucosa, que se encuentran en las superficies intestinal y respiratoria, células de Sertoli Células alargadas en los túbulos seminíferos de los testículos que
nutren las espermátidas durante la espermatogenia, células granulares Véase células yuxta glomerulares.
células granulosas Capa interior de las células somáticas de un folículo que rodean al ovocito primario, células m ucosas Células que segregan un complejo mucopolisacárido en la super ficie de un tejido; las células calciformes son un tipo de células mucosas que se encuentran en las superficies intestina les y respiratorias, células parietales Células secretoras de ácido dentro de la m em brana de mucosa gástrica. células pilosas externas Uno de los dos tipos de células pilosas encontradas en el órgano de Corti en el oído interno de los mamíferos; involucrado en la amplifica ción de los sonidos y en la protección de las células pilosas internas de los soni dos fuertes, células pilosas internas Uno de los dos tipos de células pilosas encontradas en el órgano de Corti en el oído interno de los mamíferos; involucrado en el sentido de la audición (véase también células pilo sas externas).
células satélite Población de células madre omnipotentes que se encuentran en la superficie del músculo estriado. Cuando son estimuladas, las células satélite entran en miogenia para reparar o reem plazar músculo, células teca Capa exterior de las células somáticas que rodean al folículo, separa das de la célula granulosa interna por una lámina basal, células yuxtaglom erulares Células secre toras de las arteriolas glomerulares afe rentes que responden a la presión sanguínea baja secretando renina (tam bién conocidas como células granulares), celulosa Polímero glucoso que cumple un papel estructural en las plantas, no dige rible por muchos animales sin la ayuda de simbiontes, centro organizador de microtúbulos (MTOC) Complejo multiproteico cerca del centro de la célula desde donde cre cen los microtúbulos. centros cardiovasculares m edulares Re gión dentro de la médula que regula la función cardiaca, centros respiratorios m edulares Región dentro de la médula que regula la profun didad y la frecuencia de la respiración, cerebelo Parte del rombencéfalo de los ver tebrados que se encarga de mantener el equilibrio y la coordinación los movi mientos voluntarios de los músculos, cerebro Parte más grande del prosencéfalo de los mamíferos, cetogenia Producción de cuerpos cetónicos. cctolisis Descomposición de cuerpos cetó nicos para formar acetil CoA. chaperonas m oleculares Proteína que uti liza la energía de la hidrólisis de ATP para ayudar a plegar o estabilizar proteí nas desnaturalizadas; incluye las proteí nas de choque térmico, ciclo de Krebs Véase ciclo del TCA. ciclo de la ornitina-irea Vía por la cual se produce la urea a partir del nitrógeno que surge del amoniaco o la glutamina.
ciclo de trabajo En el movimiento citoesqueletal, la proporción de tiempo en un ciclo de puente cruzado en que una pro teína motora une su tracto citoesqueletal. ciclo del ácido cítrico Véase ciclo del ácido tricarboxílico.
ciclo del ácido tricarboxílico Vía mitocon drial cíclica que oxida acetil CoA para formar 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP; la vía que produce la mayor parte del C02 que surge del metabolismo, ciclo del TCA (ciclo del ácido tricarboxí lico) Ciclo utilizado para convertir la energía química del acetil CoA en equiva lentes de reducción (3 NADH, 1 FADH2) y que produce C02; los intermediarios de la vía también se utilizan para abastecer otras vías (anapleurosis). También cono cido como ciclo de Krebs. ciclo estru al Ciclo reproductor compuesto de cuatro fases: proestro, estro, metaestro y diestro, ciclo m enstrual Ciclo estrual de los hum a nos y otros primates, cilios Extensiones de una célula basadas en microtúbulos que se mueven de manera ondulante. cinesina Proteína motora asociada con los microtúbulos (véase también dineína). cisterna term inal Ampliación del retículo sarcoplasmático cerca de la membrana plasmática del músculo, específicamente los túbulos T. citocromo P450 aro m atasa Enzima en el metabolismo de los esteroides que con vierten los andrógenos en estrógenos. citocromos Metaloproteínas producidas por porfirinas que son pertinentes para muchas reacciones enzimáticas, entre las que se encuentran la cadena de transporte de electrones mitocondriales (citocromos a, a3, b, c) y enzimas del citocromo P450. citoesqueleto Red de proteínas intracelula res de los microtúbulos, microfilamentos y filamentos inmediatos, citoplasm a Interior soluble y particulado de la célula, excluyendo el núcleo, citoquinas Hormonas que provocan la divi sión de células, citosina Nucleósido compuesto de citidina y azúcar ribosa. citosol Porción del líquido del citoplasma, también conocido como líquido intrace lular. clatrina Proteína con forma de trisquelión (de tres patas) que recubre algunos tipos de vesículas; la formación de vesículas comienza con una cavidad recubierta por clatrina que aum enta para formar una vesícula recubierta de clatrina. cloaca Porción distal del intestino posterior en algunos peces, anfibios, aves y repti les; en estas especies los productos ex cretores y reproductores son emitidos hacia la cloaca y abandonan el cuerpo a través de una abertura simple, clorocruorina Tipo de hemoglobina que se encuentra en algunos anélidos, conocida como hemoglobina verde, cociente respiratorio (RQ) La relación entre el C02 producido y el O, consu mido; indicativo del tipo de fuel que se está utilizando. Un RQ de 0,7 indica que los ácidos grasos son el combustible,
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mientras que un CR de 1,0 sugiere que se están oxidando los carbohidratos, coeficiente de difusión Parámetro que refleja la capacidad de un ion o molécula para propagarse, coeficiente de tem peratura Véase Q10. coenzima Cofactores orgánicos, coenzima A Coenzima derivada del ácido pantoténico de la vitamina, cofactor Componentes no proteicos de enzimas, incluidos los metales, las coen zimas y los grupos prostéticos, coito Relación sexual, colágeno Proteína trimérica que se encuen tra en la matriz extracelular. Interactúa con otras moléculas de colágeno para for m ar fibras rígidas o láminas duraderas, colesterol Compuesto esteroide producido por las unidades de isopreno, presente en las membranas celulares, y que actúa como precursor para hormonas esteroi des. colon Parte del intestino grueso, principal mente responsable de la reabsorción de agua. complejo de preBótzinger Generador de ritmo respiratorio primario de los mamí feros. complejo pineal Se compone de la glándula pineal y estructuras relacionadas; involu crado en la secreción de melatonina y el establecimiento de ritmos circadianos. complejo QRS Una de las formas de onda de un electrocardiograma; representa la despolarización de los ventrículos, com puerta de activación Una de las dos puertas que abren y cierran los canales de sodio regulados por voltaje (véase también compuerta de inactivación). com puerta de inactivación Una de las dos puertas que abren y cierran los canales de socio regulados por voltaje, condiciones regulares Condiciones exter nas aceptadas bajo las cuales se evalúan los parám etros físicos; se pueden referir a presión, temperatura, concentración u otros parám etros similares, condrocitos Células que producen cartílago, conducción Transferencia de calor de un objeto a otro objeto o a un líquido, conducción electrónica Conducción a tra vés de potenciales clasificados, conducción saltatoria Modo de conduc ción de los potenciales de acción en axo nes mielinados en el cual los potenciales de acción parecen saltar de un nódulo de Ranvier al siguiente, conductancia térm ica Transferencia de energía térmica en el interior de un objeto o de un objeto al otro, conducto deferente Conducto a través del cual el esperm a es transportado desde los sitios de síntesis en el epidídimo a la salida eyaculatoria. conformador de oxígeno Animal que pre senta un ritmo respiratorio que se ra lentiza cuando la presión de oxígeno disminuye. conform ista Estrategia donde las propie dades fisicoquímicas de un animal (p. ej., tem peratura y osmolaridad) son seme jantes a las del entorno, cono Tipo de célula fotorreceptora de los vertebrados (véase también varillas). Los conos son generalmente responsa bles de la visión en colores con luz clara.
cono arterioso Tracto de desagüe del ven trículo del corazón en los elasmobran quios, peces pulmonados y anfibios, musculares y con válvula (véase también bulbo arterioso).
conservación del Km Patrón en el que las enzimas de diferentes animales compar ten Km similares al ser evaluadas en con diciones que se aproximan a las que se producen en el animal, constante de afinidad (o K m) Véase cons tante de Michaelis.
constante de disociación (Afd) Medida de la tendencia de un complejo a disociarse en componentes; se calcula como la relación del producto de las concentra ciones de los componentes disociados con la concentración del complejo una vez que la reacción alcanza el equilibrio (p. ej., para la reacción AB A + B, Kd = [A][B]/[AB]). constante de equilibrio Cfifeq) índice de acción de masas de una reacción quí mica cuando la reacción está en equili brio. constante de Michaelis (jfiTm) Concentra ción de sustrato que genera la mitad de la velocidad máxima en una reacción enzimática. constante del índice catalítico (A:cat) Nú mero de reacciones catalizadas por una única molécula de enzima por segundo, constante del índice Factor que permite la predicción de un índice enzimático en función de la concentración de los sus tratos. constitutivo Generalmente describe un gen para una proteína que se expresa en niveles constantes independientemente de las condiciones; puede aplicarse a la proteína misma, como en “enzima cons titutiva”. consumo excesivo de oxígeno posterior al ejercicio (EPOC) Periodo de índice me tabólico elevado que se cree que es nece sario para permitir que el músculo se recupere de las alteraciones iónicas y metabólicas originadas como resultado del ejercicio intenso, contracción de alargam iento Tipo de con tracción muscular en el cual fuerzas externas alargan el músculo mientras se genera fuerza, contracción isom étrica Contracción mus cular que ocasiona la producción de fuerza sin cambiar la longitud, contracción isotónica Contracción muscu lar que ocasiona el acortamiento sin pro ducir fuerza, c o n tratran sp o rte (o intercam biador) Proteína de transporte que intercambia un ion (o molécula) por otro ion (o molé cula) sobre el lado opuesto de la mem brana. convección Circulación de líquido impul sada por los gradientes de temperatura; un caso especial de flujo global, convergencia Patrón en una vía neural en la cual varias neuronas presinápticas forman sinapsis con una única neurona postsináptica. cooperatividad Fenómeno demostrado por proteínas multiméricas en el que la unión de un ligando a una subunidad de proteína aum enta la posibilidad de unirse a otras subunidades. Se ve en las
hemoglobinas de la sangre de los verte brados. corazón Estructura muscular de bombeo, corazón linfático Estructuras de bombeo del sistema linfático, presentes sólo en algunos vertebrados (incluidos peces, anfibios y reptiles), corión Capa exterior de la proteína del huevo de un insecto, la m em brana ex terna del óvulo de un vertebrado, córnea Superficie exterior de un ojo. La córnea del omatidio de los insectos y los ojos de los vertebrados son estructuras análogas pero no homologas, corpúsculo de Pacini Tipo de mecanorreceptor de la piel de los vertebrados, corteza Superficie o capa externa de un ór gano (p. ej., la corteza del riñón, la cor teza cerebral, el hueso cortical), corteza cereb ral Superficie externa del cerebro de los vertebrados, corteza visual Parte del encéfalo de los vertebrados encargada de procesar se ñales visuales, cotransportador unidireccional Portador que lleva dos o más entidades a través de la membrana celular en la misma direc ción; también conocido simplemente co mo cotransportador. cotransportador Véase cotransportador uni direccional.
creatin a fosfato Compuesto de fosfato de alta energía utilizado para almacenar energía y facilitar su transferencia desde los sitios de producción de energía (mito condrias) a los sitios de utilización, como las miofribrillas. cresta Membrana interna convoluta de las mitocondrias. cripta de Lieberkühn Cavidad en la base de las vellosidades intestinales, criptobiosis Estado letárgico en el que un animal experimenta una grave (pero reversible) depresión metabólica duran te condiciones adversas, crisálida Etapa de desarrollo en insectos hemimetabólicos que separa la larva del adulto; puede incluir un periodo de latencia. cristalino Objeto transparente que puede refractar la luz. En el ojo, el cristalino dobla los rayos de luz entrantes, ayu dando a formar una imagen enfocada en la retina. cromóforo Molécula capaz de absorber luz. En fotorrecepción, el cromóforo absorbe la energía de los fotones entrantes y experi menta un cambio conformacional, que envía una señal a una proteína G asociada, en el primer paso de la fototransducción. cromosoma Polímero simple y adyacente de DNA que se encuentra dentro del genoma. cuerpo alado Órgano neurohemático apa reado en artrópodos que segrega hormo nas juveniles, cuerpo aórtico Estructura sensorial ubicada en la aorta de los vertebrados que contiene barorreceptores y quimiorreceptores. cuerpo cardiaco Órgano neurohemático apareado en artrópodos que segrega hor monas adipocinéticas. cuerpo carotídeo Estructura ubicada en la arteria carótida que conduce a la cabeza de los vertebrados, contiene barorrecep tores y quimiorreceptores.
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cuerpo ciliar Parte del ojo de los vertebra dos que segrega el humor acuoso, cuerpo luteínico Remanentes de los folícu los ováricos de los mamíferos que crecen en tamaño y se convierten en órganos endocrinos que segregan hormonas para m antener el desarrollo embrionario, cuerpos cetónicos Sustancias como la ace tona, acetoacetato y p-hidroxibutirato y otros productos derivados del acetil CoA; producidos por la oxidación de los ácidos grasos bajo condiciones de privación de comida. curva de disociación de oxígeno Véase cur va de equilibrio de oxígeno.
curva de equilibrio de oxígeno Curva que m uestra la relación entre Po2y la satura ción de oxígeno de la sangre que con tiene un pigmento respiratorio, curva de fuerza Relación entre la veloci dad del acortamiento del músculo y la fuerza de contracción, curva de Starling Véase mecanismo de Frank-Starling.
cutícula Capa exterior del exoesqueleto de los artrópodos, compuesto de quitina y proteínas. defecación Expulsión de heces, déficit calórico Condición en la que la energía derivada de la dieta es menor que el gasto energético, lo que provoca la pérdida neta de energía del animal, den d rita Extensiones ramificadas de un soma neuronal que transporta señales hacia el soma, dendrítico Patrón de ramificación en árbol, depresión m etabólica Reducción en el índice metabólico por debajo de los nive les de reposo, asociado con un periodo de letargo. depresión sináptica Disminución en la libe ración del neurotransmisor como res puesta a potenciales de acción repetidos, desacoplam iento (de fosforilación oxida tiva) Cuando la respiración mitocon drial continúa sin la producción de ATP. desanim ación Extracción de un grupo amino de una molécula, generalmente un aminoácido, deshidrogenasa Clase de enzimas que implica el intercambio de electrones entre un sustrato y un producto, desmosoma Tipo de unión entre células común en los tejidos epiteliales, desnaturalización Pérdida de la estructura tridimensional (desdoblada) de una macromolécula compleja, como por ejemplo una proteína o ácido nucleico, desoxihemoglobina Hemoglobina que no está unida a oxígeno, desplazam iento de cloruros Intercambio de cloruro y bicarbonato a través de la membrana de eritrocitos, desplazam iento unitario Distancia que recorre una simple proteína motora durante un ciclo de puente cruzado, despolarización Cambio en el potencial de membrana de una célula desde su nor malmente negativo potencial de mem brana en reposo a un valor más positivo; incremento relativo en la carga positiva en el interior de la membrana de la célula. desviación genética Cambio en las fre cuencias genéticas en una población con
el paso del tiempo como resultado de sucesos aleatorios, deuda de oxígeno Véase consumo excesivo de oxígeno posterior a l ejercicio.
diabetes sacarina Enfermedad metabólica que implica defectos en la secreción de insulina o en la transducción de señales, que conlleva una regulación anormal de la glucosa sanguínea. Existen dos tipos principales de diabetes sacarina: depen diente de insulina (Tipo I) y no depen diente de insulina (Tipo II). diacilglicerol (DAG, o diglicérido) Se gundo mensajero del sistema de señali zación de fosfatidilinositol. diafragm a Grupo de músculos laminados que separan las cavidades torácica y abdominal en los mamíferos, diástole Porción del ciclo cardiaco en la cual el corazón está relajado, difosfato de adcnosina (ADP) Nucleótido compuesto por el nucleósido de adenina con dos grupos fosfatos, con una única unión fosfodiéster de alta energía, difusión Movimiento neto de una molécula a lo largo del espacio disponible desde un área de alta concentración hacia un área de baja concentración, difusión facilitada Modo de transporte en el cual una proteína permite que una entidad, de otra manera impermeable, cruce una membrana por su gradiente electroquímico, difusión pasiva Tipo de transporte pasivo que no requiere un transportador de pro teínas. digestión Descomposición de nutrientes en el tracto gastrointestinal, digestión extracelular Descomposición de nutrientes en el exterior de la célula que resulta de la secreción de las enzimas digestivas. dím ero Combinación de dos monómeros, generalmente en el contexto de la estruc tura de proteínas. Un homodímero tiene dos monómeros idénticos y un heterodímero tiene dos monómeros diferentes, dineína Proteína motora que trabaja en combinación con microtúbulos, general mente moviéndose en dirección negativa (véase también cinesina). dineínas axonem ales Proteínas motoras que permiten el deslizamiento de los microtúbulos en los cilios y flagelos, dipnoos Grupo de peces sarcopterigios comúnmente llamados peces pulmona dos, íntimamente relacionados con el pez antepasado de los anfibios, dipolo Molécula con cargas parcial posi tiva (d+) y parcial negativa (d_) que resulta de la distribución asimétrica de los electrones, disacárido Azúcar compuesto por dos monosacáridos. disco intercalado Contacto intercelular en tre cardiomiocitos compuestos de uniones intercelulares comunicantes y desmosomas. disco-Z Lámina de proteínas al final de un sarcómero que sirve como sitio de inser ción de los filamentos delgados de la actina. disminución del punto de congelamiento Reducción de la temperatura a la cual una solución se congela, por ejemplo, en pre sencia de moléculas anticongelantes.
disnea Sensación de dificultad al respirar, disruptor endocrino Compuesto químico ambiental (a menudo hecho por el hom bre) que altera la señalización de las células actuando como un análogo o antagonista de una hormona endocrina, distal Ubicación más alejada de un punto de referencia. Opuesto a próximo, distensibilidad Medida de la capacidad de una estructura hueca (p. ej., vasos san guíneos, pulmón) para extenderse en respuesta a la presión aplicada, diuresis Proceso de formación de orina, diurético Agente que promueve la forma ción de orina, divergencia Patrón en una vía neural en la cual una única neurona presináptica forma una sinapsis con múltiples neuro nas postsinápticas. división sim pática Véase sistema nervioso simpático.
DNA (ácido desoxirribonucleico) Políme ro de nucleótidos que actúa como planti lla genética. DNA m icroarray Método de alta resolución para analizar DNA o RNA. dominio de unión de ATP Motivo común estructural en diversas proteínas que unen el ATP. dopam ina Neurotransmisor (amina biógena) producido en varias regiones del en céfalo de los vertebrados, duodeno Primera parte del intestino del gado, que sigue directamente al estó mago. duplicación genética Proceso de mutación del DNA por el cual un genoma puede adquirir una copia adicional de genes. ecdisis Muda periódica del exoesqueleto en los invertebrados, eclosión Proceso por el cual un insecto adulto emerge de su capullo, ecotérmico Animal con una temperatura corporal determinada principalmente por factores externos, lo que incluye entre otros, la temperatura ambiente {véase también endotérmico). ectoderm o Parte más externa de las capas prim arias de un germen en un embrión en desarrollo que origina tejido, como el sistema nervioso, ecuación de Goldman Ecuación que pre dice el potencial de mem brana en toda la membrana celular que resulta de la dis tribución de múltiples iones en relación con sus permeabilidades, ecuación de Lineweaver-Burk Representa ción de los recíprocos de la velocidad de reacción (1/V) y concentración de sustrato (1/[S]); genera una relación linear para las enzimas con cinéticas hiperbólicas, ecuación de M ichaelis-Menten V = V x [S]/([S] + i n ecuación de Nernst Expresión que describe el gradiente de concentración iónico a lo largo de una membrana permeable en relación con el voltaje cuando el sistema está en equilibrio, edem a Exceso de acumulación de líquido en un tejido, efecto Bohr Cambio en la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina debido a un cambio en el pH. efecto fundador Fenómeno por el cual la distribución genotípica de una población
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es el resultado de eventos históricos que hicieron que la población fuera estable cida por una cantidad pequeña de indivi duos; a menudo asociado con la reducción de la diversidad genética, efecto Haldane Efecto del oxígeno sobre la unión de hemoglobina-dióxido de car bono. efecto Root Cambio en la capacidad para transportar oxígeno de la sangre como resultado de cambios en el pH. efectos viscosos Antagonismo al movi miento de un objeto debido a la interac ción de su superficie con los líquidos a través de los cuales se mueve, eferen te Que conduce fuera de la estruc tura; por ejemplo, las neuronas eferen tes llevan señales desde el sistema nervioso central a la periferia; las arte riolas eferentes llevan sangre desde el glomérulo al riñón, eficacia de asimilación Proporción de los nutrientes del régimen alimenticio asi milados con éxito, eicosanoides Tipo de molécula de señaliza ción química de corta vida, ejercicio brusco Ejercicio de mucha inten sidad impulsado por las fibras muscula res glicolíticas; puede continuar sólo durante periodos cortos, hasta que se acaben los depósitos de glucógeno, elasticidad Medida de la facilidad que tiene una estructura para volver a su forma original después de haberse estirado, electrocardiogram a (ECG, EKG) Registro de la actividad eléctrica del corazón, electrógeno Proceso de transporte que da lugar al cambio de la carga eléctrica en toda una membrana, electrolito Soluto cargado, como Na+, K+ y c i" .
electroneutro Proceso de transporte que no cambia la carga eléctrica a lo largo de la membrana, electrorreceptor Receptor sensitivo que res ponde a campos o descargas eléctricas, elemento móvil Región del DNA que puede extirparse o insertarse en otro lugar den tro del genoma. empalm e alternativo Uno de los procesos que puede dar lugar a que diferentes mRNA sean codificados por un único gen. Los diferentes exones del gen se cortan y empalman en cada mRNA, dando como resultado varias combina ciones posibles, empírico Observación que surge de la me dición directa de un parámetro, encéfalo Amplio grupo de ganglios que actúan como un centro de integración sofisticado. Ubicados en la parte anterior del cuerpo en la región cefálica (cabeza), endocardio Capa interna del corazón, endocitosis Invaginación de la membrana plasmática que da lugar a la formación de una vesícula; utilizada para internali zar proteínas de membrana o capturar sólidos extracelulares (fagocitosis) o líquidos (pinocitosis). endocrino Vía de señalización en la cual la molécula de señalización es liberada en la sangre y afecta a una célula distante de tipo diferente, endoderm o Capa interna de un germen primario en un embrión en desarrollo a partir de la cual origina tejidos tales
como superficies externas incluyendo el revestimiento intestinal, endoesqueleto Más a menudo llamado esqueleto, un marco interno de huesos, cartílagos y tendones que proporciona soporte y resistencia al movimiento mus cular. endosim bionte Organismo que vive dentro de otro organismo, endosimbiosis Relación donde un orga nismo vive dentro de otra célula u orga nismo y ambas partes se benefician de la relación. endotelio La capa más interna de los vasos sanguíneos, endotérm ico Animal que genera y retiene calor internamente, energética Estudio de los procesos que involucran la conversión interna de energía. energía cinética Energía asociada con el movimiento, energía de activación (£,) Barrera energé tica que debe alcanzarse antes que un reactante se transforme en producto, energía de enlace Energía requerida para formar una unión química, energía digerible Proporción de energía ingerida que puede ser aún más proce sada, dejando sólo el material no digeri ble. energía eléctrica Energía asociada a los gradientes de las partículas cargadas, energía ingerida Denominación utilizada para describir el contenido de energía total de una dieta, incluyendo tanto la energía digerible como la energía indigerible, energía Capacidad generar trabajo, energía libre Energía en un sistema que está disponible para realizar un trabajo, energía m ecánica Forma de energía pro cedente del movimiento o la posición de un objeto; puede ser también energía cinética (como en el movimiento de una pierna) o energía potencial (como en el salto). energía metabolizable Proporción de ener gía digerible retenida por el cuerpo; el resto es energía no metabolizable que se pierde en los productos excretores, energía neta Proporción de energía m eta bolizable retenida por el cuerpo, exclu yendo la pérdida por una acción dinámica específica, energía potencial Energía que está dispo nible en un sistema estático; la energía de almacenamiento elástico es una forma de energía potencial, energía química Energía asociada a la re organización de la estructura química de una molécula, energía radiante Energía térmica liberada por un objeto en relación con su tempe ratura. energía térm ica Energía asociada con la producción de calor, enfriam iento por evaporación Pérdida de calor que resulta cuando es absorbido el calor del cuerpo para permitir que el agua de superficie se evapore, enlace fosfodiéster -P -0-P -. enlace iónico Enlace débil entre un anión y un catión. enlace no covalente Incluye cuatro tipos de uniones débiles que estabilizan la estructura macromolecular.
enlace por puente de hidrógeno Clase de unión débil (no covalente) en la cual un átomo de hidrógeno electropositivo es compartido por dos átomos electronega tivos. enlaces covalentes Fuertes uniones quími cas que comparten electrones entre dos átomos. entalpia Contenido de calor de un sistema, simbolizado como H. Las reacciones quí micas a menudo se expresan como un cambio en la entalpia {AH). enterosim bionte Organismo simbiótico que vive dentro del tracto gastrointestinal, entropía Parámetro termodinámico que refleja el grado de desorden de un sis tema. enzim a Catalizador biológico compuesto de pro teína (algunas veces RNA), fre cuentemente incorporando un cofactor en su estructura, enzim as digestivas Enzimas hidrolíticas secretadas en la luz del tracto gastroin testinal por el epitelio digestivo y glándu las accesorias, epidídimo Estructura donde el esperma m adura y se almacena en los testículos de los vertebrados, epitelio Capa celular más externa de los eumetazoos. equilibrio En el caso de una reacción quí mica, el estado en el cual no hay un cam bio neto en los reactantes; el producto y los sustratos continúan transformándose internamente, pero en proporciones iguales. equilibrio de Donnan Equilibrio químico alcanzado entre dos soluciones separa das una de la otra por una membrana permeable a algunos de los iones en las soluciones, equilibrio de oxidorreducción (equilibrio en tre reducción y oxidación) Condi ción en la cual no hay un cambio neto en la proporción de los equivalentes de reducción reducidos u oxidados, gene ralmente NADH/NAD+. equivalentes de reducción NAD(P)H o f a d h 2. eritrocito Tipo de célula sanguínea de los vertebrados que contiene hemoglobina (glóbulo rojo), eritropoyesis Producción de glóbulos rojos de los eritroblastos, generalmente en tejidos eritropoyéticos especializados, eritropoyetina Hormona liberada por el riñón que induce la eritropoyesis. eructo Liberación gaseosa del estómago, escala Relación entre un parámetro, como el índice metabólico, y el tamaño corporal, escala de pH Medida de la acidez, expre sada como el log10negativo de la concen tración de protones, esclerótica Superficie exterior dura del ojo de los vertebrados, esfingolípido Clase de fosfolípido que se basa en una base de esfingosina. esfínter pilórico Esfínter que regula el movimiento de material desde el estó mago al duodeno, esfínter Anillo de músculo liso que controla el diámetro de una abertura, contro lando el paso de una región a la siguiente. esófago Conducto desde la cavidad bucal (boca) al estómago.
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espacio m uerto anatómico Parte de una estructura respiratoria que no puede participar en el intercambio de gases (p. ej., la tráquea y los bronquios), espacio m uerto fisiológico Volumen de un órgano respiratorio que no está involu crado en el intercambio gaseoso; consta tanto de espacio muerto anatómico como del volumen de cualquier región que, a pesar de ser capaz de actuar como superficie de intercambio gaseoso, no participa de éste (p. ej., alveolos no perfundidos o no ventilados), especie reactiva al oxígeno Radical libre en el cual el electrón no apareado se aso cia con un átomo de oxígeno, esperm atocito prim ario Productos de la espermatogonia que han sufrido una pri mera división meiótica para convertirse en células diploides que finalmente pro ducirán un espermatozoo, esperm atogenia Producción de esperma tozoos. esperm atogonios Después de que la célula germinativa primordial entra en los tes tículos, se diferencia en un espermatogonio, que sufre múltiples rondas de mitosis antes de entrar en la meiosis. esperm atozoo El gameto más pequeño en las especies que se reproducen sexualmente; esperma, espiráculos Aberturas pequeñas que llevan al sistema respiratorio; los espiráculos son la abertura prim aria del sistema tra queal de los insectos. La misma palabra se utiliza para una estructura no homo loga en los peces elasmobranquios que proporciona una abertura alternativa para las cavidades bucal-operculares. esqueleto hidráulico Saco cerrado lleno de agua que actúa como un soporte semisólido de un animal; está compuesto por el encéfalo y la médula espinal. En los invertebrados, está compuesto por el encéfalo, los ganglios principales y las comisuras conjuntivas, estado activo Fase de un ciclo de puente cruzado en el que la miosina está ligada a la actina y a la fuerza generadora, estado constante Condición en la cual hay un flujo a través de una reacción o vía sin un cambio en la concentración de los intermediarios, estado de bloqueo Condición del músculo liso en el cual la fuerza es generada con menos consumo de ATP de lo esperado; generalmente atribuido a un meca nismo más eficaz de ciclo de puente cru zado. estado de transición Estado temporal in termedio en la conversión de sustratos a productos cuando una molécula obtiene suficiente energía para alcanzar la acti vación de la barrera de energía, estados redox Niveles relativos de las moléculas de interés reducidas a la oxi dación; generalmente se aplica a la bio química metabólica (p. ej., NADH/NAD+), pero también puede usarse para reflejar el grado de estrés oxidativo. estatocisto Órgano sensorial hueco, lleno de líquido, de los invertebrados que detecta la orientación del cuerpo con respecto a la gravedad, estatolito Gránulo pequeño y denso (gene
ralmente de carbonato de calcio) que se encuentra en los estatocistos. estenohalino Animal que es tolerante a un estrecho rango de salinidades externas, estenotérmico Animal que es tolerante a un estrecho rango de temperaturas ambien tales. estequiom etría Relación cuantitativa entre dos entidades, este rasa Enzima que descompone una unión de éster. esterocilios Cilios especializados de las células pilosas de los vertebrados; invo lucrados en el sentido de la audición, esteroides Grupo diverso de moléculas or gánicas no polares compuestas de múlti ples aros de carbono, estímulo de um bral Estímulo más pe queño que puede provocar una res puesta en una célula, estivación Forma de letargo en la cual el índice metabólico reducido ocurre como respuesta a la deshidratación. estómago Término general para una región anterior del tracto gastrointestinal, gene ralmente caracterizado por procesos de digestión ácidos, estómago digástrico Estómago con dos compartimentos que se encuentra en los rumiantes; cada uno de los dos comparti mentos a su vez está dividido en dos cámaras. estóm ago m onogástrico Estómago con un solo compartimento (generalmente acídico). estradiol-17p Estrógeno dominante en la mayoría de las especies, estrategia de tipo K Estrategia de historias de vida donde un animal produce pocos descendientes e invierte mucho en el desarrollo de éstos, estribo Uno de los tres huesecillos del oído medio de los mamíferos, estrógeno am biental Véase disruptor endo crino.
estrógenos Clase de hormonas esteroides que actúa predominantemente en las hembras para estimular la maduración reproductora y controlar el ciclo repro ductor. estru c tu ra cu a tern aria Disposición tridi mensional de una proteína compuesta por múltiples unidades monoméricas. estru c tu ra prim aria Secuencia de un polí mero sin considerar cómo se pliega; generalmente se refiere a la secuencia de aminoácidos de una proteína, estru c tu ra secundaria Patrón de pliegue de una macromolécula; una hélice a es un ejemplo de estructura secundaria de una proteína y de DNA. estru c tu ra terciaria Estructura tridimen sional de una macromolécula, estabili zada por numerosas uniones débiles, etología Estudio del comportamiento ani mal. eupnea Respiración normal, eurihalino Tolerante a una amplia gama de salinidades externas, o más precisamente osmolaridades. euritérm ico Tolerante a una amplia gama de temperaturas externas, evaporación Volatilización de agua líquida en agua gaseosa, con la absorción de calor, evolución Proceso de descendencia con modificaciones o cambios genéticos en
los taxones a lo largo del tiempo; puede ser adaptativo, inadaptativo o neutro, exocitosis Transporte de vesículas a la membrana plasmática y la fusión poste rior con ella; sirve para secretar los con tenidos de la vesícula en el espacio extracelular o para introducir proteínas en la membrana plasmática, exoesqueleto Estructura externa rígida en el exterior de muchos invertebrados que sirve para restringir el movimiento de agua y proporcionar un marco sólido que controla la forma del animal y pro porciona la resistencia necesaria para la locomoción, exón Región de DNA que codifica una pro teína. exosimbionte Organismo simbiótico que vive fuera del animal, expiración Exhalación, extensor Músculo que hace que una extre midad se extienda, provocando que el ángulo de una articulación alcance los 180°. ex trarren al Que ocurre en otro tejido dife rente del riñón. facilitación sináptica Aumento en la libe ración del neurotransm isor como res puesta a potenciales de acción repetidos, factor de crecim iento Grupo de hormonas péptidas que estimulan a las células para que proliferen (hiperplasia) o crezcan en tamaño (hipertrofia), factor hemopoyético Proteína reguladora que induce la síntesis de los glóbulos rojos; eritropoyetina, por ejemplo, fagocito Célula que realiza la fagocitosis, fagocitosis Endocitosis de partículas gran des del espacio extracelular. fascículo de His Una de las vías conducto ras del corazón de los mamíferos, fase folicular Porción del ciclo ovulatorio donde un folículo m adura para liberar el óvulo. fase luteínica Porción del ciclo ovulatorio después de que el folículo ha expulsado el óvulo y antes de que el segundo folí culo madure, fase volum étrica (o solución volumétrica) Volumen de la solución que está más allá de la influencia de la superficie (véase también capa límite). fenotipo Características físicas de un orga nismo; el resultado de una interacción entre el genotipo y el ambiente, ferom onas Mensajeros químicos liberados por un animal en el ambiente que tienen un efecto sobre otro animal de la misma especie. fibra fusiforme m uscular Receptor de la flexibilidad del músculo, fibra m uscular Célula muscular simple; puede ser mononucleada (como en los cardiomiocitos) o multinucleada (como en las fibras musculares esqueléticas), fibras de contracción Fibras musculares que experimentan un ciclo de contrac ción/relajación rápida, en contraste con las fibras tónicas, fibras de Purkinjc Ramas terminales de las fibras conductoras del corazón de los vertebrados, fibras musculares glicolíticas oxidativas rápidas (FOG) Células musculares con un perfil proteico bioquímico y mecánico
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aptas para contracciones de duración e intensidad intermedias, que se basan en una combinación de glicólisis y fosforila ción oxidativa para obtener energía. Gene ralmente, fibras musculares que expresan isomorfos de miosina de tipo II o II x/d. fibras m usculares glicolíticas rápidas (FG) Células musculares con un perfil proteico bioquímico y mecánico apto p ara contracciones de corta duración y de gran intensidad que se basan en la glicólisis para obtener energía: general mente, fibras musculares que expresan misina de tipo Ilb. fibroblastos Células que tienen un papel importante en la producción de la matriz extraceluiar de la mayoría de los tejidos blandos. fiebre Periodo de aumento de la tempera tura corporal completa que surge debido a una respuesta inmunológica, general mente como resultado de alguna forma de infección. La fiebre conductual ocurre cuando un animal poiquilotérmico res ponde a un desafío inmunológico trasla dándose a un ambiente que aum enta la tem peratura corporal, filamento delgado Polímero de a-actina específico del músculo similar en estruc tura a un microfilamento; sirve como un marco que traduce la actividad de la actinomiosina en generación de fuerza, filamento grueso Polímero con 300 díme ros de miosina que produce la fuerza contráctil un músculo, filamentos interm edios Clase de proteínas que se utiliza para formar el citoesque leto. filogenético Que pertenece a la filogenia, filogenia m olecular Relaciones evolutivas entre organismos como reconstruccio nes basadas en la información de la secuencia molecular, filogenia Hipótesis sobre las relaciones evolutivas entre organismos; pueden basarse en el análisis de varios tipos de datos (p. ej., molecular, morfológico), filopodios Extensiones delgadas, con for m a de dedo de la célula, sostenidas por el citoesqueleto de actina. filtrado Solución que pasa a través de un filtro, como la orina prim aria que pasa a través del glomérulo. flagelos Extensiones de base microtubular de una célula a modo de látigo; general mente se presentan solos o en pares, flexor Músculo que hace que una extremi dad se doble en la articulación, fluidez de la m em brana Estado que per mite movimientos bidimensionales de los lípidos y las proteínas dentro de una m em brana bicapa lipídica. fluidez Grado de libertad de movimientos de las entidades de membrana, a menudo evaluado utilizando el colorante DPH, que m uestra una anisotropía que depende de la fluidez de la membrana, flujo Corriente de material a través de una vía. flujo de salida Movimiento hacia afuera de una sustancia, generalmente en situa ción de movimiento hacia fuera de una célula o tejido, flujo global Movimiento de un líquido como resultado de un gradiente de pre sión o temperatura.
flujo lam inar Patrón en el cual la capa de líquido se mueve en paralelo, general mente en relación con la superficie de un objeto. flujo metabólico índice del flujo a través de una vía metabólica. flujo turbulento Patrón desordenado de flujo de líquidos sobre la superficie de un objeto que reduce la eficacia del movi miento de un objeto a través del líquido, fluorescencia Absorbancia de una luz de energía alta (de baja longitud de onda) seguida por la liberación de una luz de energía baja (de longitud de onda mayor), folículo Unidad multicelular compuesta por tejido somático que rodea un óvulo, folículo prim ario Folículo que continúa desarrollándose para liberar un óvulo, a diferencia de otros folículos que se degradan y m ueren durante el proceso de maduración (atresia), fosfágenos Compuestos ricos en energía que transfieren energía en las reacciones donde se produce un gran cambio de energía libre cuando una unión de fos fato se rompe, fosfatasa Enzima que elimina el grupo fos fato de una molécula; importante en las vías de transducción de señales ya que invierte las fosforilaciones catalizadas por las cinasas. fosfocreatina Véase creatina fosfato. fosfodiesterasa GMPc Enzima que escinde la GMPc, produciendo GMP fosfodiesterasa Enzima que descompone las uniones de fosfodiéster de los nucleó tidos cíclicos tales como AMPc y GMPc. fosfoglicéridos Clase principal de fosfolípi dos de las membranas biológicas, que consiste de una base de glicerol, dos áci dos grasos y un grupo principal polar vinculado al glicerol a través del fosfato, fosfolipasa Enzima que descompone fosfo lípidos, liberando diacilglicerol, grupos principales polares o ácidos grasos, dependiendo del tipo de fosfolipasa. fosfolípidos Fosfoglicéridos y esfingolípidos. fosforilación a nivel de sustrato Reacción enzimática que produce un fosfato de alta energía, fosforilación Adición de un grupo fosfato a través de una cinasa, gastando ATP (por ejemplo, una proteinquinasa cataliza la fosforilación de una proteína), fosforilación oxidativa Proceso por el cual las mitocondrias se producen de la oxida ción de equivalentes de reducción (NADH, FADH2). La cadena de transporte de electrones expulsa protones de las mitocondrias para producir una fuerza motriz protónica, que luego es utilizada por FjFgATPasa para producir ATP. fotón Partícula fundamental de la radiación electromagnética. Las corrientes de foto nes pueden tener diferentes longitudes de onda, en cuyo caso la radiación resul tante recibe diferentes nombres (p. ej., rayos X, rayos gamma, luz visible), fotopigmento Moléculas especializadas para detectar fotones; constan de un cromóforo y una proteína asociada, fotorreceptor ciliar Uno de los dos tipos de células fotorreceptoras de los animales. Los fotorreceptores de los vertebrados pertenecen a esta clase (véase también
fotorreceptores rabdoméricos).
fotorreceptores Receptores sensitivos que detectan fotones con longitudes de onda en un espectro visible (es decir, luz). Puede utilizarse para describir la pro teína receptora o las células que conten gan estos receptores, fotorreceptores rabdom éricos Uno de los dos tipos de células fotorreceptoras de los animales. Los fotorreceptores de los artrópodos son rabdoméricos (véase
fotorreceptor ciliar).
fototaxis Movimiento en respuesta a la luz, ya sea hacia ella (fototaxis positiva) o ale jándose (fototaxis negativa), fóvea Órganos termorreceptores muy sen sibles de algunas serpientes, fóvea Pequeña depresión situada en el cen tro de la retina del ojo de los vertebrados que es responsable de la visión de gran precisión. fraccionam iento del rango Estrategia en la cual grupos de neuronas sensitivas trabajan juntas para aum entar el rango dinámico de un órgano receptor. Cada neurona tiene un rango dinámico sola pado, pero no idéntico, que permite que la población de receptores codifique un rango mayor de intensidades de estí mulo. fuerza Capacidad para hacer el trabajo, fuerza protón m otriz Gradiente electro químico que surge del bombeo de proto nes por la cadena de transporte de electrones mitocondrial. GABA (ácido gamma-aminobutírico) Neu rotransmisor, principalmente inhibidor, situado en el sistema nervioso central de los vertebrados, gam eto Célula germinativa de las especies que se reproducen sexualmente; los gametos pequeños son esperma y los gametos grandes son óvulos, gam etogenia Producción de gametos ma duros en el ovario o testículo, ganglio Grupo de somas neuronales. Los ganglios actúan como centros de integra ción. ganglio de la raíz dorsal Grupos de somas aferentes de neuronas en los nervios espinales. Ubicados junto a la médula espinal. ganglios linfáticos Órganos pequeños con forma de judía que se encuentran en varias ubicaciones del sistema linfático de los tetrápodos; filtran el líquido linfá tico y producen linfocitos. ganglios neurovegetativos Ganglios del sistema nervioso periférico de los verte brados. ganodotropina coriónica (CG) Tercera ganodotropina de los vertebrados, pro ducida por la placenta pero sólo en los primates. gasto cardiaco Volumen de sangre bom beada por el corazón por unidad de tiempo; producto de la frecuencia car diaca y el volumen sistólico. gasto del tran sp o rte (COT) El gasto para un animal al cruzar una distancia deter minada, gástrico Relativo al estómago, gen Región del DNA que, cuando se trans cribe, codifica una proteína o un RNA. generador cen tral de patrones Grupo de neuronas ubicadas en el sistema ner-
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vioso central que produce una señal neu ronal rítmica, generador de patrones Grupo de neuronas cuya activación rítmica coordina un pro ceso fisiológico o comportamiento rítmico, por ejemplo, respiración, locomoción, genom a Todo el material genético de un organismo; conjunto completo de DNA tanto del núcleo como las mitocondrias. genotipo Estructura genética específica de un organismo, gestación Periodo de desarrollo embriona rio dentro del útero de especies vivíparas u ovíparas. glándula Órgano especializado que secreta hormonas. glándula b ulbouretral Glándula accesoria secretora de mucosa del tracto repro ductor masculino, glándula de gas Región de la vascularización de la vejiga natatoria que secreta gases, glándula ecrina Tipo de glándula exocrina caracterizada por un largo conducto en espiral que lleva las secreciones desde la región secretora a la superficie, glándula endocrina Tipo de glándula que secreta hormonas en la sangre, glándula exocrina Tipo de glándula que libera su secreción a través de un conducto (generalmente al ambiente exterior), glándula prostática Glándula accesoria asociada con el tracto reproductor de los vertebrados machos, glándula rectal Órgano que se encuentra en los peces cartilaginosos y que secreta sal para ayudar a la regulación osmótica, glándula su p rarren al Glándula situada cerca del riñón, que en los mamíferos está compuesta por una capa exterior (la corteza suprarrenal) y una capa interior (médula suprarrenal), glándulas de sal Glándulas extrarrenales que se encuentran en algunos vertebra dos marinos y desérticos que secretan Na+ y Cl- para reducir el contenido de sal del cuerpo, glándulas paratiroideas Glándulas ubica das en la superficie posterior de la glán dula tiroides que liberan hormonas partiroideas como respuesta a los cam bios en el calcio extracelular. glándulas protorácicas Un par de glándu las endocrinas que secretan las hormo nas que regulan la ecdisis. glicolípido Lípido glucosilado común en el lado extracelular de algunas membranas plasmáticas, glicólisis Descomposición de carbohidra tos para formar piruvato, o cuando el oxígeno es limitado, otros productos finales como el lactato. glicoproteína Proteína que ha sido modifi cada por la adición de carbohidratos, glicosaminoglicano Componente no pro teico de la matriz extracelular. glicosilación Adición de grupos de carbohi dratos a proteínas, lípidos o carbohidra tos dentro del retículo endoplasmático o el aparato de Golgi. globina Componente proteico de las hemo globinas. glom érulo Grupo de capilares con forma de nudo que actúa como el filtro bioló gico en los nefrones de los riñones de varios vertebrados. Permite que los líquidos y moléculas pequeñas pasen
libremente del plasm a a la luz del túbulo. glotis Tapa de tejido pequeña ubicada entre la faringe y la tráquea de los verte brados que respiran aire, glucocorticosteroides Hormonas esteroi des involucradas en la respuesta al estrés que regula el metabolismo de car bohidratos, proteínas y lípidos. glucogenia Síntesis de glucógeno de la glu cosa o intermediarios glicolíticos. glucógeno Polisacárido de glucosa que forma el almacenamiento de energía prin cipal de carbohidratos de los animales, glucogenólisis Descomposición de glucó geno para formar glucosa 6-fosfato. gluconeogénesis Producción de glucosa de precursores que no son carbohidratos; la parte principal de la vía es una inversión de la glicólisis, permitida por tres enzi mas que evitan los dos pasos irreversi bles de la glicólisis. glucosuria Niveles altos de glucosa en la orina. GMPc Véase GMP cíclico. GMP cíclico (GMPc) Monofosfato de guanosina cíclico formado por la acción de la guanilato ciclasa, un segundo mensa jero que activa la protein quinasa G. gonadotropina Hormona que regula la actividad de los tejidos reproductores; FSH y LH son las principales gonadotropinas en los vertebrados, y alatropina y alastotatina son las principales gonadotropinas en artrópodos, gradiente eléctrico Gradiente de carga a lo largo de una membrana que surge de una distribución desigual de las partícu las de carga, gradiente electroquím ico Gradiente com puesto por el gradiente de concentra ción de un ion y el potencial de membrana; fuerza motriz del movi miento de dicho ion a través de la mem brana. gradiente químico Área a través de la cual difiere la concentración de cuerpos quí micos, generalmente a través de una membrana, gránulos secretores Vesículas de producto secretor almacenadas en el interior de una célula, preparadas para liberarse cuando la célula recibe la señal apropiada, g rasa cetácea Depósitos subcutáneos de lípidos de los mamíferos marinos que aportan aislamiento térmico, grupo imidazol Grupo aminoácido que se encuentra en la histidina y otros com puestos que m uestra un valor pK cerca del pH fisiológico, y, por lo tanto, es importante en la amortiguación del pH de los líquidos corporales, grupo prostético Componente no proteico de una enzima u otra proteína; por ejem plo, una coenzima (un grupo prostético orgánico) o un metal, guanilato ciclasa Enzima que convierte la GTP en GMPc como respuesta a las molé culas de señalización como el óxido nítrico; tiene formas solubles y de unión de membranas, guanina Componente de base nitrogenada purina de los nucleótidos, incluidos los ácidos nucleicos, guanosina trifosfato Compuesto de fosfato de alta energía del metabolismo energé
tico; también el sustrato para la gualinato ciclasa formando el segundo mensajero GMPc. guanosina Nucleósido de guanina y azúcar ribosa. gusto Detección de sustancias químicas ingeridas: el sentido del gusto. habituación Proceso por el cual la estimu lación reiterada de una neurona genera una respuesta disminuida, heces Materia no digerida que se expulsa por el tracto gastrointestinal, hélice a Estructura secundaria de una pro teína de DNA en la que la molécula cam bia a un patrón característico, con estructura estabilizada por uniones de hidrógeno entre regiones adyacentes. Heliobacter Bacteria que infecta las cavida des gástricas, originando enfermedades que pueden conducir a una úlcera gástrica, hem atocitos Término general para los gló bulos sanguíneos. Más comúnmente usado para los glóbulos sanguíneos de los invertebrados, hem atocrito La proporción de sangre entera que está ocupada por glóbulos rojos, h em eritrina Pigmento respiratorio que contiene hierro que se encuentra en los sipuncúlidos, priapúlidos, braquiópodos y anélidos; no contiene hemo. hem isferios cerebrales Estructuras pares del cerebro (parte del prosencéfalo de los vertebrados). Los hemisferios cerebrales son las estructuras más evidentes del cerebro de los mamíferos, hemo Derivado de porfirina de unión a m etal que se incorpora a las enzimas (p. ej., citocromos) y a las proteínas no enzimáticas (p. ej., hemoglobina), hemocele Nombre colectivo de los senos nasales en los sistemas circulatorios abiertos de muchos invertebrados, hem ocianina Pigmento respiratorio que se encuentra en los artrópodos y moluscos y que consiste en una o más moléculas de proteína ligadas directamente con moléculas de cobre, hem oglobina Pigmento respiratorio que consiste en una proteína de globina ligada con una molécula de porfirina con contenido en hierro, llamada hemo. hem olinfa Líquido circulatorio de los artró podos. hendidura sináptica Espacio extracelular entre una célula presináptica y una célula postsináptica en una sinapsis. hepatocito Tipo de célula dominante en el hígado. hepatopáncreas Tejido de los invertebra dos que desempeña los mismos papeles que el hígado y el páncreas en los verte brados. hercio Frecuencia de 1 por segundo (1 Hz = 1 s -1). herm afrodita Animal que posee tejidos reproductores tanto masculinos como femeninos, ya sea simultánea o secuencialmente. heterodím ero Estructura cuaternaria de dos monómeros diferentes, h etero term ia Estrategia térmica en la cual la tem peratura corporal (!TB) varía espa cial o temporalmente, heteroterm ia regional Estrategia termorreguladora en la cual regiones del
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cuerpo de un animal presentan tempera turas significativamente diferentes, heteroterm ia tem poral Estrategia en la que el animal homeotérmico muestra periodos de poiquilotermia, general mente para perm itir una reducción en el índice metabólico; también conocida como endotermia relajada, hexosa Nombre general de los monosacári dos con seis carbonos; incluye la glucosa y la fructosa, hibernación Forma de letargo que ocurre como resultado de una temperatura ambiente baja y persiste durante perio dos largos. hidrofílica Una molécula es hidrofílica (“que am a el agua”) si se disuelve más fácilmente en agua que una fase orgá nica, como una bicapa lipídica. hidrofóbica Una molécula es hidrofóbica (“odia el agua”) si se disuelve más fácil mente en una fase lipídica que en agua, hidrólisis Rotura de una unión covalente al introducir una molécula de agua; -H se agrega a un producto y -OH al otro, h iperapnea Respiración rápida, hipercapnia Niveles de dióxido de carbono más altos de lo normal, hiperglicem ia Nivel elevado de azúcar en sangre. hiperosm ótica Solución que tiene una osmolaridad más alta que cualquier otra solución. hiperplasia Aumento en la cantidad de células en un tejido u órgano, hiperpolarización Cambio en el potencial de membrana de una célula desde su potencial de membrana normalmente negativo en reposo a un valor más nega tivo; incremento relativo en la carga negativa en el interior de la membrana de la célula, hiperterm ia Aumento de temperatura cor poral ( r B) por encima de un punto de seado. hipertónica Solución que tiene una combi nación de osmolaridad y perfil de soluto que provoca un flujo de salida de agua de la célula, ocasionando una disminución en el volumen de ésta, hipertrofia Aumento del tamaño de las células en un tejido u órgano, hiperventilación Ritmo o profundidad de respiración mayor de la necesaria para el suministro de oxígeno o eliminación de dióxido de carbono, hipocampo Parte del encéfalo de los verte brados que está involucrada en la forma ción de los recuerdos, hipocapnia Niveles de dióxido de carbono más bajos de lo normal. Hipófisis Organo que secreta hormonas ubi cado en la base del encéfalo de los verte brados, conectado con el hipotálamo. hipoglucem ia Niveles bajos de azúcar en la sangre. hipom etabolismo Periodo en el que el índice metabólico es menor que el índice normal de reposo, hiposmótica Solución que tiene una osmo laridad más baja que otra solución, hipotálam o Región del prosencéfalo de los vertebrados que controla la temperatura corporal, la sed, el ham bre y muchos otros procesos fisiológicos. Regula la función de la hipófisis.
hipoterm ia Disminución en la temperatura corporal (!TB) por debajo de un punto deseado. hipotónica Solución que tiene una combi nación de osmolaridad y perfil de soluto que provoca un flujo de entrada de agua en la célula, ocasionando un aumento en el volumen de la célula, hipoxemia Niveles de oxígeno más bajos de lo normal, hipoxia Oxígeno más bajo de lo normal; generalmente se refiere a los niveles de oxígeno del ambiente (véase también hipoxemia).
histam ina Aminoácido; molécula regula dora que es liberada de los mastocitos como respuesta a un desafío inmunoló gico. histona Proteína que se une de forma reversible al DNA, alterando su capaci dad para ser transcribida. hom eostasis Estado de constancia interna que se mantiene como resultado de pro cesos reguladores activos, homeoterm ia Estrategia térmica de un ani mal (un homeotermo) que tiene una tem peratura corporal relativamente constante (7y. homodímero Molécula compuesta de dos subunidades idénticas, homólogos Genes que descienden de un antepasado común, sin que intervengan casos de duplicación (véase también parálogos).
horm ona Tipo de mensajero químico que es transportado en la sangre y que puede actuar a través de distancias largas. Clá sicamente definido como una sustancia liberada de una glándula endocrina y activa en concentraciones muy peque ñas. horm ona de crecim iento Hormona péptida derivada de la adenohipófisis que media el crecimiento de las células somáticas. horm ona estim uladora de folículos (FSH) Una de las dos gonadotropinas princi pales de los vertebrados; ocasiona la maduración del folículo ovárico. horm ona juvenil (JH) Clase de hormona de los invertebrados derivada de los isoprenos; secretada desde el cuerpo alado, la JH mantiene las características juveniles, horm ona paratiroidea Hormona peptídica que regula los niveles de calcio en san gre. horm onas esteroides Clase grande de hor monas derivadas del colesterol. horm onas trópicas (u horm onas tróficas) Hormonas que provocan la liberación de otras hormonas, hueso En los vertebrados, estructura sóli da compuesta por una matriz extracelu lar mineralizada de osteocitos, con cartílago y tendón y que constituye el esqueleto. íleon Última sección del intestino delgado, conectando el yeyuno con el intestino grueso. im plantación retard ad a Estrategia repro ductora en la cual un óvulo fertilizado no se implanta en el útero, por lo que el cre cimiento embrionario se retrasa hasta que las condiciones externas sean favo rables.
in situ Condición in vitro en la cual el pará metro a investigar es una situación rea lista.
in vitro Que ocurre fuera de un animal o célula vivos.
in vivo Que ocurre dentro de un animal o célula vivos, índice de acción de m asas Relación de productos y sustratos; cuando está invo lucrado más de un producto (o sustrato), las concentraciones se multiplican en conjunto. Cuando una reacción está en equilibrio, el índice de acción de masas se equipara a la constante de equilibrio
»y-
índice de refracción Grado hasta el cual un material refracta la luz. índice de ventilación-perfusión (o coinci dencia ventilación-perfusión) Relación entre la ventilación (flujo del medio de respiración) y la perfusión (flujo de la sangre) en la superficie respiratoria, índice metabólico basal (BMR) índice me tabólico más bajo de un animal homeo térmico cuando se encuentra a una tem peratura termoneutral, postabsortiva, y está en reposo pero despierto, generalmente más elevado que el índice metabólico de los animales letárgicos, índice metabólico dependiente de la m asa índice metabólico de un animal (general mente descrito como consumo de oxí geno) expresado en relación con la masa corporal. índice metabólico índice de producción de calor de un tejido u organismo, general mente aproximado por el consumo de oxígeno o la producción de dióxido de carbono. índice U/P índice de concentración de iones o moléculas en la orina (U) frente al plasma (P). inducción enzim ática Aumento en los niveles de una enzima: una forma de alcanzar un aumento en la actividad catalizadora. inducible Generalmente se refiere a un gen que puede aumentar su expresión como respuesta a condiciones reguladoras; puede aplicarse a la propia proteína codi ficada, como, por ejemplo, en “una enzima inducible”, inhibición competitiva Modo de inhibición de las enzimas en el que la molécula com pite con el sustrato por el sitio activo de la enzima; los inhibidores competitivos tie nen el efecto de reducir la afinidad del sustrato aparente sin influir en la V . inhibición la teral Proceso por el cuál un estímulo sensorial en una ubicación inhibe la actividad de las neuronas adya centes. La inhibición lateral intensifica el contraste y mejora la detección en los bordes de los sistemas sensoriales, inhibición no com petitiva Modo de inhi bición enzimática en la cual una molé cula inhibe una enzima actual en un sitio distante del sitio activo; los inhibi dores no competitivos pueden incre m entar K m o reducir la Vm . inhibidor de la enzim a de angiotensina (ACE) Enzima que convierte la angio tensina I en angiotensina II. inositol trifosfato (IP.,) Segundo mensajero en el sistema de señalización fosfatidilinositol.
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insecto hemimetabólico Tipo de insecto que posee etapas inmaduras (ninfas) que parecen las adultas, excepto en que no posee alas completamente formadas {véase también insectos holometabólicos). insecto holometabólico Insecto que en las etapas jóvenes, diferentes a las adultas, sufre metamorfosis radicales, inspiración Inhalación, in sta r Forma joven de un insecto que se asemeja a la forma adulta en apariencia general. insulina Hormona péptida que regula homeostáticamente los niveles de glu cosa sanguínea, liberada como res puesta al aumento de glucosa en sangre, interacción de van der Waals Tipo de unión débil formada por la atracción mutua de los núcleos de dos átomos en una molécula, intercam biador contracorriente Estruc tura en la que dos líquidos fluyen en direcciones opuestas a ambos lados de una superficie de intercambio, lo que permite un intercambio muy eficaz de materiales, sobre todo por medios pasi vos, por ejemplo, por intercambio de calor en una rete, intercam biador Véase contratransporte. intercam bio cruzado Intercambiador en el que el flujo del medio respiratorio se encuentra en un ángulo en relación con la corriente sanguínea a través de la superficie de intercambio, que se observa en los pulmones de las aves, intercam bio gaseoso interm itente Patrón de ventilación observado en algunos insectos en el cual periodos prolongados de apnea son seguidos por una ventila ción corta pero rápida del sistema tra queal. interneurona Neurona que realiza las cone xiones sinápticas entre otras neuronas, internodo Región de la m em brana axó nica que está cubierta por la vaina de mielina. intestino ciego Bolsa con el extremo cerrado que transporta las reacciones digestivas en el tracto gastrointestinal, intrón Región del DNA que siempre se des une del mRNA después de la transcrip ción. inulina Molécula que se utiliza para eva luar la tasa de filtración glomerular debido a que no es ni secretada ni recu perada por el túbulo del riñón, ion Átomo o molécula con una carga neta, ion hidroxilo OH- . ion inorgánico Ion que carece de átomos de carbono, ionoconform ador Animal con un perfil iónico interno que se asemeja a la com posición iónica del agua externa, ionoforo Molécula que forma poros en las membranas, permitiendo que crucen los iones específicos, iono rreg u lador Animal que m antiene un perfil iónico interno independiente de la composición iónica del agua externa, iris Aro de tejido ubicado inmediatamente frente al cristalino del ojo de los verte brados que controla la cantidad de luz que penetra en el ojo, alterando el tamaño de la pupila, irrupción Fenómeno en el cual los patro nes y propiedades de un sistema com
plejo son el resultado de interacciones de las partes que componen el sistema y no son necesariamente previsibles a partir del funcionamiento de dichos compo nentes aislados, islotes de Langerhans Grupos de células endocrinas del páncreas que producen las hormonas glucagón e insulina, isocorteza Capa externa del prosencéfalo en los mamíferos, isoenzima Isomorfo de una enzima, isomorfo Proteína que tiene la misma fun ción que otra proteína pero difiere en la secuencia primaria, bien porque está codificada por un gen diferente, o bien porque resulta del uso de un activador alternativo o un empalme diferencial (contraste con alelos). isosmótica Describe dos soluciones con la misma osmolaridad. isotónica Solución con un perfil y concen tración de solutos que no ocasiona un cambio en el volumen de una célula, isquem ia Reducción de la corriente sanguí nea, que priva a los tejidos de oxígeno y nutrientes. jadeo Modo de termorregulación en el que un incremento en la frecuencia de respi ración aum enta la pérdida de calor del centro del cuerpo. kcM Véase número de recambio. km Véase constante de Michaelis.
keratán Glicosaminoglicano que se encuen tra en la matriz extraceluiar. keratín Proteína del citoesqueleto que forma un tipo de filamento intermedio; común en el pelo, uñas y plumas. lactancia Producción y liberación de leche de la glándula mamaria de los mamíferos, lamelipodios Extensiones planas, en forma de lámina, de la célula, sostenidas por la actina del citoesqueleto. lám ina b asal Matriz extraceluiar que se encuentra bajo la lám ina de las células epiteliales; parte del tejido conjuntivo formado mayormente por fibroblastos, lám ina p Patrón plegable de proteínas en el que las secuencias de aminoácidos se encuentran alineadas a lo largo de otra secuencia de aminoácidos. Esta estruc tura secundaria es estabilizada por las uniones de hidrógeno, lam inilla Término general que se refiere a la morfología que se asemeja a un mon tón de hojas, larva Etapa de desarrollo preadulta que tiene poca semejanza con la forma adulta, leche de buche La producida por algunas aves: una lechada de nutrientes regurgi tada que surge del material ingerido aumentado por las secreciones, letargo Término general para los estados hipometabólicos acompañados por una reducción de la actividad (véanse tam bién estivación, hibernación y aletargamiento).
leucocitos Glóbulos blancos de los verte brados; células de la sangre que están involucradas en el sistema inmune. Ley de Dalton de las presiones parciales La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los gases constitutivos.
Ley de Fick Ecuación que relaciona el flujo de difusión con el gradiente energético (concentración, presión parcial, eléc trico, etc.) que dirige la difusión. Ley de G raham Describe el índice de difu sión de un gas o un líquido; establece que el índice de difusión de un gas es propor cional a su solubilidad e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molecular. Ley de Henry Una de las leyes de gases ide ales; describe la disolución de un gas en un líquido, estableciendo que la cantidad de gas disuelta en el líquido se relaciona con la presión parcial y la solubilidad de dicho gas. Ley de Poiseuille Ecuación que describe la relación entre el flujo, la presión y la resistencia de un líquido que se mueve a través de un tubo rígido, incluyendo los factores que influyen sobre la resistencia (longitud, área de sección transversal y viscosidad), ley del gas ideal Relación entre la presión, volumen y concentración de gas. liberación de calcio inducida por calcio Modo de activación muscular en el cual el calcio que cruza el sarcolema a través de un canal Ca2+ provoca la apertura de un canal Ca2+ en el retículo sarcoplasmático. liberación de calcio inducida por despola rización Modo de activación muscular en la cual el calcio que cruza el sarcolema a través de un canal de Ca2+ causa una despolarización de la membrana, que directamente abre un canal de Ca2+ en el retículo sarcoplasmático. ligamento Forma de tejido conjuntivo que une dos huesos, ligando Sustancia química que se une espe cífica y reversiblemente a un receptor o enzima. línca-M Punto intermedio de un sarcómero en donde los filamentos gruesos carecen de cabezas de miosina. linfa Líquido consistente de un ultrafiltrado de sangre e inmunocitos que viaja a tra vés del sistema linfático de los vertebra dos. linfocitos Leucocitos que están involucra dos en la inmunidad de adaptación de los vertebrados, lipasa Enzima que descompone lípidos; incluye las triglicérido lipasas, la lipo proteína lipasa y la fosfolipasa. lípido Clase de moléculas orgánicas que comparten la hidrofobicidad; incluye los ácidos grasos, fosfolípidos, triglicéridos y esteroides. lipofílico Hidrofóbico o no polar, lipogenia Conversión de ácidos grasos y gli cerol a acilglicéridos, entre ellos monoacilglicéridos, diacilglicéridos, triglicéridos y fosfolípidos. lipólisis Descomposición de acilglicéridos y fosfolípidos. lipoproteína Complejo de lípidos y pro teínas; central p ara el transporte de lípidos entre cargas de tejidos. Una fuerza que se opone a la contracción muscular. líquido cefalorraquídeo (LCR) Contenedor de líquidos dentro de las meninges que rodean el encéfalo y la médula espinal de los vertebrados.
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líquido intercelular Véase líquido in tersti cial.
líquido intersticial Componente del líquido extracelular que existe entre las células, líquidos extracelulares Líquidos situados en el exterior de una célula pero conteni dos dentro de los límites de un orga nismo. lisosomas Orgánulos encargados de la des composición de compartimentos mem branosos dañados o no necesarios y proteínas de membrana, lóbulo óptico Cualquiera de los dos lóbulos del mesencéfalo de los vertebrados que intervienen en el procesamiento visual; también, en los artrópodos, las regiones del encéfalo que intervienen en el proce samiento de las señales de los ojos com puestos. luz Cavidad interna de una unidad multice lular, como un túbulo del riñón o el tracto gastrointestinal, luz polarizada plana Cuando la luz llega a un detector, generalmente presenta ondas que cirulan en todos los ángulos. Los filtros polarizadores permiten el paso de las ondas de luz que circulan en un ángulo específico (plano), generando luz polarizada plana, luz ultravioleta Luz de longitud de onda corta (< - 300 nm); su alta energía puede dañar las macromoléculas. m ácula densa Grupo de células del aparato yuxtaglomerular que percibe la concen tración de cloruro del líquido tubular, m agnetita Acumulación cristalina de metal magnético (generalmente hierro) que se encuentra en algunos magnetorrecepto-
res. m agnetorreceptor Receptor sensitivo que responde a los campos magnéticos, malleus (martillo) Uno de los tres huesecillos del oído medio de los mamíferos involucrado en la transmisión de vibra ciones sonoras al oído interno, m asticación Trituración mecánica de la co mida en una cavidad oral, m ateria blanca Áreas del sistema nervioso central de los vertebrados que son ricas en axones (véase m ateria gris). m ateria gris Áreas del sistema nervioso cen tral de los vertebrados que son ricas en somas (véase también materia blanca). m atriz extracelular Proteína y red de glicosaminoglicanos que se encuentra en el exterior de las células; incluye cartílagos, huesos y tejido conjuntivo, máximo térm ico crítico Temperatura am biental más alta tolerada por un animal, mecanism o de Frank-Starling Aumento de la fuerza de la contracción cardiaca en respuesta a un aumento en el retomo venoso al corazón, mecanism os de transducción de señales Vías bioquímicas en las cuales un cam bio en la conformación de una proteína receptora en la célula diana se convierte en un cambio en la actividad de dicha célula. m ecanorreceptor Receptor sensitivo que detecta las fuerzas aplicadas a las mem branas celulares (como el tacto o la pre sión). Puede utilizarse para describir la proteína de recepción o las células que contengan estos receptores.
medio interno Entorno interno de una célula u organismo, m édula espinal Parte del sistema nervioso central de los vertebrados que se extiende desde la base del cráneo a lo largo de las vértebras de la columna. La médula espinal se halla en continuidad con el rombencéfalo. m em brana alantoica Una de las cuatro membranas de un huevo amniota (véase también corióri). m em brana apical Extremo de la célula más alejado de la membrana basolate ral; membrana orientada hacia el lado contrario del sistema circulatorio, m em brana basal Véase lámina basal. m em brana basilar Ubicación de las células pilosas auditivas en el caracol de los mamíferos, m em brana celular Véase membrana plas mática.
m em brana plasm ática Membrana bicapa lipídica que rodea una célula, m em brana sem iperm eable Membrana que permite el movimiento libre de algu nas moléculas pero impide el movi miento de otras, m em brana tim pánica Membrana delgada que separa el oído externo de el oído medio. Ayuda a tranferir vibraciones sonoras al oído interno, m em branas celulares Denominación ge neral que se refiere a la colección de membranas dentro de una célula, inclui das la membrana plasmática y las mem branas de los orgánulos. m enarca Edad a la que la hem bra de un mamífero con ciclo menstrual experi m enta la prim era menstruación, m eninges Membranas que cubren el sis tema nervioso central de los vertebra dos. Los mamíferos tiene tres meninges; las aves, los reptiles y los anfibios tienen dos, y los peces, una. m ensajero secundario Mensajero intrace lular de corta vida que actúa como un intermediario en la vía de transducción de señales. m enstruación Derramamiento periódico de la capa endometrial del tejido uterino que aparece si no hay implantación de un óvulo fertilizado; también se conoce como menstruo, m iofibra Fibra muscular esquelética multinucleada. mioglobina Tipo de hemoglobina que se encuentra en los músculos. mRNA RNA mensajero; la forma de ARN que se utiliza como plantilla durante la traducción para formar la proteína, mesencéfalo Porción media del encéfalo de los vertebrados constituida por el tectum y el tegmento, m esodermo Mitad de las tres primeras capas de un germen en un embrión en desarrollo, que origina tejidos tales como hueso, músculo y tejido conjuntivo, m etabolismo Suma de todas las reacciones químicas en una entidad biológica, m etabolismo energético Suma de las reac ciones metabólicas pertenecientes a la producción o utilización de energía, m etabolon Grupo de enzimas que se encuentran localizadas dentro de la célula y realizan funciones conjuntas, m etahem oglobina Forma oxidada de he
moglobina que no puede cargar más oxí geno. m etaloproteína Proteína con un ion metá lico integrado en su estructura; las meta loproteínas enzimáticas suelen intervenir en reacciones de oxidación-reducción, m etam orfosis Transición entre distintas etapas de desarrollo, generalmente desde la larva al adulto, m etazoo Animal multicelular, micción Acción de orinar, m icela Monocapa de lípidos que se enrolla sobre sí misma para formar una esfera con un centro interno hidrofóbico y otro exterior hidrofílico. microclima Entorno externo dentro de un espacio delimitado, generalmente dis tinto de las condiciones generales, como por ejemplo las madrigueras subterrá neas; generalmente se utiliza para des cribir las condiciones experimentadas por un organismo (véase microentorno). microentorno Similar al microclima, pero se aplica al entorno que rodea desde moléculas individuales hasta animales enteros. microfilamentos Polímero de {3-actina utili zado en la construcción del citoesqueleto. microglia Una de las células gliales de los vertebrados en el sistema nervioso cen tral. m icrotúbulo Gran tubo hueco compuesto por una tubulina polimerizada; utilizado para construir el citoesqueleto. microvellosidades Extensiones similares a dedos de las células individuales, sos tenidas por microfilamentos, que sirven para incrementar el área de superficie, mielinización Proceso de formación de la vaina de mielina alrededor de un axón de los vertebrados, m ineralocorticosteroides Hormonas este roides necesarias para el equilibrio hídrico e iónico, m ioblasto Célula mononucleada prolife rante que se puede diferenciar para for m ar una célula muscular, miocardio Músculo del corazón, miocito Término general para una célula muscular, incluidas las células de los músculos lisos, cardiomiocitos y miofi bras. miofibrilla Largo haz de actina, miosina y proteínas asociadas en las células mus culares. miógeno Contracción muscular iniciada por un activador que procede directa mente del interior del músculo, como en un corazón miogénico. miometrio Capas de músculos lisos del útero. miosina Amplia familia multigenética de proteínas motoras dependientes de ATP que trabajan conjuntamente con la actina. El filamento grueso del músculo está com puesto de miosina, la cual está organizada en hexámeros compuestos de dos cadenas pesadas de miosina (MHC) y cuatro cade nas ligeras de miosina (dos MLC regulado ras y dos MLC esenciales), miotubo Etapa temprana en la diferencia ción muscular en la que múltiples mio blastos se fusionan para formar una célula tubular contráctil multinucleada. m itocondrias Orgánulos dentro de las célu las eucariotas que producen energía por
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fosforilación oxidativa, organizadas en varios tejidos como una red o retículo, modalidad sensorial Categoría de entrada sensorial que un sistema sensorial detecta (p. ej., luz, sonido, presión), modelo del mosaico fluido Modelo de una m em brana bicapa lipídica que incluye varios tipos de lípidos y proteínas y per mite movimientos de rotación y lateral libres. modificación covalente Alteración de una macromolécula por la adición (o elimina ción) de otra molécula para formar (o descomponer) una unión covalente, por ejemplo, glicosilación, metilación, acetilación y fosforilación, mol 6,02252 x 1023 moléculas de una sus tancia; el peso molecular de una sustancia es la masa de un mol de esa sustancia, molal (molalidad) Moles de iones o molécu las expresados en relación con los kilogra mos de los solventes (generalmente agua), molar (molaridad) Moles de iones o molé culas expresados en relación con los litros de los solventes (generalmente agua), monoacilglicérido (o monoglicérido) Áci do graso simple esterificado en una mo lécula de glicerol. monómero Subunidad simple de un multímero, como un dímero o trímero, monosacárido Azúcar, generalmente com puesto de 6 anillos de carbono (a veces 5), como la glucosa, monozigótico Que surge de un único zi goto. mucina Lipopolisacárida que es el compo nente principal de la mucosa, mucosa Se refiere a la capa interna de un tejido u órgano, generalmente la superfi cie expuesta a la luz de un órgano, como el tracto gastrointestinal (véase también serosa).
mucosidad Mezcla mucopolisacárida se cretada por células epiteliales especiali zadas sobre la superficie externa de un tejido. multiplicador contracorriente Estructura en la que dos líquidos fluyen en direccio nes opuestas a ambos lados de una superficie de intercambio, permitiendo el intercambio altamente eficaz de m ate riales, por medios activos, por ejemplo, por concentración de iones en el asa de Henle. músculo Tejido multicelular compuesto por miocitos, fibroblastos y células vasculares, las contracciones del miocito conducen a impulsar la generación o el acortamiento, músculo antagonista Músculo que se opone al movimiento de otro músculo, músculo asincrónico Músculo en el que la estimulación de una única neurona pro voca múltiples ciclos de contracciónrelajación. músculo blanco Tipo de fibra muscular especializada en contracciones rápidas y de alta intensidad que continúan durante un corto periodo de tiempo, compuesto generalmente por isomorfos de miosina de tipo Ilb. músculo cardiaco Forma de músculo es triado que se encuentra en el corazón, músculo ciliar Músculo que controla la forma de los cristalinos de los vertebra dos, encargados de producir una imagen focalizada.
m úsculo esquelético Denominación gene ral para describir el músculo estriado que trabaja conjuntamente con el endoesqueleto. músculo estriado Clase de músculo que posee filamentos gruesos y delgados orga nizados en formaciones regulares; incluye los músculos cardiaco y esquelético, músculo fásico Tipo de músculo que sufre rápidas contracciones y relajaciones; músculo de contracción, músculo liso Tipo de músculo que tiene una disposición irregular de filamentos gruesos y delgados y, por lo tanto, carece de sarcómeros. m úsculo tónico Tipo de músculo con una contracción lenta que persiste por varios periodos (véase músculo fásico). mutación Alteración heredable en la secuen cia de nucleótidos del DNA genómico.
neurona eferente Neurona que conduce impulsos desde un centro de integración a un efector. neurona m otora Neurona que transmite señales desde el sistema nervioso central a los músculos esqueléticos, neurona postgangliónica Neurona autó noma de los vertebrados que tiene su sinapsis en los ganglios neurovegetativos periféricos y extiende un axón fuera de la periferia; forma una sinapsis con la neu rona pregangliónica. neurona pregangliónica Neurona autó noma de los vertebrados que tiene su soma en el sistema nervioso central y forma sinapsis en los ganglios periféri cos. neurona sensorial Neurona que trans porta información sensorial desde la periferia al sistema nervioso central
Na+/K+ ATPasa Transportador iónico que expulsa 3 Na+ fuera de la célula, impul sado por la importación de 2 K+ y la energía de la hidrólisis de ATP. narinas Fosas nasales, natriurético Que conduce a la aparición de sodio en la orina, nefridio Tipo primitivo de túbulo de riñón encontrado en algunos invertebrados, tales como anélidos y moluscos; también puede referirse al riñón embrionario de los vertebrados, nefrona Unidad multicelular del riñón, que consiste en el túbulo y la vasculari zación que le sirve, generalmente un glomérulo. nervio Estructura con aspecto de cuerda compuesta por un grupo de axones neuro nales agrupados por tejidos conjuntivos, nervios craneales Grupo de nervios de los vertebrados que se originan en el encé falo. Los vertebrados tienen 12 o 13 pares de nervios craneales dependiendo de las especies, nervios raquídeos Serie de nervios apare ados que salen a intervalos regulares a lo largo de la médula espinal, neurógeno Contracción que ocurre como respuesta a un estímulo nervioso, neurogliocitos Grupo de varios tipos de células que proporcionan soporte estruc tural y metabólico a las neuronas, neurohipófisis Lóbulo anterior de la hipófi sis; secreta la hormona antidiurética y oxitocina. neurohorm ona Mensajero químico libe rado desde una neurona a la sangre, neurom asto Estructura que consiste en una copa llena de un gel viscoso y varias célu las pilosas; unidad funcional del sistema de línea lateral de peces y anfibios, neurona (célula nerviosa) Células especia lizadas del sistema nervioso que se comunican utilizando señales químicas y eléctricas. Muchas neuronas, pero no todas, son células excitables que generan potenciales de acción, neurona aferente Neurona que conduce una señal desde la periferia hacia un centro de integración (véase también
neurona unipolar Neurona con un proceso procedente del soma; este proceso suele dividirse en dos ramas: una transmite información hacia el soma y la otra trans mite información desde el soma, neuronas m ultipolares Neuronas con va rios procesos procedentes del soma; muchos de estos procesos son dendritas, pero uno puede ser un axón. neuropéptido Polipéptidos que actúan como neurotransmisores. neurotransm isor Mensajero químico libe rado desde una neurona a la hendidura sináptica. ninfa Forma larval de un insecto hemimetabólico que se asemeja en la mayoría de los aspectos a la forma adulta del insecto, con la excepción de que le faltan alas funcionales, no polar Que tiene baja solubilidad en agua u otros solventes polares, nociceptor (o nocioceptor) Receptor sensi tivo que responde a estímulos nocivos de varios tipos (p. ej., calor o frío extremos, presión extrema, sustancias químicas dañinas, daño tisular); receptores del dolor. nocturno Activo durante la noche, nodo de Ranvier Espacio de membrana axónica expuesta entre dos regiones de la vaina de mielina. nodulo auriculoventricular (nodulo AV) Parte de las vías conductoras del cora zón de los mamíferos; retrasa la conduc ción de la señal eléctrica entre la aurícula y los ventrículos, nodulo sinoauricular (nodulo SA) Rema nente de los senos venosos que se encuentran en la parte superior de la aurícula derecha del corazón de los mamíferos, norepinefrina (o noradrenalina) Neuro transmisor de catecolamina, en los verte brados, liberado por el sistema nervioso simpático. nucleador (o agente gen erad o r de n ú cleos) Molécula o partícula que activa la formación de hielo a temperaturas bajo cero. nucleasa Enzima que hidroliza ácidos nu cleicos; incluye DNasas y RNasas. núcleo am igdalino Parte del sistema límbico del encéfalo de los vertebrados que interviene en las respuestas emocionales como el miedo y la ira.
(véase neurona aferente).
neurona sensorial).
neurona bipolar Neurona con dos procesos principales que se dirigen desde el cuerpo celular, uno de los cuales transmite seña les hacia el soma y el otro desde éste.
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núcleos basales Grupos interconectados de materia gris dentro del encéfalo de los mamíferos, nucleósido Molécula compuesta de una base de nitrógeno (purina o pirimidina) unida a azúcar ribosa o desoxirribosa. nucleótido Nucleósido con uno o más gru pos fosfatos, tales como ATP. núm ero de Avogadro Número de molécu las en un mol (6,02252 X 1023). núm ero de recam bio Número de veces que la molécula enzimática simple completa un ciclo de reacción cada segundo; tam bién se conoce como constante catalítica num ero de Reynolds Numero sin dimen sión asociado a un objeto que refleja la facilidad con la que un líquido fluye sobre la superficie del objeto, n u trien te esencial Nutriente que no puede ser producido por el animal y, por lo tanto, debe obtenerse a través de la dieta. oído externo Porción externa del oído de los vertebrados (que, en los mamíferos, consiste en el pabellón auditivo y el canal auditivo). oído interno Serie de sacos membranosos que contienen los órganos de la audición y regulan el equilibrio en los vertebrados, oído medio Parte del oído de los vertebrados constituida por la membrana timpánica y uno o más huesecillos (en los mamíferos, el yunque, el martillo y el estribo) que ayu dan a amplificar los sonidos, ojo Órgano complejo que detecta la luz. ojo com puesto Tipo de ojo que se ve en los artrópodos; consiste en muchas estruc turas individuales fotorreceptivas. olfacción Detección de las sustancias quí micas ambientales exteriores al cuerpo: sentido del olfato, oligodendrocito Neurogliocito de los verte brados que forma la vaina de mielina de una neurona en el sistema nervioso cen tral. omatidio Unidad funcional del ojo com puesto de los artrópodos, onda P Una de las formas de onda de un electrocardiograma; representa la des polarización de las aurículas, onda T Porción de un electrocardiograma (EKG) que representa la repolarización del ventrículo, opérculo Cubierta endurecida tipo solapa de las branquias en los osteíctios. opsina Familia de proteínas G que está involucrada en la fototransducción vi sual. órgano de Corti Ubicado en la cóclea del oído interno, contiene las células ciliadas involucradas en el sentido de la audi ción. órgano eléctrico Músculo transdiferenciado de los peces que genera pulsos eléctricos para detectar objetos o para defenderse, órgano neurohem ático Región de múlti ples neuronas que secretan hormonas en la sangre. órgano timpánico Receptor sensitivo invo lucrado en la audición de los insectos; oídos de los insectos, órgano vom eronasal Órgano sensorial de los vertebrados adyacente a la cavidad
bucal y nasal que se encarga de detectar feromonas. orina Solución de desecho de nitrógeno pro ducida por el riñón o los tejidos renales, orina p rim aria Contenidos iniciales de la luz de una nefrona. En los vertebrados que poseen un glomérulo, la orina pri maria es el filtrado, osm oconform ador Animal que muestra una osmolaridad interna paralela a la del ambiente externo, osmol Mol de solutos osmóticamente acti vos. osm olaridad Semejante a la molaridad, es la concentración de osmolitos en una solución (osmoles por litro); abreviado como OsM. osmolito Soluto osmóticamente activo; cualquier soluto que tiene un efecto sig nificativo sobre la presión osmótica, osm orregulador Animal que presenta una osmolaridad interna que es controlada independientemente de la osmolaridad del entorno exterior, osmosis Movimiento de agua a través de una m em brana desde un área con gran actividad de agua a un área con baja actividad de agua, osteoblasto Célula precursora de huesos, otolito Gránulo pequeño mineralizado (ge neralmente carbonato de calcio) en el oído interno de los vertebrados. Involu crado en el sentido del equilibrio, ovíparo Animal que produce huevos que se abren fuera del cuerpo, ovocito prim ario Productos de ovogonios que han sufrido una prim era división meiótica para convertirse en células diploides que finalmente producirán un óvulo. ovocito Una de las etapas intermedias en el proceso de producción de un óvulo durante la meiosis. ovogenia Producción de un óvulo, ovogonios Después de que la célula germi nativa primordial entra en el ovario, se diferencia en un ovogonio, que sufre múltiples rondas de mitosis antes de entrar en la meiosis. ovovivíparo Animal que mantiene sus hue vos dentro del cuerpo hasta que estos se abren y luego libera a las crías activas, ovulación Liberación de un óvulo después de la rotura de un folículo, óvulo El gameto más grande de los dos en una especie que se reproduce sexualmente. A pesar de que a menudo el óvulo se define como el gameto producido por una hembra, en realidad esta definición es inversa: Un individuo es una hembra si tiene gónadas que pueden producir un óvulo. oxidación Reacción química en la que una molécula cede un electrón a otra molé cula, oxidándose, oxidante Molécula que acepta un electrón de otra molécula (el reductor). Al ha cerlo, el oxidante se reduce, oxitocina Hormona peptídica producida por la adenohipofisaria; induce la con tracción del músculo liso durante el parto. p50 Presión parcial a la cual un pigmento
respiratorio está saturado hasta el 50% con oxígeno.
Pabellón auditivo Estructuras cartilagino sas que forman el oído externo de los mamíferos, parabronquios Vías respiratorias más pe queñas del pulmón de un ave. paracrino Tipo de mensajero químico que está involucrado en la señalización local entre células cercanas; los mensajeros paracrinos se mueven a través del líquido intersticial por difusión, parálogos Genes que son el resultado de un suceso de duplicación de genes dentro de una línea (véase homólogos). p arten o g en ia Modo de reproducción ase xual donde la cría es producida por una hem bra como resultado de la variación en la vía meiótica. Debido a que la meiosis está involucrada, es posible la recombinación cromosómica y las crías partenogénicas no son clones del padre. partenogenia autom íctica Producción de descendencia por una hem bra en la que el segundo cuerpo polar se fusiona con el óvulo para producir una cría diploide. parto Proceso de nacimiento por el cual las crías de las hembras vivíparas y ovovivíparas son expulsadas del tracto repro ductor. parvalbúm ina Proteína de unión a Ca2+ en el citoplasma de algunos músculos, cuyos amortiguadores de Ca2+ se nivelan para acelerar el relajamiento, pentosa Monosacárido de cinco carbonos, como, por ejemplo, la ribosa y desoxirri bosa. péptido natriurético auricular (ANP) Hor mona peptídica producida en el corazón que ejerce efectos sobre el equilibrio iónico e hídrico que tienden a reducir la presión sanguínea. Incrementa el volu men de orina y la excreción de Na+. pérdida de agua transpiracional Pérdida de agua producida por el intercambio de gases a través de la superficie de respira ción. perfusión Movimiento de líquidos a través de un tejido (p. ej., corriente sanguínea a través de un lecho capilar), pericardio Saco que rodea el corazón, periodo de semidesintegración Periodo de tiempo requerido para que la mitad de la población de moléculas se convierta en otra forma; a menudo se aplica a la des integración radiactiva, periodo refractario absoluto Periodo du rante un potencial de acción, e inmediatemente posterior a éste, en el que una célula excitable no puede generar otro potencial de acción, cualquiera que sea la fuerza del estímulo, periodo refractario efectivo Periodo de tiempo en el cual un tejido excitable no puede ser estimulado debido a cambios en el potencial de la membrana, periodo refractario relativo Periodo inme diatamente posterior al periodo refracta rio absoluto en el cual una célula excitable generará un potencial de acción sólo si se expone a un estímulo supraumbral (inusualmente grande), periodo refractario Periodo en el cual una célula excitable tiene menos probabilida des de generar un potencial de acción {véanse periodo refractario absoluto y periodo refractario relativo).
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pcristaltism o Contracciones rítmicas del músculo liso intestinal, que impulsa el bolo alimenticio a lo largo del tracto gas trointestinal y mueven la sangre a través de los sistemas circulatorios de algunos animales. perm eabilidad Capacidad de una molécula de cruzar una barrera, como una mem brana. perm easa Transportador que media la difusión facilitada, pero no es ni un canal ni una porina. pez elasm obranquio Uno de los dos gru pos de peces cartilaginosos, que incluye mantas, rayas y tiburones. El otro grupo de peces cartilaginosos es el de holocéfalos (quimera manchada), pez teleósteo Subclase más común de los peces óseos. pH neutro pH al cual la concentración de H+ es igual a la de OH- , pigmento transportador de oxígeno Véase pigmentos respiratorios.
pigm entos biliares Productos de descom posición no digeribles de las porfirinas, incluidos los hemos que se encuentran en la hemoglobina y los citocromos. pigm entos respiratorios Metaloproteínas que actúan como moléculas de trans porte y almacenamiento de oxígeno (p. ej., hemoglobina), piloerección Movimiento de pelo o plumas perpendicular a la piel como respuesta a la contracción muscular, pilomotor Relativo a los nervios y músculos que cambian la orientación del pelo, pinocitosis Endocitosis de líquidos por la membrana plasmática (véasefagocitosis ). pirim idina Clase de base de nitrógeno con un aro; incluye citosina, tiamina y uracilo. pirógeno Entidad que hace que un homeotermo monte una respuesta inmunoló gica que culmina en fiebre, placa m otora term inal Ubicación en un músculo que forma la sinapsis con una neurona motora; lado del músculo de una intersección neuromuscular, placas de adhesión Complejo de proteínas de membrana que afirma los filamentos delgados a la membrana, placenta En los mamíferos euterios, mem brana derivada del corión embrionario que rodea al embrión, que actúa como la interfase entre los tejidos embrionarios y maternos. plasm a Fracción líquida de la sangre de los vertebrados, plasticidad fenotípica Producción de dife rentes fenotipos para un único genotipo como resultado de claves ambientales; puede ser reversible o irreversible (véase también aclimatación). plasticidad sináptica Capacidad de la sinap sis para cambiar sus estructuras y fun ción. plasticidad Véase plasticidad fenotípica. pleotropía Fenómeno en el cual un gen único es responsable de múltiples y apa rentemente independientes fenotipos, plexo mientérico Red de neuronas que se encuentra dentro del músculo del tracto gastrointestinal que controla sus accio nes musculares y secretoras. pN pH al cual un zwitterión no tiene carga neta.
poiquiloterm ia Estrategia termorreguladora por la cual un animal (un poiquilotermo) permite que varíe la temperatura corporal (!TB), generalmente con relación a condiciones ambientales, polar Véase hidrofílico. polifenismo Forma irreversible de plastici dad fenotípica, que suele inplicar vías de desarrollo alternativas, polímero Cadena de moléculas que se repi ten, como un polisacárido o un polipéptido. polipéptido Cadena de aminoácidos vincu lados por uniones peptídicas. polipnea Respiración rápida, polisacárido Cadena de monosacáridos vin culados por uniones glucosídicas. polisináptico Que conlleva más de dos si napsis; se utiliza en el contexto de vías reflejas. porfirinas Estructuras orgánicas en forma de aro que se unen a metales, principal mente hierro, pero también cobre; el hemo es el tipo más común de porfirina en los animales, porina Canal que permite la difusión facili tada de moléculas grandes; por ejemplo, la acuaporina es una porina que trans porta agua, posthiperpolarización Hiperpolarización prolongada que sigue a un potencial de acción. potenciación a largo plazo Aumento de larga duración de la respuesta postsi náptica como resultado de la estimula ción de alta frecuencia de la neurona presináptica. potenciación postetánica (PTP) Fenómeno en el cual una célula postsináptica res ponderá con un cambio inusualmente grande en el potencial de membrana durante varios minutos seguido de potenciales de acción repetidos en la cé lula presináptica. potencial clasificado Cambios en el poten cial de la m em brana de una célula que varían en magnitud con la intensidad del estímulo; resulta de la apertura y cierre de los canales iónicos, potencial de acción Cambio rápido, de amplitud relativamente grande, en el potencial de la m em brana de una célula excitable como resultado de la apertura y cierre de los canales iónicos regulados por voltaje, que intervienen en la trans misión de señales a través de grandes distancias en el sistema nervioso, potencial de equilibrio Potencial de mem brana en el cual un ion está en su equili brio de distribución a lo largo de una membrana, potencial de fosforilación Expresión del estado de energía; índice de acción de masas para una reacción ATPasa ([ATP]/[ADP][Pi]). potencial de la m em brana Gradiente eléc trico a través de la membrana celular, potencial de m em brana en reposo Poten cial de membrana de una célula excitable cuando no se están generando potencia les de acción o potenciales clasificados, potencial de receptor Cambio clasificado en el potencial de membrana en el inte rior de una célula receptora sensitiva derivada epitelialmente. El potencial de receptor activa la liberación de un neuro
transmisor a la neurona aferente prima ria, ocasionando un potencial clasificado postsináptico. Si este potencial postsináptico excede el umbral provocará potencia les de acción en el axón de la neurona aferente primaria, potencial um bral Valor crítico del poten cial de la membrana en una célula exci table en el cual la membrana debe despolarizarse para que se inicie un potencial de acción, potencial excitador Cambio en el potencial de membrana en una célula excitable que aumenta la probabilidad de iniciación del potencial de acción en esa célula, potencial generador Cambio en el potencial de membrana en la terminal sensorial de una neurona primaria aferente. Es un potencial clasificado proporcional a la intensidad de la señal. Si excede el umbral, provocará potenciales de acción en el axón de la neurona sensitiva, potencial inhibidor postsináptico (IPSP) Potencial inhibidor en una célula postsi náptica. potencial inhibidor Cambio en el potencial de m em brana que disminuye la probabi lidad del inicio del potencial de acción en una célula excitable, potencial excitatorio postsináptico (EPSP) Potencial excitador en una célula postsi náptica. potenciales de card io rreg u lació n Des polarizaciones espontáneas del poten cial de la m em brana en reposo que finalmente activa potenciales de acción dentro de las células cardiorregulado ras. preprohom ona Polipéptido inactivo grande precursor de una hormona peptídica (véase prohormona).
presión hidrostática Presión ejercida por un líquido en reposo, presión oncótica Presión osmótica de la sangre debida a la concentración de macromoléculas de mayor tamaño, prin cipalmente proteína, presión osmótica coloidal Véase presión oncótica.
presión osmótica Fuerza que surge debido a la tendencia del agua a moverse por osmosis. presión p arcial (de un gas) Presión ejer cida por uno de los gases en una mezcla de gas. La suma de las presiones parcia les de todos los gases en una mezcla da la presión total, presión transpulm onar Diferencia entre la presión intraalveolar y la presión intra pleural en los pulmones de los mamífe ros. presión Fuerza aplicada a una unidad de área de una superficie, principio de A ugust Krogh Principio de que para cualquier problema biológico existe un organismo sobre el cual puede ser estudiado adecuadamente, probóscide Única extensión de la cabeza, generalmente superior a la apertura bucal; la nariz, proenzim a Precursor catalíticamente inac tivo para una enzima; generalmente sufre un procesamiento proteolítico para convertirse en una enzima activa, prohorm ona Polipéptido formado mediante la escisión de una prehormona; precursor
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de la formación de una hormona peptídica. prolactina Hormona de la adenohipófisis que estimula la secreción de leche en los mamíferos y desempeña otros papeles más generales en el equilibrio iónico e hídrico de otros vertebrados, prom ontorio axónico Unión entre el soma y el axón de una neurona. En muchas neuronas, el promontorio axónico es el sitio de la iniciación del potencial de acción, que actúa como zona de disparo de la neurona, propiedades coligativas Cuatro propieda des de una solución debidas sólo a la concentración de soluciones y no a su naturaleza química, propiedades de cable Propiedades eléctri cas de los axones. proprioceptor Receptor sensitivo que pro porciona información acerca de la posi ción y movimiento corporales, prosencéfalo Porción anterior del encéfalo de los vertebrados, que consta del telencéfalo y el diencéfalo, proteasa Enzima que descompone las uniones peptídicas de las proteínas para generar polipéptidos o aminoácidos, proteasom a Complejo citoplasmático multiproteico que degrada las proteínas dañadas m arcadas con una molécula de ubiquitina. protein fosfatasa Enzima que elimina un grupo fosfato de una proteína. protein quinasa Enzima que une un fos fato a una proteína, mediante una molé cula de ATP como fuente de energía y fosfato. proteína Polímero de aminoácidos, gene ralmente incorporado en estructuras secundarias complejas, proteína anticongelante Proteína que afec ta al crecimiento de cristales de hielo, permitiendo a un organismo sobrevivir a temperaturas bajo cero, proteína asociada al m icrotúbulo (MAP) Proteína que se une a los microtúbulos para alterar las propiedades estructura les y funcionales, proteína de m em brana integral Proteína que está incrustada dentro de la mem b rana celular y sólo puede ser liberada con un tratamiento detergente que afecte a la membrana, proteína de m em brana periférica Proteína que está unida débilmente a la membrana a través de la interacción con una proteína de membrana lipídica o integral, proteína desacoplante (UCP) Clase de pro teína, que incluye termogenina (UCP1), que actúa disipando la fuerza motora del protón mitocondrial. p ro teín a G Tipo de proteínas triméricas de m em brana, asociadas con recepto res específicos transm em brana, que desem peñan un papel en la transduc ción de señales. Las proteínas G se unen a los nucleótidos de guanina; cuando se unen a GDP la proteína G está inactiva, pero cuando se une a GTP está activa. La subunidad alfa de la proteína G se mueve a través de la m em brana y actúa en pasos posteriores en la vía de trans ducción de señales, proteína intrínseca Véase proteína de membrana integral.
proteína receptora olfativa Receptor unido a proteína G que interviene en la detec ción de odorantes y, por tanto, en el sen tido del olfato, p roteína transportadora (o proteínas de unión; globulina de unión) Proteínas sanguíneas que ayudan a transportar moléculas hidrofóbicas (como las hor monas esteroides) en la sangre, proteínas chaperonas Véase chaperona molecular.
proteínas de choque térm ico Clase de chaperonas moleculares que aumentan en abundancia como respuesta a la tem peratura elevada; la expresión incluye los miembros de proteínas genética mente relacionadas que son constituti vas y no aum entan en expresión en respuesta al estrés térmico, proteínas m otoras Mecanoenzimas, como la miosina, que utilizan la energía de la hidrólisis de ATP para moverse a lo largo del citoesqueleto. proteoglicano Molécula compuesta de pro teína y glicosaminoglicano. proteólisis Descomposición de proteínas, generalmente mediante escisión hidrolítica de las uniones peptídicas por una proteasa. protofilam ento Cadena única de tubulina que existe antes de la formación de lámi nas o microtúbulos. p rotuberancia Región del encéfalo de los vertebrados que comunica información entre el tronco encefálico y los centros cerebrales m ás altos. Trabaja con la médula para regular la respiración, puente cruzado Unión de una cabeza de miosina a una subunidad de actina, un paso esencial en la actividad mecanoenzimática de la actinomiosina. puente de disulfuro Unión covalente entre dos grupos sulfhídricos, denotados como -S-S-; también se denomina como unión de bisulfuro. pulm ones Superficies respiratorias que se originan como invaginación de la super ficie corporal. Generalmente se utilizan para el intercambio gaseoso en el aire, pulm ones en libro Superficies respira torias de algunos quelicerados que res piran aire, como las arañas y los escorpiones, punto de fusión Temperatura a la que un sólido puede convertirse en líquido, cuando el punto de fusión y el punto de congelamiento no son iguales; esta histérisis sugiere la presencia de una solución que actúa de manera no coloidal, como la proteína anticongelante, punto isoeléctrico pH al cual una molécula ionizable no presenta una carga neta, pupila Abertura en el centro del ojo tipo cámara a través de la cual penetra la luz. p u rin a Clase de base de nitrógeno con dos anillos; incluye guanina y adenina.
nas que transporta lípidos desde el tracto digestivo a través de la circulación a los tejidos diana y de proceso, quim ioautótrofo Organismo que utiliza energía química inorgánica para conver tir fuentes orgánicas de carbono y ni trógeno en bloques de construcción biosintéticos. quimiocinético Incremento en el movi miento no direccional en respuesta a la detección de una sustancia química, quim iorreceptor Utilizado para describir tanto una célula que contiene proteínas quimiorreceptoras como las proteínas mismas. Sustancias químicas como las hormonas, odorantes y gustativos se unen específicamente a las proteínas quimiorreceptoras, que alteran su con formación y provocan una señal dentro de la célula quimiorreceptora. quim iorreceptores centrales Grupo de qui miorreceptores ubicados en la médula del encéfalo de los vertebrados, quim iorreceptores periféricos Quimiorre ceptores ubicados en los cuerpos aórti cos y carótidos de los vertebrados que detectan cambios en la química de la sangre. quimiotáxico Movimiento hacia mayores concentraciones de una sustancia quí mica. quitina Polímero de N-acetil glucosamina utilizado por los artrópodos para cons truir el exoesqueleto. radiación Emisión de energía desde un objeto. raíz dorsal Rama dorsal de las dos ramas del nervio espinal de los vertebrados cuando entra en la médula espinal. Con tiene neuronas aferentes, ram a entérica (tam bién división entérica; sistem a nervioso entérico) Parte del sistema nervioso autónomo de los verte brados que interviene en la regulación de la actividad intestinal, rango dinámico Rango entre las señales mínima y máxima que puede ser discri minado por un receptor sensorial, reacción acrosóm ica Exocitosis de la vesí cula acrosómica cargada de enzimas de esperma en respuesta al contacto con el óvulo. reacción cerca del equilibrio Reacción en la cual los productos y sustratos in vivo están cerca de las concentraciones que surgirían si la reacción enzimática fuera a alcanzar el equilibrio. Las concentra ciones de la reacción de sustratos y pro ductos. reacción endergónica Reacción que re quiere una entrada de energía Ubre, p ara la cual AG es positivo, reacción endotérm ica Reacción que tiene un AH positivo que requiere calor, reacción exergónica Reacción que requiere una entrada de energía libre, para la cual AG es positivo, reacción exotérm ica Reacción que tiene un valor de AH, que libera calor, reacción norm a Rango de fenotipos que pueden ser producidos por un genotipo dado cuando se expone a diferentes entornos. reacto r de flujo de pistón Tipo de reactor químico en el cual el flujo de entrada se
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mueve como un bolo a través del reactor tubular. reacto r de tanque con agitación de flujo continuo En la teoría de la respuesta intestinal, tipo de intestino en el que los nutrientes fluyen al intestino, donde se mezclan con los contenidos de éste, y simultáneamente el intestino expulsa líquidos que consisten en nutrientes par cialmente degradados, reacto r discontinuo Reactor químico en el que los nutrientes entran y salen a través de la misma abertura; los nutrientes son retenidos en el reactor y digeridos; el material no digerido es luego expulsado y reemplazado por otro grupo de nu trientes para que lo procesen, receptor a-adrenérgico Un receptor de la m em brana celular unida a la proteína G que une preferentemente la norepine frina con una afinidad menor por la epi nefrina. receptor de dihidropiridina (DHPR) Canal de Ca2+ que se encuentra en la mem brana plasmática del músculo, así lla mado debido a su capacidad para unir miembros de la clase dihidropiridina de fármacos. receptor de rianodina Canal de Ca2+ que se encuentra en el retículo sarcoplasmático del músculo, que permite que el Ca2+ escape al citoplasma para iniciar la con tracción muscular, receptor fásico Receptor sensitivo que pro duce potenciales de acción sólo durante parte del estímulo (normalmente en el comienzo y la eliminación del estímulo), receptor ionotrópico Proteína receptora que actúa como un canal iónico depen diente. receptor metabotrópico Receptor que se ñala a través de una vía de transducción de señales (véase receptor inotrópicd). receptor sensitivo Tejido, célula o proteína que detecta la información sensorial en trante. receptor tónico Receptor que produce po tenciales de acción a través de la dura ción de un estímulo, receptor transm em brana Proteína recep tora que abarca la m em brana celular; consiste en un dominio extracelular, un dominio transm em brana y un dominio intracelular. receptor Proteína o célula que puede detec tar un estímulo entrante, receptor acoplado a proteína G Receptor transm em brana que interactúa con una proteína G. receptores adrenérgicos Receptores para las catecolaminas norepinefrina y epine frina. receptores de acetilcolina m uscarínicos Receptores unidos a proteína G que se une a la acetilcolina. receptores nicotínicos de acetilcolina Canales iónicos regulados por ligando que se abren como respuesta a la unión de la acetilcolina. reciclado de la m em brana Intercambio de lípidos y proteínas de la m em brana entre el plasma y la red de la membrana interna. reclutam iento Estimulación de diferentes grupos de fibras musculares como res puesta a diferentes patrones de actividad.
red nerviosa Descripción de la estructura del sistema nervioso de los cnidarios. reducción Reacción química en la que una molécula acepta un electrón de otra molécula, reduciéndose, reduccionismo Enfoque filosófico que afir m a que los procesos complejos pueden comprenderse en términos de sus com ponentes. reductor Molécula que cede un electrón a otra molécula (el oxidante). Al hacerlo, el reductor se oxida, reflejo de H ering-Breuer Reflejo respira torio que reduce la respiración como res puesta al sobreinflado de los pulmones; interviene en la finalización de una res piración. refracción Flexión de la luz al pasar de un medio a otro, regla de Kleiber Observación de que el índice metabólico está relacionado con la m asa corporal en un exponente de 0,75.
regulación por disminución Disminución en la cantidad o actividad de una prote ína o proceso; por ejemplo, una disminu ción en la cantidad de receptores o actividad en una célula diana (véase también regulación por incremento). regulación por increm ento Incremento en el número de proteínas o de actividad en una célula diana (véase regulación por disminución).
regulador alostérico Molécula que aglu tina una enzima en un sitio distinto del sitio de unión del sustrato, para regular la actividad, regulador de oxígeno Animal que pre senta un ritmo respiratorio constante a pesar de una disminución en la presión de oxígeno, regurgitación Expulsión de los contenidos del estómago nuevamente subiendo por el esófago hacia la cavidad bucal, relación longitud-tensión Describe la in fluencia de la longitud del sarcómero sobre el desarrollo de la fuerza en el músculo; el músculo genera una fuerza óptima cuando la longitud del sarcómero es de aproximadamente 2 ¡xm (en la mayoría de los músculos), y la tensión se reduce a longitudes mayores o menores del sarcómero. ren al Relativo al riñón, repolarización Regreso del potencial de membrana de una célula hacia el po tencial de membrana en reposo después de la despolarización o hiperpolarización. representación de A rrhenius Curva que relaciona la tem peratura con la activi dad, permitiendo el cálculo de la energía de activación, reproducción asexual Producción de des cendencia sin la fertilización de un óvulo por el esperma (véase también partogenia automíctica).
reproducción clonal Forma de reproduc ción asexual donde un animal produce una descendencia genotípica idéntica (un clon). reproducción sexual Proceso en el cual dos células (cada una con la mitad del complemento genético normal como resultado de la meiosis y la recombina ción) se fusionan para formar una célula descendiente.
resistencia periférica Véase resistencia total periférica.
resistencia to tal periférica Resistencia de la red de vascularización, resistencia Fuerza que resiste el movi miento hacia adelante a través de un líquido, mediante interacciones con la superficie de un objeto, resistencia eléctrica Fuerza que se opone al flujo de carga a través de un circuito eléctrico. resistencia vascular Fuerza que se opone al flujo de sangre a través del sistema circulatorio, respiración Proceso por el cual las mito condrias consumen oxígeno y producen dióxido de carbono (véase respiración externa).
respiración cutánea Intercambio de gases a través de la piel, respiración ex tern a Proceso por el cual los animales intercambian gases con el ambiente para suministrar oxígeno a las mitocondrias y para eliminar el dióxido de carbono resultante (véase también respiración).
resp irad o r doble Animal que puede respi rar tanto en el aire como en el agua. También se llama respirador bimodal. resp u esta a la inm ersión Grupo de res puestas fisiológicas para forzar la inm er sión en animales que respiran aire, resp u esta aguda Fase rápida de respuesta a un cambio en las condiciones externas o internas, generalmente en segundos o minutos. rete carótida Red de vasos sanguíneos que enfrían el encéfalo, rete m irabile Red de vasos sanguíneos que sirven para retener calor a través de intercambios contracorriente, retículo endoplasmático (ER) Orgánulo intracelular que forma una red a través de la cual pasan los productos secreta dos y los componentes de la membrana plasmática, retículo sarcoplasm ático Retículo endo plasmático del músculo, retin a Capa de células sensibles a la luz que se alinean en la parte posterior de los ojos. retin al Derivado de la vitamina A que actúa como cromóforo absorbente de luz en los fotopigmentos animales, retroalim entación Mecanismo regulador donde un paso posterior en una vía oca siona un cambio en una parte anterior de la vía, ya sea disminuyendo el uso de ésta (retroalimentación negativa) o aumen tando su uso (retroalimentación positiva), retroceso elástico Movimiento resultante de la liberación de energía elástica alma cenada. ribete en cepillo Abundantes microvellosi dades de las células epiteliales en el tracto gastrointestinal, que dan al tejido una apariencia microscópica semejante a un cepillo, ribosom a Complejo de RNA y proteína que realiza la síntesis de proteínas, rigor Estado del músculoesquelético en el cual los puentes cruzados permanecen intactos debido a que se ha gastado la ATP de la célula, riñón Órgano que produce la orina, y, por lo tanto, regula los niveles de los des-
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echos de nitrógeno, las propiedades de los solutos líquidos extracelulares y la osmolaridad. ritm os circadianos Cambios regulares en la expresión genética, la bioquímica, la fisiología y el comportamiento que tie nen lugar en un periodo de aproximada mente 24 horas. Los ritmos circadianos endógenos persisten aun en la oscuridad permanente. RNA Polímero de ácidos ribonucleicos si milar al DNA salvo en que contiene ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en lugar de tiamina; incluye mRNA, tRNA y rRNA. Involucrado en la transfe rencia de información del DNA y en la síntesis de proteínas. RNA de transferencia Véase tRNA. RNA m ensajero Véase mRNA. RNA ribosómico Véase rRNA. rRNA Forma de RNA que se incorpora en el complejo riboproteína conocido como ribosoma. RNasa Enzima que degrada RNA ya sea desde el extremo (exonucleasa) o inter nam ente (endonucleasa). rodopsina Fotopigmento que consiste en la proteína opsina químicamente unida a un derivado de la vitamina A llamado retinal. rombencéfalo Porción posterior del encé falo de los vertebrados, que consta del cerebelo y el tronco encefálico, ru ta anfibólica Ruta metabólica que sinte tiza (catabólica) y degrada (anabólica) los metabolitos. rutas anabólicas (o anabolismo) Reaccio nes o vías metabólicas que producen mo léculas complejas a partir de moléculas simples. rutas catabólicas (o catabolismo) Vía meta bólica que degrada las macromoléculas en moléculas más pequeñas.
en la cual todas las proteínas disponibles se unen a su ligando. (2) Para ácidos gra sos, se refiere a las cadenas de ácidos grasos que no tienen uniones dobles. SDA Véase acción dinámica específica. secreción holocrina Tipo de secreción en la cual las células completas estallan liberando sus contenidos internos, secreciones exocrinas Secreciones de las glándulas exocrinas; incluye los mensa jeros y sustancias químicas como mucosidad, lodo y seda, secretagogo Sustancia química que induce la secreción de otra, generalmente un factor de señalización de una célula como una hormona, selección r Estrategia de historias de vida donde los padres invierten lo mínimo en gran cantidad de crías; mejor adaptados para explotar rápidamente nichos no suficientemente utilizados, seno venoso Cámara que lleva a la aurícula del corazón en vertebrados que no son mamíferos, sensibilización Proceso por el cual aumenta la respuesta de una neurona a un estí mulo. sensilio órgano sensorial de la cutícula de los insectos. Interviene en los sentidos del gusto, olfato, tacto y oído, serie de com ponentes elásticos Elementos de una estructura que pueden almacenar energía elástica cuando son deformados, serosa Se refiere a la capa exterior de un tejido u órgano (véase mucosa). serotonina Neurotransmisor (amina biógena) involucrado en establecer el humor y regular el flujo sanguíneo al cerebro. sinapsis eléctrica Unión entre neuronas en la cual la señal es transm itida como una carga eléctrica en lugar de a través de un neurotransm isor (véase también sinap
sacos pleurales Serie de membranas que rodean los pulmones de los vertebrados. Los sacos pleurales encierran la cavidad pleural. sal Molécula neutra compuesta de un anión inorgánico y un catión inorgánico liga dos por una unión iónica, como, por ejemplo, el NaCl (sal de mesa), sales biliares Ácido cólico conjugado con aminoácidos, principalmente glicina y taurina, que ayudan en la emulsificación de los lípidos en el interior del intestino delgado. saliva Solución de enzimas, sales y agua secretada en la cavidad bucal para lubricar, disolver y desestabilizar ali mentos. sangre Líquido circulatorio en animales con sistemas circulatorios cerrados. Generalmente contienen proteínas, iones, moléculas orgánicas y varios tipos de células. sarcolema Membrana celular de un músculo, sarcóm ero Unidad contráctil del músculo estriado, generalmente medido desde un disco Z al próximo, sarcoplasm a Citoplasma de una célula muscular; también se conoce como mioplasma. saturado, da (1) Para pigmentos respirato rios, receptores de hormona y proteínas de transporte; se refiere a una situación
sinapsis Intersección entre una neurona y otra neurona o célula efectora; consiste en una célula presináptica, la hendidura sináptica y una célula postsináptica. sinapsis quím ica Unión entre una neurona y otra célula en la que la señal se trans mite a través de la sinapsis en forma de neurotransmisor. sinergia Situación en la cual dos agentes o procesos tienen un efecto combinado mayor que la suma de los efectos de los dos agentes o procesos aplicados por separado. sistem a cardiovascular Expresión alter nativa para el sistema circulatorio de los animales como, por ejemplo, los verte brados. Está compuesto por el corazón, la sangre y los vasos sanguíneos, sistem a circulatorio abierto Sistema cir culatorio en el que la sangre pasa a tra vés de uno o más espacios no unidos llamados senos nasales, sistem a circulatorio cerrado Sistema cir culatorio en el que la sangre permanece dentro de una serie de vasos sanguíneos cerrados durante toda la circulación, sistem a circulatorio Grupo de órganos y tejidos involucrados en el movimiento de líquidos a través del cuerpo, que consta de una o más estructuras de bombeo y una serie de tubos a través de los cuales se mueven los líquidos.
sis química).
sistem a de línea la teral Órgano mecanoperceptivo en peces y anfibios que siente las vibraciones en el agua que rodea al animal. Contiene células pilosas agrupa das en estructuras llamadas neuromas tos. sistem a límbico Grupo de estructuras en el encéfalo de los vertebrados que está involucrado en procesos que incluyen las emociones y la memoria, sistem a nervioso autónom o Parte del sis tema nervioso periférico que controla ampliamente las funciones involunta rias, como, por ejemplo, la frecuencia cardiaca. Se divide en tres ram as princi pales: sistema nervioso simpático, parasimpático y entérico, sistem a nervioso cen tral Porción del sis tema nervioso que contiene los centros de integración primarios, sistem a nervioso parasim pático Parte del sistema nervioso autónomo de los verte brados; generalmente activo durante periodos de reposo; libera acetilcolina en los órganos diana, sistem a nervioso periférico (PNS) Todas las neuronas por fuera del sistema n er vioso central, sistem a nervioso Red de neuronas y sus células de soporte, sistem a nervioso simpático Parte del sis tema nervioso autónomo de los vertebra dos; activo durante periodos de actividad estresante, libera los neurotransmisores epinefrina y norepinefirna sobre los órganos diana, sistem a o cadena tran sp o rtad o ra de elec trones Serie de complejos de proteínas con transportadores móviles que produ cen un gradiente de protones en toda la membrana mitocondrial interna. Cons truye el gradiente bombeando protones a medida que transfiere los electrones de los equivalentes de reducción al oxígeno, formando agua, sistem a p o rta Dos lechos capilares conec tados por una vena porta (p. ej., sistema porta hipotálamo-hipofisario; sistema porta hepático-intestinal). Sistema p orta hipotálamo-hipofisario Sis tema de vasos sanguíneos dentro del hipotálamo y la hipófisis que transporta hormonas hipotalámicas a la hipófisis, donde regulan la liberación de hormonas hipofisarias. sistem a pulm onar Sistema respiratorio que consta de pulmones y la vasculariza ción asociada, sistem a tra q u eal Estructuras respiratorias de los insectos y otros grupos de artrópo dos de respiración aérea, sistem as de oxidorreducción Vía multienzimática utilizada para transferir a las mitocondrias la energía de los equivalen tes de reducción por glicólisis para la oxidación. sístole Fase del ciclo cardiaco en la cual el corazón está contraído, sitio activo Región de una enzima que une el sustrato y sufre cambios adaptativos para catalizar la reacción, sitio alostérico Región de una enzima, dis tinta del sitio activo, que une una molécula distinta al sustrato o producto, dispa rando un cambio estructural que altera las propiedades catalíticas de la enzima.
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sitio de cría Región bien vascularizada, sin plumas, en la parte inferior de las aves, importante para calentar huevos en de sarrollo. sobreenfriado Reducción de temperatura de un líquido por debajo de su punto de con gelación pero sin la formación de hielo, soluciones com patibles Solución que, en altas concentraciones, no afecta a la es tructura de la proteína o la cinética de la enzima. soluto Partículas (iones o moléculas) di sueltas en una solución, solutos co n trarrestantes Pares de solutos que actúan en conjunto para compensar los efectos perjudiciales que podrían aparecer si cualquiera de los solutos se presentara solo, solvente Líquido en el cual se disuelven los solutos. som a Cuerpo celular de una neurona. (J-oxidación Vía de catabolismo de ácidos grasos que producen acetil CoA y equiva lentes de reducción, subm ucosa Capa de tejido que se encuentra debajo de la capa de mucosa, suero Plasma sanguíneo tras la desapari ción de los factores de coagulación, sum a Véanse sumación espacial y sumación temporal.
sumación espacial Proceso por el cual los potenciales clasificados en diferentes puntos de la membrana (que tienen lugar al mismo tiempo) se combinan para influir sobre el potencial clasificado neto de una célula, sumación tem poral Proceso por el cual las proteínas clasificadas que se producen en distintos tiempos se combinan para influir en el potencial neto clasificado de la célula. tálam o Uno de los ganglios basales del encéfalo de los vertebrados que trans mite información sensorial a la corteza cerebral. taquicardia Latidos rápidos del corazón, ta sa de filtración glom erular (GFR) Can tidad total de filtrado por unidad de tiempo que pasa a través de los gloméru los a los túbulos de los riñones, tecto Región dorsal del mesencéfalo de los vertebrados que interviene en la coordi nación de las respuestas visuales y audi tivas. tegum ento Capa exterior de un animal, generalmente derivada de las células epiteliales y sus secreciones, tejido Conjunto de células relacionadas unidas por varios tipos de conexiones intracelulares. tejido adiposo blanco Tejido de almacena miento de lípidos, distinto del tejido adi poso marrón. Otros vertebrados carecen de tejido adiposo, y al tejido adiposo blanco se lo denomina simplemente “tejido adiposo”, tejido adiposo m arrón También conocido como grasa marrón, es un tejido termogénico que se encuentra en muchos mamíferos pequeños, generalmente en la región posterior o cervical. Las abun dantes mitocondrias en los adipocitos marrones poseen termogenina, proteína que desactiva la fosforilación oxidativa para incrementar la producción de calor.
tejido adiposo Tejido compuesto por célu las grasas (adipocitos) que producen y almacenan lípidos. tejidos caloríferos Denominación general para tejidos que sirven para elevar la tem peratura regional o sistémica de un animal, tal como el órgano calorífero de los peces de pico, te m p eratu ra absoluta Medida de tempe ratura en kelvin, donde 0 K (cero abso luto) es la tem peratura en la cual no existe movimiento atómico o celular. 1 unidad en la escala Kelvin equivale a I o en la escala Celsius. 0 K = -2 7 3 °C. te m p eratu ra corporal preferida Tempe ratura a la cual un animal funciona mejor; se logra mediante mecanismos fisiológicos que alteran la producción o pérdida de calor (principalmente en homeotermos) o mediante la elección conductual del hábitat (principalmente en poiquilotermos). te m p eratu ra crítica inferior (LCT) Tem peratura ambiente más baja en la cual un homeotermo puede sobrevivir du rante largos periodos; límite inferior de su zona termoneutra. te m p eratu ra crítica superior La tempera tura más alta a la que un animal homeotérmico puede vivir durante periodos prolongados; límite superior de la zona termoneutral. tendón Conexión entre un músculo y un hueso. tensioactivo Sustancia que baja la tensión superficial de los líquidos; secretada en los pulmones de los vertebrados, tensión superficial Fuerza de adhesión que une las moléculas de un líquido en la interfase con el aire, tensión m uscular Fuerza producida por un músculo que se contrae, teoría de respuesta intestinal Explicación matemática de la función óptima de varios tipos de tractos digestivos, mode lados según reactores químicos, teoría del filamento deslizante Modelo que describe la interacción entre la actina y la miosina durante el ciclo de puente cruzado, term inal axónico Extremo del axón que forma una sinapsis con una célula o neu rona efectora. term ogenia con escalofrío Producción de calor a través de la estimulación discordinada de las unidades contráctiles del músculo esquelético, term ogenia Producción de calor, term ogenia sin escalofrío (NST) Produc ción de calor por medios químicos sin contracción muscular. Generalmente se refiere a la producción de calor del tejido adiposo marrón; sin embargo, hay otros medios de NST. term ogenina Proteína desacopladora mi tocondrial que se encuentra en el tejido marrón de los mamíferos, term orreceptor Receptor sensitivo que responde a la temperatura, term orregulación conductual Utilización del comportamiento para controlar la tem peratura corporal de un poiquilotermo o para reducir el gasto de la termorregulación en el caso de un ho meotermo. termorregulación Estrategia fisiológica que
un animal utiliza para controlar la tempe ratura dentro del rango deseado, tétan o Contracción sostenida de un mús culo que surge de múltiples estimulacio nes sucesivas, titin a Proteína de gran tamaño que discu rre a lo largo del filamento en los múscu los estriados, determinando su longitud, y que se orienta hacia el sarcómero. tonicidad Propiedad de una solución extracelular que determina si una célula se dilatará o contraerá, tono vasom otor Nivel de contracción del músculo liso que rodea a las arteriolas (;véase tono venomotor).
tono venom otor Nivel de contracción del músculo Uso que rodea las venas (véase tono vasomotor).
to rp o r Tipo de letargo caracterizado por un periodo corto de hipometabolismo. trabajo Transferencia de energía que se pro duce cuando se ejerce una fúerza sobre un cuerpo para hacer que se mueva, traducción Síntesis de proteínas utilizando ribosomas y algunas plantillas de mRNA. transcripción Síntesis de RNA utilizando la plantilla de DNA de un gen. transducción sensorial Proceso de conver tir la información sensorial entrante en cambios del potencial de m em brana de la célula. transducina Inhibidor de la proteína G in volucrado en la señal visual de los verte brados. tran sferen cia de calor rad ian te Emisión de energía térmica desde un objeto caliente a su entorno más fresco, transm isión sináptica Proceso de transm i tir información a través de una sinapsis neuronal. transporte activo Movimiento mediado por una proteína de una sustancia a través de una membrana con la utilización de alguna forma de energía. El transporte activo primario utiliza ATP. El transporte activo secundario utiliza un gradiente electroquímico (véanse también difusión fac ilita d a y transporte pasivo). tran sp o rte activo prim ario Transporte activo que utiliza directamente energía química o luminosa, como una ATPasa bombeadota de iones; diferente del transporte activo secundario, en el que una entidad es impulsada por gradientes electroquímicos transm em brana de otra entidad que está siendo transportada, tran sp o rte activo secundario Transporte de una molécula a través de la mem brana contra su gradiente electromecá nico, impulsada por el cotransporte de otra molécula a lo largo del gradiente electroquímico, tran sp o rte axonal rápido Proceso por el cual las vesículas que contienen neuro transmisores son transportadas desde el soma al terminal axónico de la neurona; requiere motores moleculares, tran sp o rte axónico Movimiento mediado por el citoesqueleto de los orgánulos y las vesículas a lo largo del axón. transporte m ediante transportador Todas las formas de transporte a través de las membranas que requieren una proteína, tran sp o rte pasivo Movimiento a través de la membrana celular sin una inversión de energía diferente del gradiente quí
G lo sa rio
mico de la molécula transportada; inclu ye tanto la difusión pasiva como la difu sión facilitada, tráq u ea Larga vía aérea simple que con duce los pares bronquiales de los pul mones de los vertebrados; además, la estructura respiratoria no homologa que representan las aerovías conductoras principales en los sistemas traqueales de los artrópodos, traqueóla Estructura terminal del sistema traqueal de los artrópodos a través del cual tiene lugar el intercambio de gases, triacilglicerol (o triglicerina) Tres ácidos grasos esterificados en una molécula de glicerol. trifosfato de adenosina (ADP) Nucleótido compuesto por adenina nucleósida con tres grupos fosfatos, con dos uniones fosfodiéster de alta energía, trím ero Molécula compuesta de tres subu nidades. tRNA (o RNA de transferencia) Molécula de RNA que se une a un aminoácido en particular, y participa en la traducción, uniéndose a una secuencia de tres nu cleótidos de mRNA (codón) para trans ferir el aminoácido a un polipéptido creciente. tropoblasto Capa externa de células deri vadas del blastocito de los mamíferos que forman la interfase entre el óvulo fertilizado y la pared uterina, tropom iosina Proteína reguladora que se expande a través de siete monómeros de actina en un filamento delgado; controla el acceso de la miosina a su sitio de unión en el filamento delgado, troponina Proteína reguladora trimérica unida a la tropomiosina. Responde al Ca2+ alto induciendo tropomiosina para moverse a una posición que permita a la miosina unirse a la actina. tubos de Malpigio Equivalente funcional de un túbulo renal en los insectos, que liberan orina en el intestino, tubulina Subunidad proteica monomérica de los microtúbulos; en sí misma es un dímero de a-tubulina y p-tubulina. túbulo colector Tubo que recibe los líqui dos de los túbulos distales de la nefrona y se vacía en el cáliz menor del riñón, túbulo del riñón También conocido como túbulo renal, es la unidad de filtración simple de los riñones de los vertebra dos. túbulo distal Región del túbulo distal del riñón de un vertebrado justo antes de los túbulos recolectores, túbulo próximo Región de un túbulo del riñón de los mamíferos o aves que se encuentra entre la cápsula de Bowman y la ram a descendente del asa de Henle. túbulos transversales Véase túbulo-T. túbulo-T Extensión de la membrana plas mática (sarcolema) de algunos músculos que sirve para mejorar la conducción del potencial de acción hacia la fibra. ubiquitina Pequeña proteína que se agrega a las proteínas dañadas por la degrada ción por la proteasoma. UCP Véase proteína desacoplante. unidad m otora Grupo de fibras muscula res bajo el control de una única neurona.
unión herm ética Tipo de conexión intrace lular capaz de impedir el movimiento libre de moléculas entre las células, unión hidrofóbica Interacción débil entre dos grupos o moléculas no polares que sucede por su aversión mutua por el agua. unión neurom uscular Sinapsis entre una neurona motora y una célula musculoesquelética. unión peptídica Unión de carbono y nitró geno (-C-N-); más común en los políme ros de aminoácidos, uniones débiles Uniones iónicas, uniones hidrogenas, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas. uniones tipo gap Poro acuoso entre dos células que permite que los iones y las moléculas pequeñas se muevan libre mente de célula a célula; está formada por proteínas llamadas conexinas en los vertebrados e inexinas en los invertebra dos. uniportador Clase de transportador que transporta una entidad simple (ion, átomo, molécula) en cada transferencia, u rea Desecho de nitrógeno que posee dos átomos de nitrógeno por molécula, ureotélica Estrategia excretora en la que la urea es superior a los desechos de nitró geno. uréter Tubo que conecta el riñón a la vejiga, u re tra Tubo que transporta orina desde la vejiga urinaria a la abertura excretora, uricotélica Estrategia excretora en la que el ácido úrico es el desecho de nitrógeno dominante. vacuola alimenticia Vesícula fagocitaria que se fusiona con otras vesículas y orgánulos de procesamiento para digerir los nu trientes. vaina de m ielina Envolturas aislantes de los axones de los vertebrados que están compuestas de múltiples capas de mem brana plasmática de neurogliocitos. Los axones de los invertebrados tienen envolturas análogas, pero no se suelen denominar vainas de mielina. varicosidades axónicas Tipo de sinapsis donde la célula presináptica libera un neurotransm isor a una serie de inflama ciones a lo largo del axón. vascularización Vasos sanguíneos del sis tema circulatorio, vaso quilífero central Pequeño vaso en forma de bolsa en la vellosidad intesti nal, que recolecta lípidos que cruzan el epitelio intestinal, vasoconstricción Estrechamiento de los vasos sanguíneos como resultado de la contracción del músculo liso vascular; disminuye el flujo sanguíneo local, vasodilatación Dilatación de los vasos san guíneos como resultado de la relajación del músculo Uso vascular; aum enta el flujo sanguíneo local, vasos sanguíneos Tubos que transportan sangre a través del cuerpo de un animal, velocidad de reacción máxima (Fmax) índice enzimático máximo calculado desde la curva de velocidad de un sustrato; se puede estimar por el índice enzimático observado cuando está ausente el pro ducto y las concentraciones de sustratos son óptimas.
vellosidades Ondulaciones y pliegues que sirven para aum entar el área de superfi cie; se ven con más frecuencia en el tracto gastrointestinal, vena p o rta Vaso sanguíneo que transporta sangre de un lecho capilar a otro; parte de un sistema porta, vena Cada uno de los vasos sanguíneos que hacen regresar la sangre al corazón. En los vertebrados, la sangre fluye desde los capilares a las vénulas y luego hasta las venas. ventana oval Membrana situada entre el oído medio y el oído interno de los verte brados. Vibra para transm itir el sonido al oído interno, ventana redonda Membrana situada al final de la cóclea. Actúa como un libera dor de presión para el líquido del oído interno. ventilación Movimiento activo del medio de respiración (aire o agua) a través de la superficie respiratoria, ventilación pasiva Estrategia de ventila ción en la cual el movimiento hacia ade lante del animal proporciona la fuerza propulsora necesaria para el flujo global del medio de ventilación a lo largo de la superficie respiratoria. Se ve en algunos peces e insectos, ventrículo Cavidad o bolsa llena de líquido (p. ej.: el espacio en el centro del encéfalo de los vertebrados; las cámaras de bom beo muscular del corazón de los verte brados). ventrículo cerebral Véase ventrículo. vénulas Vasos sanguíneos pequeños ubica dos entre los capilares y las venas, vesícula biliar órgano que almacena la bilis producida en el hígado, vesícula Compartimento unido a la mem brana que brota de la red membranosa intracelular, a menudo en proteínas recubridoras como la clatrina. vesículas sem inales Par de glándulas que almacenan esperm a y secretan los nutrientes y líquidos que forman el semen, vaciándolo en el conducto defe rente en la eyaculación. vesículas sinápticas Neurotransmisor que contiene vesículas que liberan un neuro transm isor en una sinapsis. vía biliar Conexión entre el hígado y el intestino delgado, vía de control reflejo Véase arco reflejo. vía paracelu lar Conducto de solutos o agua entre las células; en la mayoría de los tejidos epiteliales, las uniones herméti cas y otras uniones entre células evitan el movimiento paracelular de los líqui dos. vía uricolítica Vía de descomposición de ácido úrico presente en todos los animales, vías anapleróticas (o anapleurosis) Reac ción metabólica que rellena los interme dios de las rutas, viscosidad Propiedad interna de un líquido que se traduce en la resistencia del flujo. Los líquidos espesos son muy viscosos, visión binocular Habilidad de comparar las imágenes procedentes de dos ojos para producir una percepción tridimen sional. vitam ina Compuesto alimenticio que sirve como precursor para los grupos prostéti cos de proteínas, sobre todo enzimas.
745
746 G lo sario
vitelina Proteína dominante en el vitelo producido por la vitelogenina. vitelo Depósito de lípidos y proteínas (sobre todo vitelina) asociado con un óvulo. vivíparo Animal cuya descendencia se des arrolla internamente y es liberada como cría activa (véanse ovíparo y ovovivíparo).
Vmax índice máximo de catálisis de una enzima, aparece cuando todos los sus tratos se encuentran en concentraciones óptimas (saturadas) y antes de la forma ción del producto. V0max índice máximo sustentable de con s u m o de oxígeno que presenta un ani mal. El medio experimental para evaluar el V0¡!max difiere entre las disciplinas.
volumen corriente Volumen de un medio respiratorio llevado dentro o fuera de una estructura respiratoria en una sim ple respiración, volumen sistólico Volumen de sangre bom beado por el corazón en un solo latido, volver al hogar Movimiento que devuelve a un animal a su territorio. xérico Entorno seco, deshidratante. yeyuno Región intermedia del intestino delgado, flanqueada por un duodeno anterior y un íleon posterior, yunque Uno de los tres huesecillos del oído medio de los mamíferos. zigoto Célula simple que surge de la fer tilización de un óvulo y el esperma.
zona H Región central del sarcómero que corresponde a la ubicación de los filamentos gruesos donde no hay sola pamiento con los filamentos finos; la zona H se reduce de tamaño con las con tracciones. zona pelúcida Matriz extraceluiar de glucoproteínas engrosada del óvulo de un mamífero; se une al esperma para ini ciar la reacción acrosómica. zona te rm o n eu tra l Rango de tem pera tura am biente sobre el cual un animal no necesita alterar su proceso m etabó lico p ara m antener la constancia interna. zw itterión Molécula con grupos que puede volverse positivos y otros que pueden volverse negativos.
índice tem ático Las referencias de página que terminan con f ig indican una figura ilustrada, con t
indican una tabla; con/indican una fotografía; con n indican una nota al pie. a-gliceraldehído, 39 a-lactalbúmina, 698 a-tubulina, 211 a-ecdisona, 673 a-lámina, 46, 47fig a-oxidación, 80 a-tubulina, 211 ©3 ácidos grasos, 531 (o6 ácidos grasos, 530 ©-oxidación, 80 11-ds retinal, 296 fig 2,3 difosfoglicerato (2,3-DPG), 458, 466, 466 fig 2.3-DPG, 458, 466, 467 2.3-DPG, 458, 466, 467 20HE, 67 2fig, 673 20-hidroxiecdisona (20HE), 150, 672fig, 673 A
Abomaso, 553 Acción de palanca, 596-597 Acción dinámica específica (SDA), 530 Acelomado, da, 549, 549'fig Acetil-CoA ácidos grasos, 82 almacenamiento de alta energía, como, 63 ciclo TCA, 69 estructura química, 61fig PDH, 69 produccción (metabolitos diversos), 68, 6 ?fig Acetilcolina (ACh), 17 5 ,196í control de la frecuencia cardíaca, 378, 379fig digestión, 557t estructura, 199 motilidad gastrointestinal 563 1, 564 fig neuronas motoras eferentes, 340 síntesis/reciclado en la sinapsis, U S fig vasoconstricción/vasodilatación, 396í Acetilcolinesterasa, 175 ACh. Véase Acetilcolina Ácido carbónico, 36í Ácido decanoico, 42í Ácido desoxirribonucleico (ADN), 48-52 Ácido fosfórico, 36í Ácido gamma-aminobutírico (GABA), 195, 196í, 563í Ácido graso AGV, 41 cómo se almacena, 42 cuerpos cetónicos, 83-84 definido, 41-42 fuente alimentaria, 42 1 LCFAs, ácidos grasos de cadena larga, 41 lista de, 42í MCFAs, ácidos grasos de cadena media, 41 oxidación, 80-81
PUFAs, ácidos grasos poliinsaturados, 41 saturado, 41 síntesis, 82 sintetasa (FAS), 82'fig volátiles (VFAs), 41 Ácido linoleico/linolénico, 530-531 Ácido tetradecanoico, 42í Ácido úrico, 494, 497 Ácidos nucleicos, 49-52 Acidosis metabólica, 461 Acidosis respiratoria, 461 Acidosis, 457,461,465, 586 Aclaramiento renal, 500 Aclimatación térmica, 647 Aclimatación, 15-16, 260, 407, 647, 650651 Aclimatización, 15-16, 464-466, 647, 650651 Acomodación, 301 Acoplamiento de excitación-contracción, 227í, 231-237 Acrosoma, 221, 221 fig ACTH, 142,145 fig , 311fig , 351 Actina, 96, 219-224, 225í crecimiento, 219fig efecto noria (“treadmilling”), 219, 219 fig monómeros, 219 polimerización, 220-221 redes, 220 fig Activación alostérica, 59, 60 fig Activación covalente, 59, 60 fig Activadores, 52 Actividad actina-miosina, 222-223, 229, 233 Actividad de la actina-miosina del músculo, 222-223, 229, 233-234 Actividad física (ejercicio), 409-411 Actividades bruscas, 586 Acuaporinas, 91,482, 486/¿<7, 505, 511, 513fig, 515 Adaptación homeoviscosa, 88, 643, 650 Adaptación metabólica al frío, 648 Adaptación térmica en microtúbulos, 217 Adaptación a grandes alturas, 417, 466-467 a la temperatura, 217, 647-653 a los entornos secos, 473, 482, 520 al congelamiento, 653-654 definición, 16-17 enzimática 648 homeoviscosa, 88, 643, 650-651 para inmersión, 467-469 sensitivo, 268 Adenilato ciclasa, 131 Adenina, 49fig Adenohipófisis, 143,143 fig Adenosina, 196í, 396f, 563í ADH (hormona antidiurética). Véase vasopresina Adipocitos, 43-41 AdK, 566 ADN, 48-52 de desecho, 51 Adrenalina. Véase Epinefrina Aerodinámica, 609-617 Afinidad con el oxígeno, 452-459 Agitación del gaznate, 662 Agonistas, 117 Agua, 29-39
Agua alimenticia, 477 Agua dulce, 475 Agua líquida, 30 Agua metabólica, 477 Agua salada (ambientes marinos), 475 Alanina, 45fig Alantoides, 690 Alantoína, 494-495 Alas, 613-614, 612 Alatostatinas, 674 Alatotropinas, 674 Albuterol, 338 Alcalosis, 461,464-466, Alcalosis metabólica, 461 Alcalosis respiratoria, 461 Aldosterona, 152, 511-513, 523 Aleloquímicos, 139 Alelos, 105 Aletas, 613 Aletas caudales, 613, 614 fig Aletas de caudal heterocercales, 614 Aletas de caudal homocercales, 614 Aletas de peces, 613, 614fig Almacenamiento de alta energía, 63 Almacenamiento de esperma, 688 Aloenzima, 105 ALT (alanina aminotransferasa), 493 Alt AT (aspartato aminotransferasa), 493 Altricial, 694 Alvéolos glándulas mamarias, 696 sistema pulmonar, 444-445 Amilasa, 532 Amilopectina, 40 fig Amilosa, 40 fig Aminas biógenas, 1 3 6 ,196f, 199-200 Amino ácidos no polares, 45 fig, 46 Amino ácidos polares, 4 5 , 45fig Aminoácidos, 44, 45 fig, 196 1, 530 Aminoacil tRNA, 103 Aminos, 134í, 136-138,199 Amniocentesis, 447 Amnion, 690 Amniotas, 682, 690 Amoniaco, 474 n, 492-493, Amonio, 36t Amoniotelia, 493 Amoniotélicos, 4 9 1 ,492í Amortiguadores biológicos, 38 1 AMPc (monofosfato de adenosina cíclico), 127,130-131,149 y aprendizaje y memoria, 349 y contractilidad cardíaca, 383 y migración, 589 y motilidad intestinal, 563 y neurotransmisión, 200-202 y osmorregulación, 516 y potenciales de cardiorregulación, 378 y receptores sensitivos, 272, 275fig y secreción de ácido, 561 y vasopresina, 511, 513 fig Ampollas, 286, 289fig de Lorenzini, 265, 285 Anádromos, 488 Anastomosis, 374, 660 arteriovenosa, 660 Andrógenos, 67 2fig, 673, 683í, 694 1 Androstenediona, 672 fig 747
748 ín d ic e te m á tic o
Anemia, 458 Antipático, 43 Angiogenia, 392, 393 Angiotensina I, 513, 521 Angiotensina II, 396í, 513, 514, 521 Anhidrasa carbónica, 458 Anhidrobiosis, 478 Animales bentónicos, 603 Animales del desierto, 478, 520 Animales estenohalinos, 475, 477 fig Animales eurihalinos, 475,477 fig Animales semiacuáticos, 615 Anión, 28 Anisogamético, 671 Ano, 548 Anoxia, 76, 534 funcional, 76 Antagonismo hormonal, 699 Antagonistas, 117 Antidiuréticos, 507 Aorta, 364, 373 dorsal, 364 ventral, 364 Apagamiento, 296 Aparato de Golgi, 98 Aparato vestibular, 286 Aparato yuxtaglomerular, 510, 513, 521 Apareamiento. Véase Reproducción Apetito, 557-560 Aplicaciones comunicación célula a célula y diabetes, 149 dietas animales y salud humana, 540 estrógenos ambientales, 137 síndrome de doble corteza, 330 subtipo receptor y diseño de fármaco, 338 Apnea, 425í Aprender, 346-350 Árboles respiratorios, 430 Arco reflejo, 341-342 Arco reflejo autónomo, 340 fig Arco reflejo de dos neuronas, 341fig Arco reflejo monosináptico, 341, 342 Arco reflejo polisináptico, 342, 342'fig Arcos branquiales, 433 Área de superficie, 637 Áreas de asociación, 332, 332'fig Arginina vasopresina (AVP), 135fig. Véase también vasopresina Arginina, 45fig, 530 Aristóteles, 5, 264, 314, 574 ARN de transferencia (ARNt), 49 ARN mensajero (ARNm), 49 ARN ribosómico (ARNr), 49 ARNm, 49 ARNt, 49,104 Aromatasa, 678 Arrenotoquia, 677 Arrhenius, Svante, 644 Arritmia, 240 Arteria, 364 Arteria pulmonar, 365 Arterias coronarias, 369 Arterias, 358fig, 390fig, 391, 394 Arteriola aferente, 501fig, 508-511, 522 Arteriola eferente, 500-501 Arteriolas, 391, 394-395
Asa de Henle, 500 fig, 502, 506-507, 519 Asimilación, 528 Asma, 338 Asparagina, 45 fig Aspartato, 45fig, 196 1 Aspiración pulmonar sistemas de, 447 Astas dorsales, 322 Astas ventrales, 322 Astrocitos, 180 Atletas animales, 603-604 ATP (Trifosfato de adenosina), 50, 61 fig, 61-63 ATP (trifosfato de adenosina), 50, 61fig, 61-63 ATPasa de tipo F, 91-92 ATPasa de tipo P, 91 ATPasa de tipo V, 91-92 ATPasas, 91 actividad de la actinomiosina, 222-223, 229, 233-234 ATPasa de tipo F, 91 ATPasa de tipo P, 91 ATPasa de tipo V, 91 Ca2+ATPasa, 91,174, 242-246, 481, 532 cinesina, 216 dineína, 216-218 FjF0ATPasa, 72 H+ATPasa, 488, 512, 517, 560 miosina, 222 Na+/K+ATPasa, 67,162, 237, 481, 487, 489,491,503,514, 643 Atresia, 693 Audición, 281-292. Véase también. Equilibrio y audición Aumento del volumen regulador (RVI), 480 Aurículas, 358 Autofosforilación, 124 Autorregulación, 385 miogena, 395 AVP, 135fig Axón gigante del calamar, 190 Axonema, 217, 218 fig Axones gigantes, 188-190 Axones, 157fig , 158 diversidad, 177,17 8fig gigantes, 9, 95,188-182,191 fig mielinización, \12fig, 190-191 señalización, 165-172 B
Balsas lipídicas, 88, 644 Banda A, 228 Banda I, 228 Banda III, 460 Barbas de la ballena, 476 Barorreceptor, 277,401, 402 Barorreceptores del cuerpo aórtico, 402 Barorreceptores del cuerpo carotídeo, 402 Barotrauma (enfermedad por descompresión), 469 Barrera hematoencefálica, 322 Barrera hidrofóbica, 482 Bartholomew, George, 6 Bases, 35, 36í Basófílo, 408 Bastones, 294, 294í BAT (Tejido adiposo pardo), 73, 657 Beaumont, William, 526
Benceno, 30t Beriberi, 527 Bernard, Claude, 5, 526 Bilis, 555 Bioinformática, 103 Bioluminiscencia, 62 Biomoléculas, 39-63 ácidos nucleicos, 48-52 carbohidratos, 39-41 enzimas, 52-63. Véase también Enzima lípidos, 41-44 proteínas, 44-50 Biosíntesis de carbohidratos, 77-80 Biosíntesis de esteroides, AAjíg Blastema, 251 Blastocele, 549 Blastocisto, 689, 693 Blastoporo, 542 Bloqueo cardiaco, 382fig Bloqueo de puentes cruzados, 256 Bmp4, 547 Boca masticadora, 542 Boerhaave, Hermann, 5 Bomba musculoesquelética, 400-401,400 fig Bomba respiratoria, 401 Bombas, 357-358, 400-401 Bombesina, 563t Bombikol, 139, 273 Botón terminal, 194 Botulismo, 115 Bradicardia, 383 Bradicardia de inmersión, 469 Bradicardia sinusal, 382fig Bradiquinina, 396í Branquia, 425, 429-434 Branquias de los peces, 487-489 Branquias traqueales, 436 Brett, J. R., 575 Broncoconstricción, 447, 463 Broncodilatación, 447 Bronquio, 441 Bronquiolos, 444 Bronquios dorsales, 443 Bucle de retroalimentación corto, 144, 146/jjr Bucle de retroalimentación directa, 140, U lf ig , U 2 fig
Bucle de retroalimentación larga, 144, 146/zsr Bucle de retroalimentación positiva, 14 Bucles de retroalimentación, 4 ,1 4 ,1 4 0 , 141/ z<7 comportamiento y, 341-342, 344-345 de prim er orden, 140,141 fig de segundo orden, 1 4 0 , 141fig de tercer orden, 1 4 0 , 141fig positivo, 169,169 fig regulación de la ventilación, 461-463 riñones, 510-511, 514 sistema circulatorio y, 339fig, 379-381, 386-387 sistema endocrino y, 140-146 Bucles de trabajo, 602-603 Bulbo arterioso, 371 Bulbo olfativo accesorio, 685 Bulbo olfativo, 329 Bulbo raquídeo, 325-326 Burdon-Sanderson, John, 155
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c Ca2+, 127-128,173-174 Ca2+activado (canal KCa), 182í Ca2+-calmodulina-caldesmona, 254 Cadena larga de ácidos grasos (LCFAs), 41 Cadenas ligeras de miosina, 222 Cafeína, 118, 276 Calbindina, 532 Calcio. Véase Ca2+ Calcitonina, 148í Caldesmona, 254 Calmodulina, 128 Caloría, 529 n Calorimetría, 529 Calostro, 697 Calsecuestrina, 243 CaM cinasa II (CaMKII), 128, 350 Cambio de sexo, 678 Cambios sarcoméricos-contracción muscular, 238-239 Campo receptivo, 265 Campo visual, 303 Canal A (canal Ka), 182í Canal ACh (canal KACh), 182í Canal auditivo, 285 Canal de Ca2+, 90 Canal de fuga de K+, 185 Canal de K+, 9 1 ,182í Canal de KA, 182í Canal de KACh, 182í Canal de Kta, 182í Canal de KIRa, 182í Canal de Km, 182í Canal de potasio, canal de K+, 9 1 ,182í Canal iónico regulado por ligando, 121-122 Canal M (canal KM), 182í Canal regulado por ligando, 90, 90 fig Canales, 90, 90fig Canales atípicos, 379'fig Canales iónicos regulados, 90, 90 fig, 91, 160. Véase también Canales iónicos regulados por voltaje Canales iónicos, 90,162 Canales regulados por voltaje, 85, 86 fig, 159,166-170,181-183,203 canales de K+, 166-170,181 canales de Na+, 166-170,182,183, 203 Canales semicirculares, 286, 289fig Cannon, Walter B., 5 Capa de hidratación, 31 Capa límite, 606, 606fig Capacidad vital, 448, 449fig Capacidad de inspiración, 448, 449fig Capacidad para transportar oxígeno, 450 Capacidad total del pulmón, 448, 449fig Capacitación, 686 Capacitancia, 187 Capilar fenestrado, 391, 391fig Capilar sinusoidal, 391, 391fig Capilares, 390 fig, 391 Capilares aéreos, 443 Capilares continuos, 391, 391/z<7, 398 Capilares glomerulares, 501 Capilares linfáticos, 399 corriente sanguínea, 392, 591 Fuerzas de Starling, 398 glomérulo, 500 rete mirabile, 457
Capsaicina, 308 Cápsula de Bowman, 500, 500fig Carbaminohemoglobina, 454, 458 Carbamoilfosfato sintetasa (CPS), 495, 496 Carbohidratos, 39-41 Carboxipeptidasa, 555 Cardiomiocitos, 230, 239, 240, 243fig, 370 Cascada de la coagulación, 409 Cascada de triposinogeno, 555, 556fig Cascadas de fosforilación, 122 Caseína, 698 Castas sin alas, 612 Catádromo, 488 Catecolaminas, 134í, 199, 200 fig, 351 Catión, 28 Causa inmediata, 16 Cavidad gastrovascular, 360 Cavidad peritoneal, 549 Cavidades labiales, 308 CCK, 142, 557í, 561, 563í Cefalización, 318 Celoma, 549-550 Celomocitos, 406 Célula de señalización, 113 Célula epitelial receptora sensitiva, 263fig Célula postsináptica, 173 Célula presináptica, 173 Células alveolares de tipo 1, 444 Células alveolares de tipo I I , 444 Células amacrinas, 302 Células B, 408,408 fig Células bipolares, 302, 304 Células CAI, 349 Células caliciformes, 555 Células cardiorreguladoras, 240, 342, 377-380 Células de cloruro, 487 Células de cristal, 406 fig Células de ganglios retínales, 310 Células de ganglios, 302-304 Células de la cresta neural, 546, 547 Células de Leydig, 683, 68 3fig Células de Paneth, 555 Células de Schwann, 170 Células de Sertoli, 683, 683fig Células ECF, 561 Células enteroendócrinas, 554, 555 Células estrelladas, 516 fig, 516 Células excitables, 92 Células flamígeras, 515 Células G, 561 Células horizontales, 302, 304 Células interrenales, 151,151 fig Células intersticiales de Cajal, 562 Células madre, 409,409 fig Células madres linfoides, 409fig Células madres mieloides, 409fig Células mesangiales, 501 Células mucosas del cuello, 554 Células objetivo, 112 Células parietales, 554 Células pavimentosas, 487 Células pilosas internas, 290 Células pilosas, 281 Células PNA-, 487 Células PNA+, 487 Células principales, 554 Células secretoras, 516
Células T, 408, 408/2# Células tipo enterocromafín (ECF), 561 Celulasa, 533 Celulosa, 40, 533 Centro de control cardiovascular, 402 Centro de gravedad, 617, 622 Ceramida, 44 Cerebelo, 324, 324-325, 326, 314í Cerebro, 327, 327 fig Cetogenia, 83 Cetólisis, 84 cGMP (monofosfato de guanosina cíclico), 127-128 CGRP (proteína reguladora del gen de calcitonina), 563í Chaperonas, 48 moleculares, 48 Ciclo cardíaco, 374-377 Ciclo de la ornitina-urea, 495,496, 495 fig Ciclo de puente cruzado, 223, 232, 233, 235,239, 256 Ciclo de trabajo, 224 Ciclo del ácido láctico, 587 Ciclo del ácido tricarboxílico, 69-70 Ciclo estrual, 691, 692 fig Ciclo fútil, 655 Ciclo menstrual, 691 Ciclo vital, 670 fig Ciclos de ovulación, 691-693 Cilios, 216 Cinesina, 97, 216 Cinestesia, 281 Cinética enzimática, 55-57, 645-647 Cinocilio, 281 Circuito pulmonar, 365-366 Circuito sistémico, 365 Circuitos pulmonar/sistémico separados, 366-368 Circunvolución, 330 Cisterna, 45fig Cisterna terminal, 243, 243fig Citocinesis, 218t Citocromo oxidasa, 644 Citocromo P450 aromatasa, 673 Citoesqueleto, 91, 96-97 y microvellosidades, 551 y movimiento celular 210-221, 248 y piel, 482-484 y receptores táctiles, 277 y regulación del volumen celular, 480 Citoglobina, 451 Citosina, 49fig Clasificación intracelular, 97 Cloaca, 430 Clorocruorina, 451 Cloroformo, 30t C02. Véase Dióxido de carbono Coágulo de sangre, 408 Coanocitos, 360,428, 541, 542fig Cociente respiratorio (RQ), 86, 587 Cóclea, 286 Codificación logarítmica de señales, 268 Coeficiente de difusión, 32 Coeficiente de elevación, 609 Coeficiente de Hill, 57 Coeficiente de resistencia, 609 Coenzimas, 52, 53í orgánicas, 53t
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Cofactores, 52, 53í Coincidencia entre respiración y perfusión, 448-449 Colágeno, 66f 67, 67 fig, 99-100, 280, 373, 390, 562, 595-596, 624 Colecistocinina (CCK), 142, 557í, 561, 563í Colesterol, 44, 87-88, 537, 645 Colinoacetiltransferasa, 175 Colon, 548, 560 Coloración del cuerpo blanco, 635 Columnas, 331 Columnela (Weber), 290, 290fig Combustible metabólico y ejercicio, 590 fig Comisuras, 318 Complejo pineal, 330 Complejo preBotzinger, 462 Complejo QRS, 382 Complejo troponina-tropomiosina, 233-235 Complejos de proteínas mecanosensibles, 278fig Comportamiento natatorio, 343-344 Comportamientos involuntarios, 341-342 Comportamientos reflejos, 341 Comportamientos rítmicos, 342 Comportamientos voluntarios, 341 Composición corporal, 603 Compuerta de activación, 167 Compuestos de fosfoguanidina, 63 Comunicación célula a célula. Véase Señalización celular Conceptos de ingeniería, 11 Condiciones estándar, 54 Condrocitos, 595 Conducción intermitente, 170 Conducción, 633-634 Conductividad térmica, 634, 635í Conducto coclear, 286 Conducto deferente, 685-686 Conducto neumático, 459 Conductos linfáticos, 399 Conexinas, 114 Conexones, 114 Conformador de iones, 475 Conformistas, 12 Conjunciones, 318 Cono arterioso, 371 Cono axónico, 158,165 Conservación de Km, 59, 647 Constante de afinidad, 118,119 Constante de equilibrio, 36 Constante de longitud, 185 Constantes de tiempo, 187 Consumo elevado de oxígeno post ejercicio, 587fig Contracción auricular prem atura (PAC), 382fig Contracción isométrica, 238, 599 Contracción isotónica, 238, 599 Contracción isovolumétrica, 375 Contracción muscular cardíaca, 225í Contracción muscular de los invertebrados, 248-249 Contracción muscular. Véase también Movimiento celular y músculos músculos en los invertebrados, 248-249 músculos estriados de los vertebrados, 231-246 músculos lisos, 254-255 Contracción ventricular, 394fig
Contracciones peristálticas, 358, 35 8fig Contractilidad, 383 Contratransporte, 92 Control de temperatura, 307-308. Véase Fisiología térmica Control de transcripción, 100-101 Control hormonal apetito, 557-560 ciclo de ovulación, 694í ciclo reproductor, 691 contracción del músculo Uso y, 255 digestión, 557 1, 560, 561-567 diuresis, 511, 517 eclosión, 674 equilibrio iónico e hídrico, 507, 511-514 espermatogenia, 683í estrés, 135, 310, 351-352 eventos postparto, 696í evolución de, 147-152 gestación, 696 1 hipófisis, 142-143,144/, 145/, 311.fig, 310-311,676 fig hipotálamo, 145fig, 148í hormonas diuréticas de insectos, 517 maduración sexual, 683í metabolismo (insectos), 566fig migración, 624 motilidad del intestino, 561-564 oxidación de combustible en los músculos, 588-589 parto, 696f producción de leche, 695-690 remodelación muscular y, 247, 253-254 reproductoras, 135, 672-675, 694í sexo, 675-677, 683, 694í, 698-699 síntesis/degradación de glucógeno, 78-80 sistema cardiovascular, 377-378, 383384, 396í, 397 tem peratura corporal, 658fig Controles antagonistas, 14 Convección, 633, 634-635 Convergencia, 303, 341, 342'fig Cooperatividad, 454 Coordinación del comportamiento, 341-345 COP-I, 97 COP-II, 97 Coprofagia, 531 Corazón, 368-385. Véase también Sistema circulatorio acetilcolina, 378, 379'fig anfibios, 371 artrópodos, 368 aves, 373, 373-374 células cardiorreguladoras, 377-378 ciclo cardíaco, 374-376 control de la contracción, 377-386 derivación, 372fig, 372, 374 despolarización, 380, 380 fig EKG, 381 frecuencia cardiaca (HR), 383 gasto cardiaco, 383 mamíferos, 373, 375-376 Mecanismo de Frank-Starling, 385, 385fig miocardio, 370 órgano integrado, como, 382 peces, 371, 371.fig potenciales de acción, 378, 378fig, 381382
program a genético en desarrollo, 369 reptiles, 372-373 sistema endocrino, 383-384 sistema nervioso, 378, 383-384 sístole/diástole, 367 vertebrados, 368-374 vía transmisora, 380 volumen sistólico, 383, 383-384, 384-385 volumen telediastólico, 375, 384 Corchetes ([]), 32n Coriogenia, 681 Corión, 681, 690 Córnea, 299, 300 Comeocito, 482, 484fig Cornetes respiratorios, 428 Coroide, 300 Corpora aflata, 566 Corpúsculos de Pacini, 280-281 Corpúsculos de Ruffini, 280 Correr, 622, 623fig Corriente sanguínea, 386-389, 392-401, 403-404, 660 Corteza, 330-332 Corteza adrenal, 148í, 152 Corteza motora primaria, 332, 332fig Corteza somatosensitiva, 332, 332fig Corteza visual, 305 Corticosterona, 565 Corticotropina (ACTH), 142,145.% 311fig, 351 Cortisol, 351,511,565 Cortisona, 565 Costes de la locomoción, 618-625. Véase también Energética del movimiento COT mínimo, 619 COT, 618, 619 Cotransportador, 92 Cotransporte de glucosa-Na+, 92, 92fig Cotransporte de Na+-glucosa, 92, 92fig Cotransporte unidireccional, 92 CPK (creatina fosfocinasa), 63, 73 CPS (carbamoilfosfato sintetasa), 495, 496 CPT (carnitina palmitoiltransferasa), 81 Creatina fosfocinasa (CPK), 63, 73 CREB-1, 349 Crecimiento de cristales de hielo, 30, 653, 654fig Cresta, 281 dorsoventricular (DVR), 324 Criptas de Lieberkühn, 555 Cristalino, 300 Cromóforo, 296 Cromosoma Y, 675 Cromosomas, 51, 51fig Cronotrópico, 383 CSF (Líquido cefalorraquídeo), 322 Cuerdas tendíneas, 373 Cuerpo aórtico, 463 Cuerpo calloso, 328 Cuerpo carótido, 463 Cuerpo ciliar, 300 Cuerpo luteínico, 693 Cuerpo polar, 671fig , 677fig Cuerpos cetónicos, 83 Cuidado paternal de la cría, 698 Cúpulas, 284, 286, 287, 290 Curva de ratón a elefante, 624
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Curvas de equilibrio de dióxido de carbono, 459 Curvas de equilibrio de oxígeno, 451-453 Cutícula, 484 CVP (presión venosa central), 401 D
daVinci, Leonardo, 574 DAG (diacilglicerol), 128, 563 Darwin, Charles, 154, 542, 616 D-desoxirribosa, 49fig Defensas de las especies de presa, 569-570 Degradación de ARN, 101-103 Dendritas, 157,177-180 Densidad corporal, 603 Depósito de volumen para la sangre, 401 Depredación, 569 Depresión del punto de congelamiento, 654 Depresión sináptica, 202 Derivación de derecha a izquierda (D-I), 372 fig, 372 Derivación de izquierda a derecha (I-D), 552fig , 372 Derivación, 372fig, 372, 374 Derivados de la guanidina fosforilada, 63 Desactivación, 657 Desarrollo embrionario, 695fig Desarrollo postfertilización, 689-690 Desaturación de ácidos grasos, 650 Descomposición/transporte de carbohidratos, 533, 535, 536fig Deshidratación, 478, 521-523 Deslizarse, 610 Desnaturalización, 29,48 fig, 58fig, 648-653 Desoxirribonucleótidos, 48, 49fig Desplazamiento de cloruros, 460 Despolarización, 93, 93fig, 158,162 fig, 165, 380, 380fig Desviación genética, 17 Determinación de sexo, 675-679 Determinación sexual dependiente de la temperatura (TSD), 678 Deuda de oxígeno, 587 Deuterosomas, 549 DeVries, Art, 654 DHPR, 242-243 Diabetes, 147, 393 de tipo 1,147 de tipo II, 147 Diacilglicérido, 42 Diacilglicerol (DAG), 128, 563 Diadromo, 488 Diámetro arteriolar, 397 Diamond, Jared, 536 Diástole, 367, 368, 376, 376 fig Dicrómatas, 307 Diencéfalo, 326í Dientes, 544-545, 545fig Diestro, 692fig Difusión, 24, 32, 54, 357, 412-421, 591 facilitada, 90-91 pasiva, 89-90 Digestión de la esponja, 542fig Digestión de la serpiente pitón, 568, 568í Digestión, 526-572 ácido linoleico/linolénico, 530-531 aminoácidos, 530 animales letárgicos, 567-568
apetito, 557-560 boca masticadora, 542-543 compartimientos especializados, 551-553 descomposición/transporte de carbohidratos, 533, 535, 536 fig dientes, 54-545, 545fig digestión/transporte de proteínas, 536-537, 537fig encontrar/consumir comida, 539-545 energía alimentaria, 529-530 enzimas digestivas, 532 esponja, 541 fig estómago, 554 glándulas salivales, 553-554 hormonas digestivas, 556-566, Véase también Hormonas, intestino bidireccional, 546, 550 intestino delgado, 555 intestino, 59-551, 552fig intestinos, 554-555 lípidos, 537-539 mandíbula, 543-544 membrana, 553 minerales, 532 motilidad del intestino, 561-565 organismos simbióticos, 532-533 páncreas, 555, 561 período de privación de comida, 565-568 picos de ave, 544, 546-547 pitón, 568 presentación, 528 regulación de, 556-564 respuesta a la inanición, 566-567 secreción intestinal, 561, 561 fig secreciones, 560, 561,fig sistema digestivo de cnidarios, 542fig sistemas digestivos, 545-546 teoría de la respuesta intestinal, 558-559 topografía intestinal, 551 fig toxinas alimentarias/defensas de las especies presa, 568-570 tracto gastrointestinal, 548 transiciones metabólicas entre comidas, 564-568 vitaminas, 531-532, 531 1 Dineína, 97, 216 Dineínas axonemales, 216 Dineínas citoplasmáticas, 216 Dingle, Hugh, 625 Dióxido de carbono (C02), 396í acidosis/alcalosis respiratoria, y, 461 efecto Bohr, 454 solubilidad, 421 transporte, 459 Dipéptido, 46 Disacaridasas, 532 Disacáridos, 39 Disco óptico, 303 Disco Z, 228 Discos de Merkel, 280 Disminución del volumen regulador (RVD), 481 Disnea, 425f Dispersión de pigmento, 218í Distancia de difusión, 591 Distancia focal, 301, 302 Distensibilidad pulmonar, 446 Distensibilidad, 387, 401fig, 446
Distrofina, 219 DIT (diyodotirosina), 137,13 8fig Diuréticos, 498, 507, 517 Divergencia, 341 Diversidad de estructura muscular, 246-256 Divertículos, 546, 54 8fig Diyodotirosina (DIT), 137,138 fig Dominio de transactivación, 121 Dominio de unión al ADN, 121 Dominio de unión al ligando, 120 Domino de unión a ATP, 106 Dopamina, 196í D-ribosa, 4 ?fig Dromotropía, 383 DupÜcaciones del genoma, 107,108 fig Dupücaciones genéticas, 105-107, 209, 309, 654 Duramadre, 322, 322fig DVR (Cresta dorsoventricular), 324 E
ECA, 513 ECA, Enzima de conversión de la angiotensina, 513 Ecdisis, 673 Ecdisona, 150, 672fig Ecdisteroides, 672fig, 673 Ecdisterona, 150 ECJ, 540 ECK, 381 Eclosión, 674 Ecolocación, 285, 290 Ectotérmicos, 638, 639-642 Ecuación de Arrhenius, 644 Ecuación de difusión de Einstein, 357 Ecuación de equilibrio térmico, 634 Ecuación de Fourier, 634 Ecuación de Goldman, 95,159 Ecuación de Henderson-Hasselbalch, 36 Ecuación de Nernst, 94,161 Ecuación de Stefan-Boltzmann, 635 Edema, 399, 499 pulmonar, 399,466 pulmonar de altitud, 466 EEB, 540 Efecto Bohr, 454, 454fig Efecto de desalación, 457 Efecto de Fahraeus-Lindqvist, 387 Efecto de Founder, 17 Efecto de Windkessel, 387 Efecto Haldane, 460 Efecto noria (“treadmilling”), 219, 219fig Efecto Root, 455, 455fig, 457 Efectos de la inercia, 607 Efectos viscosos, 607 Efedrina, 338 Eficiencia locomotora, 618-625 Egestión, 528 Eicosanoides, 132 Eje hipotálamo-hipofisario, 676 fig Ejercicio combustibles, 590fig, 620-621, 627 evolución, 620-621 índice metabólico, 567, 654 prolongado, 620 recuperación, 586-587 tem peratura y, 455, 655, 660 ventilación y, 446, 455,461, 470
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EKG (electrocardiograma, ECG), 381 Elasticidad pulmonar, 446 Elasticidad, 446 Elastina, 99 Electrocardiograma (EKG, ECG), 381 Electrocitos, 251 Electrorrecepción, 285 Electrorreceptores, 264 Electrotónico, a, 162 Elementos móviles, 106 Elevación, 609-613 Emergencia, 8 Empalme alternativo, 105 ENaC, 277 Encefalina, 557í Encefalitis espongiforme bovina (EEB), 540 Encéfalo, 318 áreas asociativas, 332, 332 fig cerebelo, 324, 326, 326í corteza, 330-332 estructura, 325fig hipotálamo, 328 isocorteza, 324, 330 lóbulos, 321,332 fig locomoción, 344-345 materia blanca, 322 materia gris, 322 mesencéfalo, 323, 324, 326í movimiento voluntario, 345-346 partes del, 326í prosencéfalo, 323, 324, 326í, 327 sistema límbico, 329 tálamo, 330 tamaño, 323-324 tensión, 351-352 vesículas, 323fig Endocardio, 370 Endocitosis, 97, 646 fig Endoesqueleto, 593 Endolinfa, 290 Endoneurio, 318 Endorfinas, 196í Endosimbiontes, 66, 532 Endosomas, 98 Endotelina, 396í Endotelio, 364, 370, 390 fig vascular, 390 Endotermia, 630. Véase también Fisiología térmica en reposo, 662 Endotérmicos, 638, 639-642, 658-659 Energética del movimiento, 618-625 correr, 619-621, 623fig COT, 618,619 estilo de movimiento, 619 migración, 626 nadar, 622-623, 623fig recambio de ATP, 618 tamaño corporal, 623-625 velocidad de movimiento, 619 volar, 623, 623 fig Energética, 22 Energía, 22-26, 599-600 alimentaria, 529-530 cinética, 22 de activación, 25 de enlace, 27 digerible, 529fig
elástica almacenada, 23, 597 eléctrica, 23 en bruto, 529 indigerible, 529fig libre, 54 mecánica, 23, 599 metabolizable, 530 neta, 530 potencial, 22 química, 23 radiante, 23, 635 térmica, 23, 25, 54 Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (ECJ), 540 Enfermedad de las vacas locas, 540 Enfermedad de Parkinson, 327 Enfermedad por descompresión, 468 Enfermedad renal, 523 Enfisema, 446 Enlace de bisulfuro, 47 Enlace iónico, 28 Enlaces covalentes, 26, 27í, 28fig Enlaces hidrofóbicos, 29 Enlaces químicos, 26-29 Entalpia, 25 Enterocele, 549 Enterocitos, 551, 551fig , 554 Enterosimbiontes, 532 Entrada quimiosensitiva, 462 Entrecruzamiento desigual, 107fig Entrecruzamiento igual, 107fig Entrega de oxígeno al músculo, 591-593 Entropía, 22, 54 Envoltura cornificada, 482 Enzima amplificadora, 127 Enzima, 52-63 afinidad, 56 ambiente fisicoquímico, 57-59 catalizador orgánico, como, 52 definida, 52 Ecuación de Michaelis-Menten, 56 energía de activación de reacción, 53-55 equivalentes de reducción, 59 homorópica, 56 propiedades, 52 regulación alostérica/covalente, 59,60 fig Representación de Lineweaver-Burk, 56, 57fig sitio activo, 53 Enzimas digestivas, 532-533 Enzimas homotrópicas, 56 Enzimas receptoras, 122-125 receptor de guanilato ciclasa, 122-123, 124fig receptor de serina/treonina cinasas, 123fig, 125,125 fig receptor de tirosincinasas, 123fig, 124-125 Eosinófilos, 407 Ependimocitos, 181 Epicardio, 369 Epidídimo, 685 Epinefrina, 196í asma, 338 digestión, 557í neuronas motoras eferentes, 341 neurotransm isor y hormona, como, 137 potencial de autorregulación, 378
vasoconstricción/vasodilatación, 369 1 volumen sistólico, 383 Epineurio, 318 Epitálamo, 330 Epitelio alveolar, 444 Epitelio impermeable, 486 Epitelio permeable, 486 EPOC (elevado consumo de oxígeno posterior al ejercicio), 587 Equilibrio de agua. Véase Equilibrio iónico e hídrico Equilibrio del pH, 499 Equilibrio iónico e hídrico, 472-525 ácido úrico, 494,497 aldosterona, 511-513 amoníaco, 492-493 amoniotelismo, 493 angiotensina I, 513 animales del desierto, 478, 520 ANP, 514 branquias de peces, 487-489 deshidratación, 478, 521-523 esmoltificación, 488, 489fig excreción de nitrógeno, 474, 491-498 GFR, 508-511 glándula de sal, 490-491 glándula rectal, 491 ionoconformador/ionorregulador, 47 5 ionorregulación, 474, 475-482 osmoconformador/osmorregulador, 475 osmorregulación, 474, 475-482 presentación, 474 presión de filtración glomerular, 508-510 presión sanguínea, 512, 521-523 riñón. Véase Riñón. RVD, 481 sed, 514, 514/in solutos, 476-482, 486 tegumento, 482-485 tejidos epiteliales, 482-491 tracto digestivo, 489 transporte paracelular, 486-487,489 transporte transcelular, 486-487,489 urea, 494-498 ureotelismo, 471fig, 494-498 uricotelia, 492í, 494 vasopresina, 511, 513fig víarenina-angiotensina-aldosterona, 513-514 Equilibrio iónico, 498 Equilibrio potásico, 498 Equilibrio y audición, 281-292 células pilosas externas, 292 células pilosas, 281-284 estatocistos, 281 invertebrados (equilibrio), 281 oído externo, 285, 286fig, 290 oído interno, 286-292 oído medio, 285, 286fig, 290 vertebrados (equilibrio), 286-287 vertebrados, 284 Equivalentes de reducción, 59 Erección, 687, 688 fig Eritrocitos, 406 fig, 407 Eritropoyetina, 409 Escafognatito, 4 3 0 , 430fig Escala alométrica, 12 Escala delpH, 35
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Escamas, 483 Escleritos, 598 Esclerótica, 300 Esclerotización, 594 Escolopidia, 279, 279fig Escolopóforo, 279 Escorbuto, 527 Escrotadura dícrota, 382 Escualeno, 44 Esfingolípidos, 43, 87 Esfingomielina, 43 Esfingosina, 44 Esfínter, 552 Esmoltificación, 488-489fig Esófago, 548, 548fig Espacio muerto, 447 anatómico, 447 fisiológico (VD), 447 Especies modelos, 9 Especies reactivas al oxígeno (ROS), 71 Esperma (espermatozoo), 670 Espermatida, 683t Espermatogenia, 682-688 Espiración, 442 Espiráculos, 432 Espongocele, 428 Esqueleto hidráulico, 577 Esquizocelia, 549 Estado de ionización de las moléculas, 37 Estado de oxidorreducción, 61 Estado de protonación de las moléculas, 37 Estado de transición, 25 Estados hipometabóücos, 465, 567, 587, 662 Estatocistos, 280 fig, 281 Estatolítico, 281 Esteno térmico, 641 Estequiometría ecológica, 556 Esterasa, 16 Estereocilios, 281 Estimulación de alta frecuencia, 349-350, 350fig Estimulación de baja frecuencia, 349-350, 350 fig Estímulo adecuado, 264 Estómago, 554 Estradiol-1713, 672fig, 678 Estratega tipo K, 668 Estratega tipo K, 668 Estratega tipo r, 669 Estrategia de historias de vida, 668 Estrategias de defensa químicas, 569-570 Estrategias térmicas, 632, 635-642 Estrato córneo, 482, 484fig Estrés, 351-352 crónico, 351-352 encéfalo, 351-352 hormonas, 135 proteínas, 649-651, 652 reproducción, 698-700 térmica, 649-651 Estribo, 286, 290 Estro, 692fig Estrógenos, 137, 67 2fig, 673, 691, 694í ambientales, 137 Estructura cuaternaria, 47 fig, 47 Estructura de la cromatina, 51 fig Estructura del huevo, 646-648
Estructura prim aria, 46, 47fig Estructura secundaria, 46-47 Estructura terciaria de proteínas, 47fig, 47, 48fig Estructura terciaria, 47fig, 47, 48% Estructuras de miosina, 222 Estudios de selección, 620-621 Etanol, 30í Etapa post-hiperpolarización, 165 ETS, 70-72 Eucarioto, 66 Eulamelibranquia, 429 Eupnea, 425t Euritérmico, 641 Evaporación, 633 Evitar congelamiento, 654 Evolución y diversidad adaptación térmica en microtúbulos, 217 animales del desierto, 520 derivaciones en los cocodrilos, 374 electrorrecepción, 285 estrategias respiratorias e insectos acuáticos, 436-437 feromonas, 684-685 hemoglobinas de efecto Root y vejigas natatorias, 456-457 hormona esteroide de los artrópodos (ecdisona), 150 músculos sónicos, 235 orígenes del vuelo, 612 receptores unidos a pro teína G, 126 simbiontes quimiolitoautótrofos, 534 supresión metabólica hipóxica, 465 vaina de mielina, 192 vida sin agua, 478 visión del color tricromática, 309 Evolución, definición de, 16-17 Excitación, 237-246 Excreción de nitrógeno, 474, 491-498 Exocitosis, 97, 646fig Exoesqueleto, 593 Exones, 51,101 Exosimbiontes, 532 Exploración de resonancia magnética funcional (fMRI), 314/ 315 Exposición al sol, 635 Expulsión de la placenta, 695 Expulsión ventricular, 375 Extensión, 582 Exterorreceptores, 264 Extracción de sangre, 343 Extremos Ubres de los nervios, 280 F
FIFO ATPasa, 72 FaciUtación sináptica, 200 F-actina, 208, 219 Factor de choque térmico (HSF), 649, 650 Factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF), 393, 592 Factor II de crecimiento tipo insulina (IGF II), 247 Factor 6 de transformación de crecimiento (TGF-8), 125 FAD, 59 Fagocitosis, 97 Fagoestimulantes, 541 Faringe, 548
Fármacos antiasmáticos, 338 FAS (ácido graso sintetasa), 82fig Fascículo de His, 380 Fascina, 219 Fase de meseta, 381 FBPasa, 78 Feminidad, 671 Fenilanina, 45fig Fenotipo, lOí, 14,15 Feocromocitos, 151,151% Fermentación del intestino anterior, 558 Fernal, Jean-Francois, 5 Feromonas sexuales, 682 Feromonas, 139, 272, 682 FertiUzación, 221, 221fig, 688-689 Fibras de Purkinje, 380 Fibras oxidativas de contracción lenta, 227 t, 247 Fibrilación ventricular, 382fig Fibroblasto, 99 Fibronectina, 99 Fiebre, 663 Filamento delgado, 228, 229fig, 236 Filamento grueso, 227-228, 229fig, 236 Filamentos branquiales, 433 Filamentos intermedios, 96 FUamina, 219 FUibranquia, 429 Filopodios, 220 Filtración, a través de capilares, 359, 399 en el glomérulo, 501-511, 508-510 FUtro de selectividad, 90 Fisiología ambiental, 8 Fisiología animal definida, 4 presentación histórica, 4-6 subdisciplinas, 6-9 Fisiología aplicada, 9 Fisiología celular y molecular, 6 Fisiología celular, 86-108. Véase también MetaboUsmo y fisiología celular autocrino, a, 112%, 131-132,132í características generales, 113-114 comunicación de la señal a la célula objetivo, 116-119 evolución de, 147-152 exocrino, a, 138-140 indirecto, a, 114 interacciones de receptor y Ugando, 117 liberación del mensajero químico desde la célula señaUzadora, 114-115 paracrino, a 112fig, 131-132,132í presentación, 112-113 regulación de, 140-146 sistema endocrino, 133-138 sistema nervioso, 112fig, 13 2t, 133 transporte a las células objetivo, 115 vías de transducción de señales, 119-131. Véase también Señal, vías de transducción de Fisiología comparada, 6, 575, 618 Fisiología de sistemas, 6 Fisiología del desarroUo, 8 Fisiología del organismo, 8 Fisiología ecológica, 6 Fisiología evolutiva, 8 Fisiología médica, 6
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Fisiología térmica, 630-667 adaptación al frío, 648 adaptación homeoviscosa, 643, 650 aislamiento, 637 área de superficie, 637 ciclo fútil, 655 cinética enzimática, 645-647 conducción, 633-635 convección, 635 corriente sanguínea, 660 ectotérmicos, 638. 640-642 endotermia en resposo, 662 endotérmicos, 638. 640-642, 658-639 enfriamiento por evaporación, 635 estados hipometabólicos, 662 estrategias térmicas, 632, 638-642 estructura/metabolismo, 642-647 evasión del congelamiento, 654 flujo de calor, 633-638 fuentes/drenajes de energía térmica, 634/Z<7 heterotermos, 638-640 hipotermia, 663-664 homeotermos, 638 HSF, 649, 650 intercambiador de calor concurrente, 660-661 melena del león, 665 palpitación, 662 pelo, 659 pérdida proteica mitocondrial, 657 pérdidas de las membranas, 656 piloerección, 659 plumas, 659 poiquilotermos, 638 proteína anticongelante (AFP), 654 proteínas de estrés, 649-651 Q10, 644, 647 radiación, 635 regulación de la tem peratura corporal, 658-664 remodelación adaptativa, 647, 650-651 remodelación de la membrana, 642-645 remodelación dependiente de la temperatura, 647 representación de Arrhenius, 642, 644 respuesta a Hsp, 650, 652 respuesta al choque térmico, 649, 649 tamaño corporal, 630 tem peratura corporal constante, 654-658 tem peraturas preferidas (714), 641 termogenia, 655-658 termostato central, 658 termotolerancia, 642 tolerancia al congelamiento, 653 transpiración, 662 ventilación, 662 Fitoestrógenos, 137 Flagelos, 216, 218^ 5Flexión, 582 Flotabilidad, 603-605 Flujo concurrente, 427 Flujo contracorriente, 427 Flujo cruzado, 427 Flujo de calor, 633-638 Flujo global, 357 Flujo laminar, 605 Flujo metabólico, 52
Flujo turbulento, 387, 606, 606fig fMRI, 314 p, 315 Folículo ovárico, 680 fig Folículo piloso, 659fig Foliculogenia, 680 Folículos, 679 Formación de células sanguíneas, 409fig Formación de la placenta, 693-694 Formación reticular, 330 Fosfatasa de cadena ligera de miosina (MLCP), 222, 255 Fosfatasas proteicas, 59 Fosfatidilcolina (PC), 645 Fosfatidiletanolamina (PE), 645 Fosfatidilinositol, 128 Fosfoarginina, 61fig, 63 Fosfocreatina, 61fig, 63 Fosfoglicéridos, 43, 86 Fosfolipasa C, 128 Fosfolipasa, 43 Fosfolípido, bilis, 555 clases, 43, 87, 645 descomposición, 536-539 estructura, 44, 86 membrana, 87, 642-645, 643fig síntesis, 86, 645Jig transducción de señales, 128,129 fig , 131 Fosforilación, 59 Fosforilación a nivel de sustrato, 69 Fosforilación de cascada de MAP-cinasa, 124/ z<7 Fosforilación oxidativa, 69, 72-73, 584 Fosforilación proteica, 59 Fosita, 302 Fotopigmentos, 293, 294 Fotorrecepción, 292-307 cristalino, 301 decoloración, 296 distancia focal, 301, 302 encéfalo, 305-306 fotorreceptores, 293-298 fototransducción, 302-303 retina, 303-305 tipos de ojos, 298-300 visión en color, 306-307, 309 Fotorreceptor rabdomérico, 293 Fotorreceptores ciliares, 293 Fotorreceptores cónicos, 294, 296, 296i Fotorreceptores, 262fig, 293-298 Fototransducción, 302-303 Fóvea, 308 Fraccionamiento del rango, 267fig , 268 Frecuencia cardiaca (HR), 383 Frecuencia de potenciales de acción, 170, 174 Fructosa, 39 Fructosa 1,6-bifosfatasa (FBPasa), 78 FSH, 310, 674,675, 683í, 691, 694í fTnC, 234 Fuerza protón motriz, 71, 72fig Fuerzas de Starling, 398 Fumarola negra, 20p Función renal. Véase Equilibrio iónico e hídrico Fundamentos matemáticos cambios sarcoméricos-contracción muscular, 238-239
Ecuación de Goldman, 93 Ecuación de Nernst, 93 efectos térmicos-QlO/representación de Arrhenius, 644 Ley de Poiseuille, 386 sistemas contracorriente, 506 teoría de respuesta intestinal, 558-559 termodinámica, 54
G GABA, 1 9 5 ,196í, 563í G-actina, 219 GAGs, 39, 41 fig, 99 Galactosa, 39 Galactosiltransferasa, 698 Galanina, 557í, 563í Galeno, 5, 314 Galvani, Luigi, 154 Gametogenia, 671fig Gametos, 670 Ganglios, 318, 336 Ganglios bucales, 319 Ganglios cerebrales, 319 Ganglios de la raíz dorsal, 322 Ganglios linfáticos, 399 Ganglios neurovegetativos, 336 Ganglios pedales, 319 GAPs, 124 Garland, Ted, 620 Gas nitrógeno, 468 Gasto cardíaco, 383, 401 ejercicio y, 410-411 inmersión y 469 regulación del, 383-385, 401, 402-403, 513, 521 Gasto del transporte (COT), 618, 619 Gastos de la locomoción, 587-593. Véase también Energética del movimiento Gastrina, 557t, 561 GC (gonadotropina coriónica), 674, 693, 696í GDH, 493 Gen TRP2, 685 Generación del ritmo respiratorio, 462 Generadores centrales de patrones respiratorios, 461 Generadores centrales de patrones, 343-345,461,580 Generadores de patrones, 342-344 Genes duplicados, 106,107 Genes Hox, 107 Genética y genómica angiogenia, 393 diferenciación y desarrollo muscular, 252-253 evolución del ciclo de la urea, 4964 percepción de tem peratura y remodelación adaptativa, 650-651 picos de ave, 547-547 selección artificial del ratón doméstico, 620-621 similitud molecular de ojos diferentes, 308 Genética/genómica fisiológica, 100-108 Genochips de ADN, 102-103 Genoma, 51 Genotipo, lOí, 14,15 Geometría capilar, 591 Geometría de las alas de las aves, 613-614
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Gestación, 696 1. Véase también Reproducción GH (hormona del crecimiento), 142,145fig, 310,488 Gibbs, J. Willard, 54 GIP, 557 1 Glándula bulbouretral, 686 Glándula de gas, 457, 605 Glándula de sal, 490-491 Glándula endocrina, 139'fig Glándula exocrina, 139fig Glándula mamaria, estructura, 696 secreciones, 697 Glándula pineal, 138, 310 Glándula prostética, 686 Glándula rectal, 491 Glándulas adrenales, 151 Glándulas salivales, 553-554 Glicerol, 42, 479 Glicina, 36t, 36-37, 45fig, 196 1 Globinas, 450 Globulinas fijadoras, 136 Globulinas, 136, 406 Glóbulos rojos, 66/ Glomérulo, 500, 501, 502fig Glotis, 441 GLP-1, 557í Glucagón, 145,146,146fig, 563 1, 565 Glucocorticoesteroides, 135, 565-566 Glucógeno, 40fig, 85 Glucógeno fosforilasa, 79fig Glucógeno sintasa, 79, 79fig Glucogenólisis, 79 Glucolípidos, 39, 87 Glucolisis, 74-77, 584, 586 Glucólisis anaerobia. Véase glucolisis Gluconeogenia, 77-78, 78fig Glucoproteína anticongelante (AFGP), 654 Glucoproteína anticongelante, 654 Glucoproteínas, 39 Glucosa, 39, 76 sanguínea, regulación de, 146fig Glucosamina, 39fig Glucosaminoglucanos (GAGs), 41, 41fig, 99 Glucosilación, 39, 99 Glucosuria, 501 Glutamato, 45fig, 196 1, 276, 304 Glutamina sintetasa, 493 Glutamina, 45fig, 493 Glutaminasa, 493 GnRH, 675, 675, 683í, 691, 694í GNRPs, 124 Gónadas, 671, 674 Gonadotrofinas, 674-675 Gonadotropina coriónica (CG), 674, 693, 696 1 Gradiente eléctrico, 25, 25fig Gradiente químico, 25, 25fig Gradientes electroquímicos, 24-25, 94,161 Granulocitos, 406fig Gravedad, 389,617,622 específica, 603 1 Grelin, 557í, 557 Grupo respiratorio parafacial, 462 Grupos funcionales, 28 fig Grupos prostéticos, 52 Grupos R, 45
Grupos, 639 Guanilato ciclasa, 123,123fig, 128t Guanina, 49fig Gusductina, 270 Gusto, 269, 273-277 H
H2S, 534 Habituación, 347 a corto plazo, 347 a largo plazo, 347 Haces, 318 Haldane, J. B. S., 11 Haller, Albrecht von, 5 Haplodiploide, 675 Harvey, William, 5, 354 HDL, 539, 539i Heces, 477, 520, 530 Hélice, 46, 47.% Hematocitos, 406,406fig Hematocrito, 407 Hematopoyesis, 409 Hemeritrinas, 451 Hemicanales, 114 Hemipene, 686 Hemisferios cerebrales, 327 Hemo, 450, 451,454 Hemocianinas, 451 Hemoglobina de baja afinidad, 453 Hemoglobinas, 450, 452,453 Hemolinfa, 359 Hendidura sináptica, 173, 340 Hermafroditas, 678 seriales, 678 Herramientas de navegación, 626 Heterodímero, 47 Heterogamético, 675 Heterotermos regionales, 639 Heterotermos temporales, 639 Heterotermos, 639-640 Hibernación, 465, 663fig Hidrodinámica, 608-618 Hidrólisis, 477 HIF-1, 452 Hígado, 85 Hill, A.V., 239 Hipercapnia, 464 Hipernatriemia, 498 Hipernea, 425í Hiperplasia, 253 Hiperpolarización, 93, 93fig, 159,162fig Hiperpotasiemia, 498 Hipertensión, 499 Hipertrofia, 253 Hiperventilación, 425 1 Hipocampo, 329, 349 Hipocapnia, 464 Hipócrates, 4, 574 Hipófisis, 143-144,144% 145.%, 3 1 1 % 310-311,676fig Hiponatriemia, 498 Hipopotasiemia, 498 Hipotálamo, 143,144fig, 328, 514 Hipotensión, 499 ortoestática, 403 Hipótesis de incapacidad, 665 Hipótesis mundial de ARN, 20 Hipoventilación, 425t
Hipoxemia, 464 Hipoxia, 396í, 450 ambiental, 76,463,467 de altitud, 464-467 Histamina, 396í, 563 1 Histidina, 36í, 45fig, 530 Histonas, 51 Hochachka, P.W., 6 Hodgkin, A.L., 190 Homeostasis, 4 ,1 3 ,1 0 0 , 316, 328, 335, 402,173-175, 498-499, 521-523 Homeotermos, 638 Homodímero, 47 Homogamético, 675 Hormona adipocinética (AdK), 566 Hormona antidiurética (ADH). Véase vasopresina Hormona de eclosión, 674 Hormona del crecimiento (GH), 142,145fig, 310,488 Hormona estimuladora de los folículos (FSH), 310, 674, 675,683 1, 691, 694í Hormona estimuladora de los melanóforos (MSH), 212fig Hormona juvenil (JH), 672fig, 673-675 Hormona liberadora de gonadotrofina (GnRH), 675, 675, 683í, 691, 694í Hormona liberadora de tirotropina, 563í Hormona luteinizante (LH), 310, 674, 675, 683í, 691, 694í Hormona paratiroídea, 141 Hormona protoracotropica (PTTH), 150 Hormonas ACTH (hormona adrenocorticotrófica), 310, 351 adenohipófisis, de, 145.%, 148í aldosterona, 44fig, 511-513 amina, 134í, 136-138,199 andrógenos, 672fig, 673, 683í, 694í angiotensina I, 513 ANP (péptido natriurético auricular), 140, 514 AVP (arginina vasopresina. Véase clases químicas de vasopresina, 108-109, 135 CCK (colecisto cinina), 142,143fig CG (gonadotropina coriónica), 674, 693, 696 1 ciclo de ovulación, 694í corticoesterona, 44fig, 135,136fig, 565, 699 cortisol, 135-136, 589 CRH (hormona liberadora de corticotropina), 351 definido, 113 ecdisteroides, 672fig, 673 epinefrina. Véase Epinefrina esteroide, 4 4 ,134í, 135-136, 511, 626, 673, 674-675, 676fig estradiol. Véase estrógenos estrógenos, 672fig, 673, 691, 694í, 696í factores de crecimiento tipo insulina, 145.% FSH (hormona estimuladora de folículos), 145.%, 310,674, 675, 683í, 691, 694í GH (hormona del crecimiento), 145fig, 310 GHIH (hormona inhibidora de la hormona del crecimiento), 145.%
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GHIH (hormona liberadora de la hormona del crecimiento), 145fig glucagón, 565 glucocorticoesteroides, 135-136, 351, 565-566, 699 GnRH (hormona liberadora de gonadotrofina), 145/, 675, 683í, 691, 694í grelina, 560 hipófisis, 142-143,144/, 145f 310, 3 1 1 % 676fig hipotálamico, 145fig, 148í hormona paratiroidea (PTH), 141, 142fig hormonas diuréticas de insectos, 517 insulina, 565, 589 JH (hormona juvenil), 150, 672fig, 673-674 leptina, 560 LH (hormona luteinizante), 310, 674, 675, 683í, 691, 692fig , 694fig mamífero, 148f melatonina, 310 metabolismo (insectos), 566fig migración, 625 mineralocorticoesteroides, 135, 507, 511-512 norepinefrina. Véase Norepinefrina oxitocina, 142, 310, 696í parto, 696í péptido YY, 560 péptido, 133-135, 508, 674 presentación, 148í PRH (hormona liberadora de prolactina), 145fig producción de leche, 695 progesterona, 693 prolactina, 310, 696, 696í, 698 remodelación muscular y, 247, 252-253 secreciones intestinales, 560, 562 testoesterona, 41, tiroides, 134í, 137-138, 247, 310 TRH (hormona liberadora de tirotropina), 145,% trópico, 144 Hormonas de esteroides, 4 4 ,134í, 135-136,511-513,626,673 Hormonas de la reproducción, 672-675 Hormonas diuréticas relacionadas con FLC, 517 Hormonas diuréticas, 517 Hormonas peptídicas, 133-135, 508 Hormonas proteicas. Véase Hormonas. Hormonas trópicas (tróficas), 144 HSF, 649, 651 Hsp, 649 Hsp70, 651,652 Hueso, 595, 595fig del pene (Os penis), 686 Huevo de insecto, 681 Humor acuoso, 300 Humor vitreo, 300 Husos musculares, 281 Huxley, Andrew, 239, 575 Huxley, Hugh, 222, 575
I Iatrofisicos, 5 Iatroquimicos, 5 Ibn al-Nafis, 5
DL, 539, 539i GF II, 247 mplantación retardada, 689 mplante, 689, 693-694 mpresión genética, 690 nanición tardía, 567 fig nanición temprana, 567fig ncremento de calor, 530 ndice de acción de masas, 35, 54-59, 459 ndice de relación entre proporciones de las alas, 613, 614fig ndice de relación entre proporciones, 614, 614fig ndice de ventilación/perfusión (VA/Q), 448 nexinas, 114 ngesta de comida. Véase Digestión nhalación. Véase inspiración nhibición competitiva, 59, 60 fig nhibición lateral, 266 nhibidores de la acetilcolinesterasa, 176 nhibina, 694í nmersión, 467-469 nmunidad de adaptación, 408 nositol trifosfato (IP3), 129, 200, 563 notropía, 383 nsecticidas, 674 nsectos hematófagos, 489 nsectos hemimetabólicos, 673 nsectos holometabólicos, 673 nspiración, 442, 443, 445 nsulina, 145-146,146,147, 565 ntegrinas, 100 nteracciones de van der Waals, 27 nteracciones ligando-receptor, 117 ntercambiador, 92 de calor concurrente, 660-661 de Na/Ca (NaCaX), 242fig, 245 ntercambiadores contracorriente, 506 ntercambio gaseoso, 418, 425-427, 427-449 intermitente. 438-439,439 fig nterneurona dependiente del nado, 343 ntem euronas, 178, 316 ntemódulos, 170 nteroceptores, 264 ntersección neuromuscular, 154/ 173 ntestino, 547-552, 552 fig ntestino anterior, 549-550 ntestino bidireccional, 546, 550 ntestino ciego, 533, 548 ntestino delgado, 555 ntestino grueso, 548 ntestinos, 554-556 ntrones, 51,101 nulina, 509 ones inorgánicos, 53, 53í onización de agua, 34-38 onización de moléculas biológicas, 36-37 onorregulador, 755 P3 (inositol trifosfato), 128, 200, 563 P4, (inositol pentafosfato) 129 PSP (potenciales postsinápticos inhibidores), 197 ris, 300 socorteza, 324, 330 soformas de la tropomiosina, 236 somerización del retinal, 296Jig teroparidad, 669
J
Jadeo, 662 Julio, 22 J u n ,125 K
K+, 396í Kilovatio-hora, 23 Km, 647 Kornberg, Arthur, 527 Krogh, August, 591 Kuru, 540 L
Lactancia, 695-698 Lactato deshidrogenasa (LDH), 58, 61, 646 Lactosa, 39fig, 40, 698 Lactosa sintasa, 698 Laguena, 286 Lamelipodios, 220, 220 fig Lamelocitos, 406fig Lámina basal, 99 Laminillas secundarias, 433 Larva, 673 LCT (temperatura crítica inferior), 64 LDH (lactato deshidrogenasa), 58, 61, 646 LDL (lipoproteínas de baja densidad), 539, 539í Leche, azúcar, 697 de buche, 696 producción, 695-697 pro teína, 698 Lecho capilar peritubular, 500 Lechos capilares, 391 Lectina aglutinina del cacahuete (PNA), 487 Leptina, 557 Letargo, 478, 541-542, 605, 662 Leucina, 45fig Leucocitos, 406fig, 407-408 Ley de Boyle, 422 Ley de Dalton, 419 Ley de energías nervios específicas, 265 Ley de Fick, 32, 419 Ley de Fourier, 634 Ley de Graham, 421 Ley de Henry, 420,420 fig, 457 Ley de la conservación de la energía, 22 Ley de la conservación de la masa, 388 Ley de Ohm, 386 Ley de Poiseuille, 386, 387 Ley de Starling, 230 Ley del flujo global, 357,401 Ley del gas ideal, 419, 420 fig Leyes de la termodinamia, 54 LH (hormona luteinizante), 310, 674, 675, 683í, 693, 694í Liberación de Ca2+, 243, 244% , 245fig inducida por Ca2+, 244, 244% inducida por despolarización, 244, 245.%
Ligamentos, 595 Ligando, 116 Límite de inmersión aerobia, 447 Líneas-M, 228 Linfa, 359 Linfocito, 406fig, 408, 408% Linfocitos T citotóxicos, 408% Linfocitos T cooperadores, 408%
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Lipasas, 83, 532 Lípido, 41-44, 80 Lípidos, 537-539 Lipogenia, 80, 83 Lipólisis, 80, 83 Lipoproteína, 538, 539í intermedia (IDL), 539, 539t Lipoproteínas de alta densidad (HDL), 539, 539 1 Lipoproteínas de baja densidad (LDL), 539, 539 t Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL), 539, 539 1 Líquido cefalorraquídeo (CSF), 322 Líquido intersticial, 359 Lisina, 4 5% Lisozima, 533 Lóbulo frontal, 331, 332fig Lóbulo occipital, 332 Lóbulo parietal, 331 Lóbulo temporal, 332 Lóbulos ópticos, 327 Locomoción, 344, 574-628 acción de palanca, 596-597 actividades bruscas, 586 aerodinámica e hidrodinámica, 608-618 alas, 612, 613 aletas, 613 animales anfibios, 615 animales terrestres, 617 eficacia del movimiento, 618-625 ejercicio prolongado, 587 elevación, 609-613 energética del movimiento, 618-625. Véase también Energética del movimiento energía elástica de almacenamiento, 597 entrega de oxígeno al músculo, 591-593 flotabilidad, 603-605 flujo turbulento/laminar, 605-606 gastos del movimiento, 618-625 glucólisis, 584, 586 grupos musculares, 582 hueso, 595, 595% invertebrados, 577-579 ligamentos, 595 mecánica de los líquidos, 605-608 metabolismo de la energía, 583-589 metamorfosis, 615-616 migración, 588, 589fig, 625-627 mitocondrias, 583-586 modelo de difusión de Krogh, 591, 591% módulo locomotor, 583 músculos del vuelo de las aves, 583, 584fig músculos del vuelo, 582-583, 584fig, 594,594 fig nadar, 579-581, 622, 623fig número de Reynolds, 606, 607fig oxidación de combustible en el músculo, 588-589 perfil dinámico, 607-608 perfusión del músculo, 590-592 pez, 579-581 plumas, 612 presentación, 576 recuperación de la actividad, 586-587 remodelación del desarrollo, 615-618 rem ontar vuelo, 610
resistencia, 607-608 saltar, 616-617 sistema esquelético, 593-598 tendones, 595 tetrápodos, 581-582 tipos de fibras musculares, 246-247 traducir la contracción en movimiento, 598-602 transformación de la contracción muscular en movimiento, 598-602 vejiga natatoria, 604-605, 604,% velocidad de movimiento, 619 Locomoción animal. Véase Locomoción Locomoción ficticia, 344 Locomoción terrestre, 617 Longitud de la cadena de ácidos grasos, 643 Longitud de la sarcómera, 230 Luciferasa, 62 Luciferina, 62 Luz, 390 M
Macrófagos, 408 Mácula densa, 511% Mácula, 281, 286 Magnetita, 308 Magnetosensing recepción, 264, 308 sistemas, 627 Mal de alturas, 466 Malla, 457 Malonil CoA, 8 1 ,8 2 % Malpigio, Marcello, 354 Maltosa, 40% Mandíbula, 543 MAP (presión arterial media), 395,401, 510» MAP (proteína asociada al microtúbulo), 214, 215,% MAP cinasa (MAPK), 125 Mapas somatosensitivos, 332 MAPs, 215fig Martínez del Rio, Carlos, 559 Masculinidad, 671 Mastocitos, 396í Materia blanca, 322 Materia gris, 322 Matriz extraceluiar, 98-100 Matriz metaloproteasa, 393 MCFAs, 41 Mecánica de los líquidos, 605-608 Mecanismo de cambio de líquidos, 521 Mecanismo de Frank-Starling, 385, 385.% Mecanorrecepción, 277-292 equilibrio y audición, 281-292. Véase también Equilibrio y audición mecanorreceptores de insectos, 277-280 posición corporal, 281 propriorrecepción, 281 receptores del tacto y la presión, 277-281 Mecanorreceptores de insectos, 277-280 Mecanorreceptores de tipo I, 278 Mecanorreceptores de tipo II, 278 Mecanorreceptores, 262fig, 64, 277, 278, 463 Medicina veterinaria, 9 Medición de TFG, 509 Medio interno, 5
Médula espinal, 321-322 Médula suprarrenal, 152, 338, 339fig Médula, renal, 499fig , 499-501, 507 Médula, suprarrenal, 135,143,144% , 335t, 338-339 Meiosis, 671% Melanóforos, 211, 212fig Melanopsina, 296 Melatonina, 138 Melena del león, 664-665 Membrana aracnoidea, 322, 322fig Membrana basilar, 291fig , 291 Membranas extraembriónicas, 690 Membranas lipídicas, 88 Membranas plasmáticas, 86-89 estructura, 86-89 fluidez 88, 642, 643% heterogeneidad, 88 fig proteínas, 89 remodelación, 642-645, 646fig transporte, 89-93 Membranas semipermeables, 32 Memoria, 346-350 Meninges, 322, 322fig Mensajeros químicos hidrofílicos, 113í, 115 Mensajeros químicos hidrofóbicos, 113í, 115 Mensajeros químicos, 112. Véase también hormonas Mesencéfalo, 323, 325-326, 326í Mesotrofos, 648 Metabolismo aerobio, 467 Metabolismo basal, 619, 641 Metabolismo cetónico, 84fig Metabolismo de la glucosa, 85fig Metabolismo de los lípidos, 80-84 Metabolismo de vuelo del colibrí, 588% Metabolismo del glucógeno, 79fig Metabolismo del lactato, 586fig Metabolismo energético, 68, 583-590, 698 Metabolismo intermediario, 68-86 Metabolismo oxidativo, 68-73 Metabolismo y fisiología celular, 66-109 biosíntesis de carbohidratos, 77-80 características estructurales de las células animales, 94-101 cetogénesis, 83 ciclo de TCA, 69-70 citoesqueleto, 96 control de la transcripción, 100-101 CPK, 73 degradación deARN, 101-103 degradación de proteínas, 104-105 estructura de la membrana, 86-87 ETS, 70-73 fosforilación oxidativa, 72-73 genética/genómica fisiológica, 100-108 glucólisis, 74-77 gluconeogénesis, 77, 78fig matriz extraceluiar, 98-100 metabolismo de los lípidos, 80-84 metabolismo intermediario, 68-86 metabolismo oxidativo, 68-73 mitocondrias, 95-96 oxidación de ácidos grasos, 80-82 oxidación del NADH, 76, 77fig recombinación genética, 105-108 red de RE-Golgi, 97-98
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selección de energía, 85-86 síntesis de ácidos grasos, 82, 82 fig síntesis de ATP, 72 síntesis/degradación de glucógeno, 77-79 síntesis/descomposición de triglicéridos, 82-83, 83fig sistemas de oxidorreducción, 75 traducción, 103 transporte de la membrana, 89-93 vías coordinantes de ATP síntesis/utilización, 84-85 Metabolismo, 39, 68. Véase también Metabolismo y fisiología celular Metabolon, 460 Metaloproteínas, 450 Metamoforsis del renacuajo, 616 fig Metamorfosis, 615-616 Metanefridio s, 515 Metazoos, orígenes de los, 66 Metestro, 692fig Metionina, 45 fig Metoprena, 674 Miastenia gravis, 176 Micción, 507 Micelas, 537 Michaelis-Menten cinética, 559 ecuación, 56 hipérbole rectangular, 56fig Microchips de ADN, 102 Microfilamentos, 96, 218-225 Microgliocitos, 181 Micropil, 681 Microtúbulos de estructura de tubulina, 212.% Microtúbulos, 96, 211-218, 218t dinámica, 213-215 ensamble, 213fig red, 211% Microvello sidades, estructura y función, 219, 225í papilas gustativas, 274%, 274 sistema digestivo, 536, 536fig, 551-552, 551% , 554 sistema sensorial, 284, 293, 299fig transporte de iones, 491, 501, 502, 516 Mielinización, 190-191 Migración del salmón, 588, 589fig Migración, 588, 589fig, 625-627 Miller, Stanley, 20 Minerales, 532 Mineralocorticoesteroides, 135, 512 Minicolumnas, 331 Minimúsculos, 621 Mioblastos, 251 Miocardio, 370 compactado, 370 espongiforme, 370 Miocito, 225, 230n Miofibras, 230, 243.% de los invertebrados, 248 Miofibrilla, 227í, 230, 231% Miógeno, 377 Mioglobina, 450, 453, 592-593 Miometrio, 694 Mioquininas de insectos, 517 Miosina, 97, 221-222, 225í Miosina I, 222, 222fig
Miosina II, 222, 222fig, 229 Miosina V, 222, 222fig Miosincinasa de cadena ligera (MLCK), 222, 255 Miotabiques, 580 Miotoma, 579 MIT, 137,138.% Mitocondrias, P-oxidación, 80-81 biogenia, 96 estructura, 95-96, 96fig fosforilación oxidativa, 69, 72-73, 584 metabolismo, 95-96, 583-586 músculo, 583-586 pérdida de protón, 657 retículo, 96 MLCK, 222, 255 MLCP, 222, 255 Modalidad de estímulo, 264 Modalidad, estímulo, 264-265, 312 Modelo de difusión de Krogh, 591, 591% Modelo de sustancia primordial, 20 Modelo del mosaico fluido, 86, 87fig Modelo estructural, 26fig Modelo para llenar el espacio, 26fig Modelos de esferas y bastones, 27 Modelos de estructura molecular, 27fig Modelos de filamentos de deslizamiento, 221-222 Modelos genomanipulados, 369 Modo de andar, 619 Módulo locomotor, 583 Molaridad, 33, 475 n Monoacilglicérido, 42 Monocilglicérido lipasa, 83 Monocitos, 406fig , 408 Monoiodotirosina (MIT), 137,13 8fig Monosacáridos, 39 Monostrosa, 691 Monóxido de carbono, 454, 455 Morfología del pico, 544, 545 Motilidad del intestino, 561-564 Motilina, 557f, 563í Movimiento. Véase Locomoción Movimiento ameboideo, 225í Movimiento ciliar, 218í Movimiento de células. Véase Movimiento celular y músculos Movimiento de las extremidades, 582 Movimiento flagelar, 218í Movimiento voluntario, 345 MRI, 315 MSH, 202 MTOC, 211 MTOC, 211 polaridad, 215 Mucosidad, 482 Mudar (por ej. las plumas), 150 Müller, Johannes, 265 Multiplicadores contracorriente, 506 Músculo blanco, 579, 579fig Músculo cardíaco, 230, 240, 243, 244, 246 1, 370, 381 Músculo esquelético, contracción, 225 1 diversidad, 246í fibras oxidativas de contracción lenta, 227 1, 247
locomoción, 593-599 miofibra, 230 243% modelos de filamentos de deslizamiento, 221-222 músculos sónicos, 235 Músculo estriado, contracción, 231-246 estructura, 225-226, 226fig Músculo fásico, 227í, 256 Músculo liso contracción, 225í, 254-256 estructura, 226, 226fig regulación, 252-256 Músculo miógeno, 240 Músculo neurógeno, 240 Músculo rojo, 579, 579fig , 600, 601 Músculo sincrónico, 227 1 Músculo tónico, 227 1, 241, 256 Músculo transdiferenciado, 251-252 Músculos, 219 n. Véase también Movimiento celular y músculos, 23Ora órgano calorífico, 251 órgano eléctrico, 251 polimerización de la actina, 220-221 potencial de acción, 239-241 presentación, 210 proteínas de filamentos finos, 232-233 reclutamiento, 580, 580fig remodelación muscular, 247-248 remodelación, 247-248 sarcómero, 228, 228fig tipos de fibras musculares, 246-247 tipos de fibras, 246-247, 576-577 túbulos T, 241-242 Músculos antagonistas, 582,583 fig Músculos asincrónicos activados por estiramiento, 250% Músculos asincrónicos, 227í, 249-250 Músculos de contracción, 241, 241fig , 248 Músculos de erección, 659 Músculos de los invertebrados, 248-249 Músculos de vuelo directos, 594, 594fig Músculos del vuelo de las aves, 582-583, 583fig Músculos del vuelo indirectos, 593-594, 594.% Músculos del vuelo, 249-250, 583, 584fig, 594, 594fig Músculos esqueléticos de contracción rápida, 227í, 624 Músculos intercostales, 442, 445-446 Músculos isométricos, 602 Músculos lentos, 247 Músculos papilares, 373 Músculos sónicos, 235 Músculos y movimiento celular, 208-258 acoplamiento de excitación-contracción, 22 7t, 231-237 actina, 219-224, 225í actividad de la actinomiosina, 222-223, 229, 233-234 ciclo obligatorio, 224 clasificación celular, 227í, 23On complejo troponina-tropomiosina, 233-236 contracción de los músculos estriados de los vertebrados, 231-246 contracción del músculo liso, 254-255
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contracción muscular de los invertebrados, 248-249 desplazamiento unitario, 224, 224fig DHPR, 242-243 diferenciación y desarrollo, 252-253 diversidad de la estructura muscular, 246-256 diversidad, 246-256 EPSP, 248 excitación, 237-246 filamentos finos/gruesos, 226-227, 228fig grupos, 582 liberación de Ca2+, 243-244, 244fig, 245fig longitud del sarcómero, 230 microfilamentos, 218-225 microtúbulos, 211-218, 218í miosina muscular II, 229 miosina, 221-223, 225í, 229 mitocondrias, 91fig, 583-587 modelo del filamento deslizante, 222 músculo estriado, 226, 226fig músculo lento, 247 músculo liso, 226, 226fig, 252-255 músculo miógeno, 240 músculo neurógeno, 240 músculo transdiferenciado, 251 músculos cardíacos, 246í músculos de los invertebrados, 248-249 músculos de los vertebrados, 246í músculos de vuelo asincronos, 249-250 músculos esqueléticos, 246í Mutaciones de pérdida de funciones, 648 Mutantes sin parvalbúmina, 245 Muybridge, Eadweard, 574 N
Na+/K+ATPasa, 67,487,491, 503 iV-acetil glutamato, 496 Nadadores bruscos, 614 Nadar, 579-581, 622-623, 623fig NADH, 59 NADPH, 59 Narcosis por nitrógeno, 468 Narinas, 441 Nebulina, 228, 230 Nefridios, 515 Nefrona, 500, ,500fig, 501 fig Nefrona corticoesteroidal, 500fig Nefrona yuxtamedular, 500fig Nematocitos, 542 Neocorteza, 324 Nervio. Véase también neurona, nervioso circulatorio definición, 318 Nervio abducens, 321 1 Nervio auditivo, 321í Nervio espinal, 321í Nervio facial, 321í Nervio glosofaríngeo, 32 l í Nervio hipogloso, 32l£ Nervio motor ocular, 321 1 Nervio olfativo, 321í Nervio óptico, 321í Nervio patético, 321í Nervio terminal, 321 1 Nervio trigémico, 321 1 Nervio vago, 321 1
Nervio vestibulococlear, 32l í Nervios craneales, 321, 321t Nervios mixtos, 318 Nervios raquídeos cervicales, 321 Nervios raquídeos coccígeos, 322 Nervios raquídeos lumbares, 321 Nervios raquídeos sacros, 322 Nervios raquídeos torácicos, 321 Nervios raquídeos, 321 Neumotorax, 444 Neurogliocitos, 180-181 Neuroglobina, 450 Neurohipófisis, 143 Neurohipófisis, 143 Neurohormonas, 133 Neuromastos, 284 Neurona, 154-206 aminas biógenas, 196í, 199-200 axones gigantes, 188-190 Ca2+intracelular, 173-174 canales iónicos regulados por voltaje, 160,166-170,181-183,203 canales iónicos regulados, 159 cantidad de neurotransmisor/actividad del receptor, 176-177 clases estructurales, 17 8fig, 179-180 clases funcionales, 17 8fig , 178-179 conducción con reducción, 162,163 fig diversidad estructural, 177-181 evolución de los, 202-203 funciones, 177 liberación del neurotransmisor, 202 mielinización, 190-191 motor, 156-158 neurogliocitos, 180-181 neurotransmisores, 200 potenciales clasificados. Véase Potenciales clasificados potenciales de acción. Véase Acción presentación, 156 Receptores del ACh, 198 receptores del neurotransmisor, 197-198 señales eléctricas, 158-159 señales en axón, 165-172 señales en la sinapsis, 173-172 suma espacial, 164 suma temporal, 165 tráfico de la vesícula, 216 fig transmisión sináptica, 202 vaina de mielina, \12fig, 192 velocidad de conducción, 183-191 Neurona aferente (sensitiva), 178, \1 8 fig
Neurona aferente prim aria, 263 Neurona bipolar, \18fig, 179 Neurona liberadoras del neuropéptido Y, 560 Neurona multipolar, 170fig, 179 Neurona postgangliónica, 336-339 Neurona pregangliónica, 336-339 Neurona pseudounipolar, 179 Neurona receptora sensitiva, 263fig Neurona sensitiva, 17 8fig, 178 Neurona unipolar, 178fig, 179 Neuronas autónomas, 194 Neuronas eferentes, 17 8fig, 178, 304 Neuronas intrínsecas, 336 neuronas liberadoras de NPY, 560
Neuronas motoras eferentes, 340 Neuronas motoras, control del esfínter, 507 diversidad, 177,179-181 estructura, 156fig , 156-160 intersección neuromuscular, 173,175, 191,193 locomoción, 344-346, 346fig , 580-581 mielinización, 170,180,183 músculo neurogénico, 240, 247-249 señalización, 158-159 tiritar, 655 ventilación, 444 Neuropéptido Y, 196í, 563t Neuropéptidos, 1 9 5 ,196í Neuroquinina A, 563í Neurotensina, 563í Neurotransmisor, liberación, 202-202 receptores, 197-198 regulación de actividad receptora, 176 tipos, 113,194-197, 200, 203 Neurotransmisores excitadores, 196í Neurotransmisores inhibidores, 197 Neurotransmisores peptídicos, 195 Neutraüdad (solución), 35 Neutrofilos, 407 NFP, 398, 399fig N-glutamato sintetasa, 498 NH3, 492 NH1", 492 Nichos térmicos en zonas templadas, 632fig Ninfas, 436, 615 NKCC, 481, 491 Nkx, 369 Nociceptores, 265 Nodulo aurículoventricular (AV), 380 Nodulo AV, 380 Nodulo SA, 377 Nodulo sinoauricular (SA), 377 Nodulos de Ranvier, 170 Norepinefrina, 196f motilidad gastrointestinal, 563í potencial de cardiorregulación, 378 receptores ligados a la pro teína G, 491 vasoconstricción/vasodilatación, 396f, 397 venas, 400 volumen sistólico, 383 Norma de reacción, 15 NST, 657 Nucleador, 653 Nucleasas, 532 Núcleo amigdalino, 329 Núcleo geniculado lateral, 305 Núcleo paraventricular, 310 Núcleo supraquiasmático, 310-311 Núcleos, 318 basales, 324 habenulares, 330 Nucleótidos, 49 Número de Reynolds, 605-607, 607fig Nutrientes, 529-532. Véase también Digestión Nutrientes esenciales, 529 Nutrientes no esenciales, 529 nvCJD,540
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O Obesidad, 147 Odorante, 270 Oído interno, 285, 286fig, 287fig Oído medio, 285, 286fig, 290 Oído, 281-292. Véase también Equilibrio y audición Ojos. Véase Fotorrecepción Ojos compuestos por aposición, 299 Ojos compuestos por superposición, 299 Ojos compuestos, 299-300 Ojos con forma de lámina plana, 298, 298fig Ojos convexos, 298fig, 299 Ojos en forma de copa, 298, 298fig Ojos tipo esteroscopio, 299 Ojos vesiculares, 298fig, 299 Oler, 270-273 Olfato, 270 Oligodendrocitos, 180 Omatidio, 299 Onda P, 382 Onda T, 382 Opérculo, 432 Opioides, 563f Organismos simbióticos, 532-535 Organización biológica, 7f ig órgano calorífero del marlín, 251fig Órgano calorífero, 251 órgano de Corti, 291 Órgano de Jacobson, 272, 685 órgano eléctrico, 200 órgano vomeronasal, 272, 273fig Organofosfatos, 16 órganos accesorios de respiración, 440 órganos cordotonales, 279 órganos de la copulación, 686-687 órganos del tendón de Golgi, 281 órganos productores de sonidos, 235 órganos sensoriales, 263 órganos timpánicos, 280 Orientación y flujo turbulento, 606fig Orificio de Panizza, 374 Orígenes de la vida, 20-65 Orígenes del vuelo, 612 Orina prim aria, 501-502 Oscilador de natación, 343 Osmoconformador, 475 Osmolaridad, 33, 34fig, 475 n, 523 Osmometros, 480 Osmorregulador, 475 Osteoblastos, 595 Osteocito, 595 Osteoclastos, 595 Ostia, 363,428 Otolitos, 286 Oval, 457, 605 Ovario, 671, 674, 679 Ovíparos, 679 OVLT, 514 Ovocito, 671% , 680 primario, 671fig, 679 secundario, 671fig Ovogenia, 671fig, 679-682 Ovogonios, 679 Ovovivíparos, 679 Óvulo, 671,679 Oxidación de ácidos grasos, 80-81
Oxidación de combustible en el músculo, 558-589 Óxido nítrico, 196f, 397, 563í Oxidoreductasas, 59 Oxitocina, 310, 696t P
P50, 452 Pabellón auditivo, 285, 286fig, 290 PAC, 382fig PACAP, 557 1, 563 t Palanca, 596-597 Palmitato, 80 Páncreas, 556, 561 Papilas gustativas, 274, 274 1 Parabronquio, 443 Parentogenia automíctica, 677, 677fig Pares antagonistas, 146 Partenogenia, 675-677 Parto, 694-694, 696f Parvalbúmina, 245 Patas de araña, 598% Patrones latitudinales, 642 PC,645 P cap,398 PC02,454 PDH, 69 P E ,645 Pedicelos, 501 Pelo, 659 Pelos hidrófugos, 436 Pene, 656 PEP carboxicinasa (PEPCK), 78 Pepsina, 526 Peptidasas, 532 Péptido, 196í Péptido histidina isoleucina (PHI), 563í Péptido inhibidor gástrico (GIP), 557í Péptido intestinal vasoactivo (VIP), 557í, 561, 563í, 564 Péptido liberador de gastrina, 557í Péptido natriurético auricular (ANP), 123, 140, 396í, 514 Péptido tipo glucagón 1 (GLP-1), 557í Péptido YY, 557í, 557, 563t Péptidos cardioaceleradores, 517 Péptidos neuroactivos, 195 Percepción de oxígeno, 462 Pérdida de calor convectiva, 635 Perfil dinámico, 607-608 Perfil lipídico, 87 Perfusión del músculo, 590-592 Pericardio, 368 parietal, 369 visceral, 369 Pericito, 391 Perilinfa, 290 Perineuro, 318 Período de privación de comida, 565-568 Período posprandial, 565 Período refractario, 166 absoluto, 166 efectivo, 238 relativo, 166 Peristaltismo, 357, 562 Permeabilidad iónica, 95 Permeasa, 91 Peroxisomal P-oxidación, 81 Pez fisoclisto, 456-457
Pez fisostoma, 456 pH ácidos/bases, 35-36 amortiguadores, 37-38 de la sangre, 454-455,461 ionización de agua, 34-38 ionización de moléculas biológicas, 36-37 pH, 454,461 PHI, 563í Piamadre, 322, 322fig Picos de las aves, 544, 545 Pif, 398 Pigmentos respiratorios, 450-453 Píldora anticonceptiva, 693 Piloerección, 659 Pinocitosis, 97 Pinopsina, 296 PIP2,128 Pirámides renales, 500 Piramidinas, 49fig Pirogenes, 663 Pirógenos exógenos, 663 Piruvato de deshidrogenasa (PDH), 69 PKA, 130,131, 348, 563, 564 PKC, 130, 350 PKG, 123, 564, 687 Placa motora terminal, 241 Placas, 393 de adhesión, 254 Plaqueta, 408 Plasma, 387, 407 Plasmocitos, 406fig Plasticidad fenotípica, 15 Plasticidad sináptica, 202, 202fig Plasticidad, 346 Plastrón, 437 Platón, 574 Plexo de la raíz pilosa, 280 Plexo mientérico, 562, 562fig Plexo venoso, 660 Plumas, 612, 636 PNA (Péptido natriurético auricular), 123, 140, 396í, 514 Podocito, 501 Poiquilotermos, 638 Polaridad, 213 Poliandria, 689 Policitemia, 465, 468 Poliestro, 691 Polifenismo, 15 Polipéptido activador de la adenilato ciclasa hipofisaria (PACAP), 557í, 563í Polipéptido liberador de gastrina, 563t Polipéptido pancreático, 557t Polisacáridos, 40 Porina, 91 Posición corporal, 281, 403-404 Potenciación a largo plazo, 349-350 fig Potenciación postetánica (PTP), 202 Potencial de acción canales regulados por voltaje, 166-170 conducción de, 170,171 fig, 172 corazón, 377% , 378, 381 definición, 165 etapas, 166,166% excitación muscular, 237-240 músculo estriado, 237fig
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potenciales clasificados, comparados, 166 1 Potencial de cardiorregulación, 378 Potencial de detección, 162 Potencial de equilibrio, 92-93,162 Potencial de fosforilación, 63 Potencial de membrana adormecido. Véase potencial de membrana Potencial de membrana, 25 canales iónicos regulados por ligando, 121
canales regulados por voltaje, 91 células cardiorreguladoras, 240, 342, 377-378 despolarización, 93fig ecuación de Goldman, 93,159 ecuación de Nemst, 93 energía eléctrica, 11, 22 fuerza motriz del protón, 71 función de la neurona, 157-159 hiperpolarización, 93, 93fig músculo, 237, 244-246 potencial de acción, 165-167 potenciales clasificados, 161 receptores sensitivos, 262fig reposo, 161-162 sujeción, 160 suma espacial, 164,164 fig suma temporal, 165,165 fig transporte iónico, 487, 498 Potencial excitador, 163 Potencial generador, 263 Potencial inhibidor, 163 Potencial por debajo del umbral, 163, 163fig Potencial por encima del umbral, 162, 163fig Potencial postsináptico excitador (PPE), 197, 249 Potenciales clasificados, 160 fuerza del estímulo, 161 magnitud, 160-162 potencial sub/supraumbral, 163,163 fig potenciales de acción desencadenantes, 164-166 potenciales de acción, comparados, 166í señales de corta distancia, como, 162-163 Potenciales eléctricos, 11 Potenciales postsinápticos inhibidores (IPSPs), 197 PPE (potencial postsináptico excitador), 197, 290 Precocial, 694 Preprohormonas, 133 Presión arterial media (PAM), 395, 402fig Presión de filtración glomerular, 508-510 Presión de filtración neta (NFP), 398, 399fig Presión diastólica, 394, 395í Presión hidrostática, 389, 398 Presión oncótica, 398, 508, 510, 524 Presión osmótica, 33, 398 Presión parcial, 419, 420 fig Presión sanguínea, 389, 394, 398, 403-404, 499,513,521-523 Presión sanguínea arterial, 394 control de la, 340 fig, 350, 402-403 de la media, 395 del ejercicio y, 410-411
gravedad y, 389, 403, 405 regulación hormonal, 123,140 Presión sistólica, 395, 395í Presión transpulmonar, 445 Presión venosa central (CVP), 401 Prestina, 292 Previtelogenia, 681 Primer cuerpo polar, 671fig Primera ley de la termodinámica, 54 Principio de August Krogh, 9, 600 Principio de Starling de intercambio de líquidos, 398 Prión, 540 Probabilidad abierta, 166 Probóscide, 542 Producción de orina, 501 Productos finales anaerobios, 77, 77fig Proenzimas, 555 Proestro, 692fig Profilina, 221 Progeno ta, 21 Progesterona, 673, 6 9 3 ,694í, 696 1 Programa Hélice Alfa, 2-3 Prohormona, 133 Prolactina, 151, 696, 696í, 698 Prolina, 42 fig Pronefros, 528 Propiedades coligativas, 31 Propiedades de cable, 183 Propiedades de la isoforma de miosina, 236 Propiedades de la membrana estructura, 86-89 fluidez 88, 642, 643fig heterogeneidad, 88fig pérdidas, 656 proteínas, 89 remodelación, 642-645, 646fig Propriocepción, 264, 278, 280-281 Prosencéfalo, 323, 324, 327-329, 326í Prosser, C. Ladd, 6 Prostacilina, 396í Prostaglandina E2, 563í Prostaglandinas, 132, 683 1, 696 1 Proteasas, 532 Proteasoma, 104 Proteína anticongelante (AFP), 654 Proteína de choque térmico (Hsp), 649 Proteína de desactivación (UCP), 73, 657 Proteína G, 120,126-131, 271-272 Proteína Ras, 124,125 Proteína reguladora del gen de calcitonina (CGRP), 563í Proteínas, 44-48 degradación, 104-105 dieta, 492 digestión/transporte de proteínas, 536-537, 537fig estructura secundaria, 46 estructura, 46-47 Proteínas “capping”, 219 Proteínas asociadas a la cinesina, 216 Proteínas de choque térmico, 48 Proteínas de membrana integrales, 89 Proteínas de unión a odorantes, 271 Proteínas GLUT, 535-537 Proteínas motoras, 97, 211 cinesina, 97, 216
dineina, 97, 216 miosina, 97, 221-222, 222fig , 225 1, 229 Proteínas periféricas, 89 Proteínas transportadoras, 115 Proteincinasa, 59 Proteinoides, 21 Protocélulas, 21 Protofilamento, 213 Protonefridios, 512 Protostomas, 549 Protuberancia sináptica, 194 Protuberancia, 326 Provasopresina, 135 Pseudoceloma, 549, 549fig Psicotrofos, 648 PTP, 202 PTTH, 150 Puente cruzado, 223 Puerta de desactivación, 167 PUFAs, 38 Pulmones en libro, 435 Pulmones, 425, 440-449 Punto ciego, 302 Punto de derivación, 644 Punto focal, 301 Purinas, 49fig
Q Q10, 644, 646-647 Quechuas de Perú, 466 Queratinocito, 482, 484fig Quilomicrón, 538, 53 8fig, 539 1 Química de la vida, 20-65 agua, 29-38 biomoléculas, 39-63. Véase también Biomoléculas energía, 22-26 enlaces químicos, 26-29 Quimiocinético, 688 Quimiolitoautótrofos, 21 Quimiorrecepción, 269-277 Quimiorreceptor periférico, 463 Quimiorreceptores centrales, 463 Quimiorreceptores, 262fig, 264, 463 Quimiotripsina, 555-556 Quimitáxico, a, 688 Quitina, 41, 41fig, 484 R
Radiación electromagnética, 293 fig Radiación, 633, 635 Rádula, 542 Raíz ventral, 322 Ramfoteca, 544 Ramos duodenales (vasa recta), 500, 5 0 1 % 506 Rango dinámico, 266, 267 fig RE (retículo endoplasmático), 97 Reacción entre el C02y el bicarbonato, 460 Reacciones cercana al equilibrio, 57 Reacciones de las aminotransferasas, 493 Reacciones endotérmicas, 25 Reacciones exotérmicas, 25 Reactor de flujo pistón, 558, 559 Reactor de tanque, 558, 55 8fig Reactores discontinuos, 558, 558fig Recambio de ATP, 618 Recepción sensitiva, 262 Receptor de dihidropiridina, 242-243
761
762 ín d ic e te m á tic o
Receptor de rianodina (RyR), 243 Receptor nicotínico de ACh, 175,198 Receptor sensitivo, 263-269 Receptores, 116,121 fig adaptación, 269 agonistas, 117 antagonistas, 117 potencial, 264 Receptores acetilcolínicos, 198 Receptores ACh, 198 muscarínicos, 198 Receptores adrenérgicos, 199-200, 201% , 201í, 335í, 338 Receptores AMPA, 349 Receptores de estiramiento, 1 4 3 % 24 8fig, 278, 279, 344-346, 463, 507, 511 Receptores de la cápsula de la articulación, 281 Receptores de presión, 277-281 Receptores huérfanos, 120 Receptores intracelulares, 120-121 Receptores ionotrópicos, 197 Receptores metabotrópicos, 197,198 Receptores muscarínicos, 1 9 8 ,199í Receptores nicotínicos, 1 9 8 ,199í Receptores NMDA, 349 Receptores poliymodales, 265 Receptores táctiles, 277, 280-281 Receptores tónicos, 268, 269% Receptores transm embrana, 116 Receptores unidos a proteína G, 126-131 Reclutamiento, 580, 580 fig Recombinación genética, 105-108 Recombinación homologa, 107% Rectificador de entrada (canal de KIR), 182í Rectificador retrasado, 182í Recto, 334fig, 436, 548, 550 Recuperación de la actividad, 586-587 Red de RE-Golgi, 97-98 Redes de alimentación, 23, 24fig Reduccionismo, 8 Reductor branquial, 430, 430 fig Reflejo barorreceptor, 401-402 Reflejo de Hering-Breuer de distensión, 463 Reflejo de retracción branquial, 347, 347fig Regla de Alien, 637 Regla de Bergmann, 637 Regla de cuatro, 107 Regulación de prealimentación, 411 Regulación del volumen celular, 480-481 Regulación enzimática, 5 9 ,6 0 % Regulación iónica, 474,475-482 Regulación osmótica, 474, 475-482 Regulación por disminución, 118 Regulación refleja de la ventilación, 463 Regulación transcripcional, 101fig Regulador, 12 Relación de Weber-Fechner, 268 Relajación ventricular, 394fig Relojes biológicos, 310-311, 328 Remodelación de adaptación, 642-645, 647, 650-651 Remodelación del desarrollo (metamorfosis), 615-616 Remodelación dependiente de la temperatura, 647 Remontar vuelo, 610 en ángulo, 610 térmico, 610
Rendimiento metabólico, 584 Repolarización, 159,165 Representación de Arrhenius, 642, 644 Representación de Lineweaver-Burk, 56,
57% Reproducción asexual, 675-678 Reproducción sexual, 670-672. Véase también Reproducción Reproducción, 668-669 20HE, 672.% 673 almacenamiento de esperma, 688 amniotas, 682-690 asexual, 675-677 cambio de sexo, 678 ciclo estrual, 691, 692fig ciclos de ovulación, 691-693 cuidado paternal, 698 desarrollo embrionario, 695fig desarrollo postfertilización, 689-690 determinación ambiental de sexo, 678-679 determinación de sexo, 675-679 erección, 687, 688% espermatogenia, 682-689 estrés, 698-700 estructura del huevo, 681-682 expulsión de la placenta, 695 feromonas, 682 fertilización, 688-689 formación de la placenta, 693-694 gametogenia, 671% glándulas mamarias, 696 gonadotrofinas, 675 hermafroditas, 678 hormonas de la reproducción, 672-675 hormonas esteroides, 673 huevo de insecto, 681 implantación retardada, 689 impresión genética, 690 JH, 672.% 673-674 membranas extraembriónicas, 690 moléculas quimiocinéticas/quimiotóxicas, 688 órganos de la copulación, 686-687 ovogenia, 671fig, 679-682 partenogenia, 675-677 parto, 694-695, 696í período de gestación, 694, 695fig producción de leche, 695-697 prolactina, 698 secreciones de las glándulas mamarias, 697-698 TSD, 678 vitelo, 680 Resistencia, 607-608, 624 circulatoria, 357, 373, 377, 385-388, 392-396, 397fig , 398, 401-404, 410, 499, 500,510,511,521 de ventilación, 446-447,470 eléctrica, 162,183-190,193 Resistencia a los insecticidas, 16-17 Resistencia de fricción, 607 Resistencia de la membrana, 188 Resistencia de las vías aéreas, 447 Resistencia de presión, 607 Resistencia intracelular, 188 Resistina, 147 Respiración, 418. Véase Sistemas respiratorios
Respiración aérea, 365, 427, 432-439, 440, 462, 464, 485 Respiración cutánea, 424 Respiración por burbujas, 437 Respuesta a Hsp, 651, 652 Respuesta a la inanición, 566, 567 Respuesta a la inmersión, 469 Respuesta al choque térmico, 649, 649fig Respuesta cardiovascular a la inmersión, 469 Respuesta de pelear o huir, 5, 334, 351, 397 Respuesta vasomotora, 660 Retículo, 585 endoplasmático (RE), 97 sarcoplásmico (SR), 242 Retina, 303-305 Retinopsina, 296 Retorno venoso, 400-401 Retraso sináptico, 193 Retroalimentación negativa, 75,140 Retroalimentación positiva, 140 Retroalimentación tubuloglomerular, 510 Retroceso elástico, 378fig , 446 Rhabdom, 299 Ribete en cepillo, 551, 551% Ribonucleótidos, 48, 4 9 % Ribozomas, 57 Rigor mortis, 223 Rigor, 223 Riñón, 403,498 anfibios, 518, 519 animales terrestres, 517 asa de Henle, 505-507 condrictios, 517-518 estructura/función, 499-507 filtración en el glomérulo, 501 funciones, 498-499 insectos, 516 invertebrados, 515-516 micción, 507 multiplicador contracorriente, 507-507 nefridios, 515 nefrona, 500, 500fig, 501fig orina prim aria, 501-503 pez, 518 reabsorción, 503 regulación de la función renal, 507-515 secreción, 504 túbo de Malpigio, 516-517, 516fig túbulo colector, 505-507 umbral renal, 504, 505fig Riñones aglomerulares, 518 Ritmos circadianos, 13, 310-311 RNase, 101 Rodopsina, 296 ROS, 71 RQ, 86, 587 Rubner, Max, 12 Rumen, 552, 553fig , 558 Rumiante, 533 Rutas anabólicas, 68 Rutas anapleróticas, 69 Rutas anfibólicas, 69 Rutas catabólicas, 68 RVD, 481 RVI, 480 RyR, 243
ín d ice te m á tic o
s s/cTnC, 234 Sabor amargo, 274, 275fig Saco vitelino, 690 Saco, 286 Sacos aéreos aves, 443 insectos, 435 Sacos pleurales, 444 Sales biliares, 555 Saltar, 616-617 Sangre, 405-409 burbujas, 468 células madres, 402, 402fig células, 406 circulación de, 356 composición, 405-406 eritrocitos, 406 hematocitos, 406, 406 fig leucocitos, 407 osmolaridad, 47 5 ,476t, 521 pH, 454-455, 461 proteínas, 405 saturada, 451 transporte de dióxido de carbono, 459-461 transporte de oxígeno, 449-458 trombocitos, 408 vertebrados, 407-409 viscosidad, 387 Sarcolema, 231 Sarcómera, 228, 22 8fig Saturación, 645 Schleiden, Matthias, 5 Schmidt-Nielsen, Knut, 6 Scholander, Per, 6 Schwann, Theodor, 5, 526 Scrapie, 540 SDA, 530 Secreción intestinal, 560, 561fig Secreciones, 560, 561fig Secretina, 557í, 561, 563í Sed, 514, 514fig Segmento inicial, 179 Segunda ley de la difusión, 357 Segunda ley de la termodinámica, 54 Segunda ley del movimiento de Newton, 357 Segundo cuerpo polar, 671 fig Segundo mensajero, 127 Selección artificial, 619 Selección de combustible, 85-86 Semelparidad, 669 Seno, 359 venoso, 371 Sensibilización, 347-349 Sensilio tricoide, 279 Sensilios, 272, 279 campaniformes, 279 olfativos, 272 quimiosensibles, 273fig Sentido de orientación, 626-627 Señales eléctricas en las neuronas, 158-159 Señales en axón, 165-172 Señales en la sinapsis, 173-177 Señalización autocrina, 11 2fig , 131-132, 132í Señalización celular directa, 112-119
Señalización celular indirecta, 114 Señalización de células exocrinas, 138-140 Señalización endocrina, 112fig , 132 1, 133-138 Señalización neural, 112fig, 13 2t, 133 Señalización paracrina, 11 2fig, 131-132, 132t SERCA, 242, 242fig Serina, 45fig Serina/treonina cinasa, 123fig, 124,125 fig Serotonina, 199, 396í, 563í SFO, 514 SGLT-1, 535 Sildenafil, 397-398, 687 Simbiontes quimiolitoautótrofos, 534 Simbiontes, 532, 534 Simetría bilateral, 318 Sinapsis, 133,193 Sinapsis axoaxónica, 194,195 fig Sinapsis axodentrítica, 194,195 fig Sinapsis axosomática, 194,195 fig Sinapsis de médula espinal, 195fig, 194 Sinapsis de paso, 195fig. 194 Sinapsis dendrodendrítica, 194,194 fig Sinapsis eléctricas, 193-194 Sinápsis química, 193-197 Sincrotrón, 438fig Sincrotrón de rayos X, 438fig Síndrome de dificultad respiratoria, 447 Síndrome doble corteza, 328 Síntesis de ácidos grasos, 82, 82fig Síntesis de argininosuccinato, 497 Síntesis de ATP, 73 Síntesis de carbamil fosfato, 497 Síntesis de esteroides, 44 Síntesis/degradación de glucógeno, 78-80 Sistema acústico lateral, 284 Sistema cardiovascular. Véase Sistema circulatorio Sistema circulatorio, 354-414 sistema linfático, 399 vasoconstricción/vasodilatación, 386, 396 1 vasodilatación, 386, 396í vasos sanguíneos, 390-392 velocidad de la corriente sanguínea, 388-389, 394 venas, 401 vertebrados gnatostomados, 364-365 volumen sanguíneo, 403 Sistema circulatorio abierto, 358-359 Sistema circulatorio cerrado, 358-359 Sistema circulatorio de circuito único, 365fig Sistema circulatorio de doble circuito, 365fig abierto/cerrado, 358-359 actividad física y, 409-411 actividad metabólica del tejido, 396-397 anélidos, 361 angiogenia, 392, 393 animales sin, 360-361 arterias, 394 arteriolas, 395 artrópodos, 362-363 autorregulación miógena, 395 aves, 367 bombas, 357-358,400-401 circuito doble, 365fig
circuito pulmonar, 365 circuito simple, 365fig circuitos pulmonar/sistémico separados, 366-367 componentes, 357-359 corazón. Véase Corazón de los cordados invertebrados, 364-365 corriente sanguínea, 386-390. 392-401, 403-404, 660 depósito de volumen para la sangre, 401 diámetro arteriolar, 397 ejercicio y, 410-411 evolución del, 359-367 flujo global, 357 flujo turbulento, 387 gravedad, 389 jirafa, 404-405 lampreas, 364 Ley de Poiseuille, 387 líquidos, 359 mamíferos, 367 MAP (presión arterial media), 395 Mecanismo de Frank-Starling, 385, 385fig mixino, 364 moluscos, 362 NFP (presión de filtración neta), 398, 399fig pez pulmonado, 365 plan general, 356fig posición corporal, 403-404 presión sanguínea, 389, 392, 398, 403-404, 499, 513, 521-523 reflejo barorreceptor, 401-402 regulación, 401-405 retom o venoso, 400-401 riñones, 403 sangre, 405-409 Sistema de conducción, cardíaco, 380-381 Sistema de línea lateral, 284 Sistema de malato-aspartato, 75, 76fig Sistema de transporte de electrones (ETS), 70-72 Sistema endocrino, 133-138 definición, 112-113,132í diámetro de las arterias y, 396t, 397 encéfalo y, 351, 352 equilibrio iónico e hídrico y, 507, 511-513 evolución de, 147-152 glándulas, 148í hormonas. Véase Hormonas, músculos y, 247-248, 588-589 organización, 142 regulación, 140-146 reproducción y, 672-675, 676fig , 678fig, 683 1, 691-697, 698-701 ritmos circadianos y, 310-311, 311.fig señalización celular, 133-138 sistema cardiovascular y, 362-363, 378-380 sistema digestivo y, 528, 557í, 556-560, 562-567 tem peratura corporal y, 658 Sistema fosfocreatina, 74fig Sistema gustativo, 273-277 Sistema límbico, 329 Sistema linfático, 399-400
763
764 índice tem ático
Sistema nervioso autónomo, 333-340 Sistema nervioso central, 320-322, 339-340. Véase tam bién Encéfalo Sistema nervioso involuntario, 333 Sistema nervioso parasimpático, 333-337, 338í Sistema nervioso periférico, 332-340 Sistema nervioso simpático, 333-336, 338í Sistema nervioso voluntario, 340 Sistema nervioso, 314-353 aprendizaje, 346-350 arcos reflejos, 341-342 barrera hem atoencefálica, 322 central, 321-323, 339-340 comportamiento natatorio, 343-344 comportamiento rítmico, 342-343 comportamientos involuntarios, 341-342 coordinación del comportamiento, 341-346 diámetro arteriolar, 397 encéfalo. Véase Encéfalo evolución, 317 generadores de patrones, 342-344 involuntario, 333 locom oción, 344-345 médula espinal, 321-322 memoria, 346-350 m eninges, 322, 322fig movimiento voluntario, 345-346 nervios craneales, 321, 321í nervios raquídeos, 321 parasimpático, 333-337, 338í periférico, 332-341 plasticidad, 346 potenciales de cardiorregulación, 378 presentación, 316-317 simpático, 333-336, 338í vías m otrices somáticas, 340-341 volumen sistólico, 383-385 voluntario, 340 Sistema olfativo, 270-273 Sistema porta hipotalámo-hipofisario, 143 Sistema porta, 143 n Sistema traqueal, 435 Sistema glicerofosfato, 75, 75fig Sistemas contracorriente, 506 Sistemas de m étodos y modelos atletas animales, 600-601 axón gigante del calamar, 190 biolum inescencia, 62 canales iónicos, 160 factores de transcripción y desarrollo del corazón, 369 genochips de ADN, 102-103 m edición de GFR, 509 m odelos de August Krogh, 9 proteínas de choque térmico (HSP), 652 Sistemas de oxidorreducción, 75 Sistemas digestivos, 545-556 Sistemas excretores. V éase Equilibrio iónico e hídrico Sistemas integradores estrés y el cerebro, 351-352 inmersión, 468-470 m elena del león, 665 migración, 625-627 reproducción y estrés, 698-700
sistem a circulatorio durante el ejercicio, 409-411 sistem as sensoriales y ritmos circadianos, 310-311 sistem as-presión sanguínea, 521-523 toxinas alim entarias/estrategias de defensa química, 569-570 Sistemas m odelos. Véase Sistem as de m étodos y m odelos Sistemas respiratorios, 416-471 afinidad con el oxígeno, 452-459 branquias, 4 25, 429-434 curvas de equilibrio del oxígeno, 451-453 efecto Bohr, 4 5 4 ,4 5 4 fig efecto Haldane, 460 Efecto Root, 455, 455fig , 457 entrada quimiosensitiva, 462 estrategias respiratorias, 418fig, 419-427, 438 física, 419-422 hipoxia ambiental, 463-467 hipoxia de altitud, 464-467 inmersión, 467-469 intercambio gaseoso intermitente, 438-439, 439 'fig pH sanguíneo, 454-455, 461 pigmentos respiratorios, 450-453 pulmones en libro, 435 pulm ones, 4 2 5 ,4 4 0 -4 4 8 regulación de la ventilación, 461-463 resistencia aérea, 447 respiración de aire, 434-438 respiración por burbujas, 437 sistem a traqueal, 435 supresión m etabólica hipóxica, 465 tensioactivos, 446-447 tipos, 422-427 transporte de dióxido de carbono, 458-461 transporte de gas a los tejidos, 449-461 transporte de oxígeno, 449-458 ventilación e intercambio gaseoso (en el aire), 434-449 volúm enes/capacidades del pulmón, 448, 449/ z<7 Sistemas respiratorios, cont. coincidencia entre ventilación y perfusión, 448 ventilación e intercambio gaseoso (en el agua), 428-434 Sistemas sensoriales, 260-313 audición, 281-292 codificación logarítmica de señales, 268 control de temperatura, 307-308 detección de frío/calor, 307-308 fotorrecepción, 292-307. Véase tam bién Fotorrecepción fraccionamiento del rango, 267'fig, 268 gusto, 273-277 magnetorrecepción, 308 m ecanorrecepción, 277-292. Véase tam bién Mecanorrecepción oídos, 281-292 ojos, 298-307 oler, 270-273 presentación, 262 quimiorrecepción, 269-277 recepción sensitiva, 262 receptores sensitivos, 263-269
ritmos circadianos, 310-311 sistem a gustativo, 273-277 sistem a olfativo, 270-273 tacto, 277-281 termorrecepción, 307-308 visión, 292-309 Sístole, 367 Sitio activo, 53 Sitios reguladores, 232 SMADs, 126 Sobreenfriado, 653 Solución, 29 Solución hiperosmótica, 33, 34fig Solución hipertónica, 34, 34fig Solución hiposmótica, 33, 34fig Solución isosm ótica, 33, 34fig Solución isotónica, 34, 34fig Soluciones compatibles, 479, A l 9fig Solutos, 29-34, 476-482, 486, 653 compatible, 479, A19fig contrarrestante, 479, 479'fig desestabilizador, 4 7 9 ,4 7 9 'fig Solvente, 29 Soma, 157 Somatostatina, 557í, 563í Somero, George, 6 Sonidos animales, 236 SP, 563í Spallanzani, Lazzaro, 526 Sperry, Roger, 328 SR, 242 SRI (sustrato receptor de insulina), 147 Stanford, Leland, 574 Starling, Ernest, 398 Subdisciplinas fisiológicas, 6-9 Subtipos de receptores colinérgicos, 199í Sucrosa, 36fig Sulfato de condroitín, 99 Sulfato de queratano, 99 Sulfuro de hidrógeno (H2S), 534 Suma, espacial, 164 temporal, 165 Superficie aerodinámica, 609, 609fig, 610 Superficie hidrodinámica, 609, 609fig Supresión m etabólica hipóxica, 465 Surcos, 330 Sustancia P, 3 9 6 í Sustancias agrias, 274, 275fig Sustancias dulces, 274, 275fig Sustancias saladas, 274, 275 'fig Sustancias umami, 273, 274, 275fig Sustrato receptor de insulina (SRI), 147 Syrinx, 443
T T3, 137 138fig T4, 1 3 7 ,1 3 8 fig Tabique, 373 Tabique hepático, 442 Tacto, 277-281 Tálamo, 330 Tamaño del cuerpo área de superficie, 636 efectos del, 11 período de gestación, 694 Tamaño del genom a, 5 2fig Tamoxifeno, 153
índice tem ático 765
Tampón, 37-38 Tapetum, 300 Taquicardia, 383 Taquicardia sinusal, 382fig Taquipnea, 4 2 5 1 Taurina, 530 Taylor, C. R. (Dick), 575, 619 Teca, 680 Técnica de patch clamp, 160 Tectum, 327 Tegmento, 327 Tegumento, 482-485 Tejido adiposo m arrón (BAT), 73, 657 Tejido adiposo, 43-41, 83-85 Tejidos epiteliales, 482-491 Telencéfalo, 326í Telerreceptores, 264 Telitoquia, 677 Temperatura agua, 29-38 cinética de enzim as, 58fig fluidez de la membrana, 8 8fig flujo de calor, 633-638 fuentes/drenajes de energía térmica, 634fig ionización de m oléculas biológicas, 36-37 procesos fisiológicos, 12 uniones débiles, 29 Temperatura ambiental, 307-308 Temperatura central, 639. Véase tam bién Fisiología térmica Temperatura corporal (TB), 633. Véase tam bién Fisiología térmica Temperatura corporal constante, 654-658 Temperatura crítica inferior (LCT), 641 Temperatura crítica superior (LCT), 641 Temperatura fundamental, 678 Temperatura interna, 307-308 Temperatura y desarrollo, 641fig Temperaturas preferidas, 641 Tendones, 595 Tenidios, 435 Tensioactivos, 4 44, 446-447 Tensión superficial, 30, 30% Teoría de la línea identificada, 265 Teoría de respuesta intestinal, 558-559 Teoría de respuesta, 558-559 Teoría del vórtice anular, 613 Terminal axónica, 1 5 8 ,1 9 5 % Termodinámica, 54 Termogenia, 655-658 Termogenia sin tiritar (NST), 657 Termogenia tiritante, 655 Termogenina, 73, 657 Termómetros m oleculares, 650 Termorrecepción, 307-308 Termorreceptores, 264 Termorregulación, 658-664 Termostato central, 658 Termotolerancia, 642 TermoTRPs, 308 Testículo, 671, 674 Testosterona, 672fig, 699, 700 Tetraiodotironina (T4), 1 3 7 ,1 3 8 fig Tetraploides, 107 TFG (tasa de filtración glomerular), 508-511, 522 TG F-6,125
Timina, 49.% Tímpano, 280 Tinman, 369 Tiroglobulina, 137 Tirosina, 4 5 % Tirosincinasa, 5 9 ,1 2 3 fig , 124 Tiroxina (T4), 1 3 7 ,1 3 8 % Titin, 228, 230 TnC, 232 Tnl, 232 TnT, 232, 235 Todo-írans retinal, 296fig Tolerancia a la desecación, 478 Tolerancia a la salinidad, 477fig Tolerancia al congelam iento, 653 Tonicidad, 33, 34fig Tono vasomotor, 397, 401 Topografía intestinal, 551fig Torpor, 465, 664fig Tortuosidad capilar, 591, 5 91% Tortuosidad, 591, 591fig Toxina botulínica (Botox), 115 Toxinas alimentarias, 569-570 Toxinas de las plantas, 570 TPR, 401 Trabajo, 600, 602 Trabajo negativo, 602 Trabajo positivo, 600 Trabéculas, 371 Tracto gastrointestinal (GI), 528, 548. Véase tam bién Digestión Tracto GI, 528, 548. Véase tam bién Digestión Tracto reproductor m asculino, 686, 687fig Traducción, 103 Tráfico intracelular, 98fig Transcitosis, 391, 504 Transcripción, 100 Transduccina, 297 Transductores, 119 Transmisión sináptica, 202 Transpiración, 662 Transportador aspartato/glutamato, 495 Transportador de excitación, 684 Transportador de om itina/citrulina, 495 Transportadores, 89, 92 Transportadores ABC, 92 Transportadores electrogénicos, 92 Transportadores electroneutros, 92 Transporte activo primario, 91 Transporte activo secundario, 91, 92 Transporte activo, 91-92 Transporte convectivo, 357 Transporte de dióxido de carbono, 459-461 Transporte de gas a los tejidos, 448-461 Transporte de gas, 419 Transporte de la membrana, 89-93 Transporte de la vesícula, 218t, 224í Transporte de oxígeno, 449-458 Transporte paracelular, 3 9 1 ,4 8 6 -4 8 7 ,4 8 9 Transporte transcelular, 486 -4 8 7 , 489 Traqueólas, 435 Trehalosa, 40% , 478 Treonina, 45fig Trepsina, 555 Triglicérido almacenamiento, 85, 565, 587 combustible, 40, 567fig , 657
descomposición, 80, 83, 532, 536 fia, 589, 590 estructura, 43fig flotabilidad, 603f, 604 secreción, 659 síntesis, 42, 80, 82, 83fig , 538 transporte, 538, 538.%, 5 3 9 í Triglicérido lipasa, 539, 556, 566 Triiodotironina T 3 ,137,138.% Triptófano, 45fig, 138 Trofoblasto, 6 4 4 í Trombocitos, 408-409 Trompa de Falopio, 680 Tronco encefálico, 327 Tropomiosina, 228, 232fig Troponina, 228, 232fig TRP, 277 TSD, 678 TSH (hormona estimulante del tiroides), 145.%, 298 vasopresina, 135fig , 310, 511, 513fig Tubérculos cuadrigémicos inferiores, 327 Tubérculos cuadrigémicos superiores, 327 Tubo de Malpigio, 516, 516fig Tubo neural, 323 Tubocurarina, 117 Tubulina, 96 Túbulo colector, 500fig, 502, 505 Túbulo distal, 500fig, 502, 504fig Túbulo proximo, 500fig, 502 Túbulos seminíferos, 683fig Túbulos T, 241 Túnica adventicia, 390 Túnica externa, 390, 390fig Túnica íntima, 390, 390fig Túnica m edia, 390, 390fig
U Ubicación unitaria, 224, 224fig Ubiquinona, 44 UCP, 73, 657 UCT, 641 Ultrafiltración, 359 Umbral de detección, 267 Umbral renal, 504, 505fig Unión hermética, 322, 3 9 1 ,4 8 5 -4 8 7 , 489, 554 Unión receptor-ligando, 117 Uniones débiles, 26-29 efectos am bientales, 29, 57 energía, 27 estructura de las proteínas, 4 7 -4 8 ,4 7 fig estructura macromolecular, 47-48, 88, 642, 646 estructura, 28fig fluidez de la membrana, 83 función enzimática, 53, 646, 648 proteínas anticongelante, 654 sensibilidad a la temperatura, 29 Uniones fosfodiéster, 61 Uniones fuertes, 26 Uniones intercelulares comunicantes, 113, 114% Uniones neuroefectoras, 194 Uniones no covalentes, 26 Uniones peptídicas, 46fig Uracilo, 4?fig Urea, estructura, 492fig
766 índice tem ático
excreción, 474, 492 osmolito, 28, 31fig, 479, 4 8 0 % 480, 491 retención en los tiburones, 498 síntesis, 494-498 Ureotelia, 4 92 fig, 494-498 Ureotélicos, 491, 4 9 2 í Uréter, 500, 515 Uricotelia, 492í, 494 Uricotélicos, 4 9 1 ,4 9 2 í Utrículo, 286, 288 fig
V Va /Q, 448 VA opsina, 296 VA, 448 Vaina de m ielina, 172 'fig, 192 Valina, 45fig Válvula atrioventricular (AV), 373 Válvula AV, 373 Válvula bicúspide, 373 Válvula semilunar aórtica, 373 Válvula semilunar pulmonar, 373 Válvula tricúspide, 373 Válvulas semilunares, 373 Varicosidades del axón, 1 9 4 , 195fig Vascularización de la piel, 660 fig Vasoconstricción, 386, 395t Vasocontricción pulmonar hipóxica, 449 Vasodilatación, 386, 396t Vasomovimiento, 592 Vasopresina, 1 3 5 ,1 4 2 , 396í, 398, 401-402, 511-513, 513 fig, 522 Vasos sanguíneos, 390-394 Vatio, 22 Vd,4 4 7 VEGF, 393, 592 Vejiga natatoria, 604-605, 604 fig Vejiga, urinaria 499 fig, 500, 507, 514, 518 Vejigas natatorias llenas de gas, 605 Velo, 430 Velocidad de conducción, de potenciales de acción, 183-191 Velocidad de movimiento, 620-622 Velocidad del flujo sanguíneo, 388, 394 Velocidad inicial, 55 Velocidad m áxim a (Vmax), 646 Velocidad preferida, 619
Vellosidades, 551, 551 .fig Vena cava inferior, 374 Vena cava superior, 374 Vena pulmonar, 371 Venas, 400 Venas linfáticos, 399 Ventana oval, 290, 291 Ventana redonda, 290, 291 Ventilación, 419, 425í, 662. Véase también Sistemas respiratorios Ventilación alveolar (VA), 448 Ventilación corriente, 425, 426 fig Ventilación no direccional, 425, 426 fig Ventilación pasiva, 432 Ventilación por corriente de aire, 438 Ventilación unidireccional, 425 Ventolín, 338 Ventrículo, 323, 358 Ventrobronquio, 443 Vénulas, 392 Vesalius, Andreas, 5 Vesícula biliar, 555 Vesículas, 97, 98, 323 fig, 391 Vesículas sem inales, 686 Vesículas sinápticas, 173 VFAs, 41 Vía biliar, 555 Vía de control de reflejos, 13 Vía de la pentosa fosfato, 77 Vía de señalización del inositol-fosfolípido,
Visión binocular, 305 Visión de color tricromática, 306, 309 Visión en color, 306, 309 Visión, 292-307. Véase también Fotorrecepción Vitaminas, 531-532, 53 1 1 Vitelina, 680 Vitelo, 680 Vitelogenia, 681 Vitelogenina, 680 Vivíparos, 679 VLDL, 539, 5 3 9 í Vmáx, 640 Voltaje “clamp”, 160 Volumen corriente (VT), 447 Volumen de reserva de espiración, 448, 449/jjr Volumen de reserva de inspiración, 448, 449/jjr Volumen residual, 4 48, 449 fig Volumen sanguíneo, 403 Volumen sistólico, 383, 383-384, 384-386 Volumen telediastólico, 375, 385 Volúmenes/capacidades del pulmón, 448,
Vía internodular, 380 Vía renina-angiotensina-aldosterona, 513 Viagra, 397, 687 Vías de transducción de señales, 119-120 canal iónico regulado por ligando, 121-122 enzim as receptoras, 122-125 estructura general, 118 receptores intracelulares, 120-121 receptores unidos a proteína G, 126-131 Vías m etabólicas, 39, 52 Vías m otrices somáticas, 340-341 Vías neurovegetativas, 333-340 VIP, 557í, 561 Viscosidad, 386, 387, 606 Viscosidad de los líquidos, 607
W Wáchtersháuser, Günter, 20
129^
449^
Vórtice, 6 13, 611 .fig VT, 447 Vuelo, 622-623, 623 fig Vuelo cernido, 612 Vuelo verdadero, 610
X Xenoestrógenos, 137
Y Yodopsina, 296 Z Zona binocular, 305 Zona desencadenante, 162 Zona pelúcida, 680 Zona termoneutra, 641 Zooclorela, 533 Zooxantela, 533 Zwitteriones, 37
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Mamíferos placentarios Monotremos Marsupiales
Mamíferos
Sinápsidos Urodelos (salamandras)
Anuros (ranas)
Amniotas Anfibios
Tetrápodos
Esturiones y peces espátula
Dipnoos (peces pulmonados)
Teleósteos Actinopterigios (peces de aletas radiales)
Lampreas)
Vertebrados Mixinos
Cefalocordados
Urocordados
Cordados
Condrictios (peces cartilaginosos)
Filogenia de los cordados. Las r e la c io n e s e n tre lo s d istin to s g r u p o s d e l filo de lo s c o r d a d o s s u e le n c o m p r e n d e r s e b ie n . N o o b sta n te , a lg u n o s c ie n tífic o s n o s e p o n e n d e a c u e r d o s o b r e s i s o n m á s p r ó x im o s a lo s v e r te b r a d o s lo s u r o c o r d a d o s o lo s c e fa lo c o rd a d o s.
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